ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Руководство по спецификации и проектированию фильтров гармоник на стороне переменного тока

Часть 3

Моделирование

(IEC/TR 62001-3:2016, NEQ)

Издание официальное

Сшцдажфврм

20»

Предисловие

1    РАЗРАБОТАН Открытым акционерным обществом «Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения» (ОАО «НИИПТ»)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 016 «Электроэнергетика»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 ноября 2020 г. Ni 1157-ст

4    Настоящий стандарт разработан с учетом основных положений международного документа IECTR 62001-3:2016 «Системы постоянного тока высокого напряжения (ПТВН). Руководство к техническим условиям и оценке расчетов фильтров переменного тока. Часть 3. Моделирование» (IEC.TR 62001-3:2016 «High-voltage direct current (HVDC) systems — Guidance to the specification and design evaluation of AC filters — Part 3: Modelling», NEQ)

5    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информациотюм указателе «Национальные стандарты». а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)

© Стандартинформ. оформление. 2021

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии II

пустимо ограничивать анализом малых сигналов. Для анализа взаимных гармоничесхих влияний этого обычно бывает достаточно, поскольку гармонические составляющие, как правило, оказываются по своей величине на несколько порядков меньше основной частоты на стороне переменного тока и гармонических составляющих постоянного тока на стороне постоянного тока.

При частотном анализе преобразователи передач постоянного тока часто рассматриваются в качестве идеальных источников гармонического тока (на стороне переменного тока) и напряжения (на стороне постоянного тока) с учетом неканонических гармоник, величины которых получены на основе опыта измерений на моделях или других объектах постоянного тока. При рассмотрении взаимных гармонических влияний такое допущение может быть недопустимым. Например, третья гармоника, генерируемая преобразователем, в наибольшей степени определяется величиной напряжения обратной последовательности на шине преобразователя, а значит, идеальный источник напряжения третьей гармоники должен обеспечивать более точную трактовку в ходе анализа, чем традиционно используемый источник тока.

Модель, реализованная в частотной области, может включать в себя все ключевые элементы для расчета взаимного влияния гармоник. Преимущество данной модели состоит в том. что она позволяет эффективно просчитывать очень большое количество вариантов. Реализуется моделирование огибающей кривой сопротивления сети переменного тока в плоскости R—X. а также вариации допусков.

Одной из наиболее важных особенностей модели в частотной области является то, как в ней учитывается сопротивление преобразователя на сторонах переменного и постоянного тока соответственно. Более простые модели часто используют только индуктивное сопротивление в цепи вентиля преобразовательного трансформатора, более сложные модели используют функции преобразования сопротивления для учета всех полных сопротивлений. Кажущееся сопротивление преобразователя на той или иной частоте на стороне постоянного тока зависит от сопротивления на стороне переменного тока при других различных частотах, и наоборот. При этом обычно ограничивают количество рассматриваемых частот наиболее значимыми из них.

Определение функций преобразования преобразователя, чувствительных к различным условиям (напряжение, ток, сопротивление), является сложной задачей. Функция, учитывающая влияние управления в замкнутом контуре, может быть определена вычислениями с помощью соответствующей модели во временной области. Взаимные влияния могут исследоваться с помощью соответствующего инструмента моделирования малых сигналов. В любом случае для окончательной проверки аналитических результатов необходимо моделирование во временной области.

При моделировании взаимного гармонического влияния «переменный—постоянный—переменный ток» в разомкнутом контуре в частотной области допустимо пренебрегать влиянием средств управления преобразователем (то есть используют постоянные углы включения в соответствии с выбранным нормальным режимом). Исходя из этой предпосылки, можно рассчитать функции передачи напряжений. токов и сопротивлений аналитическим методом.

4.4.4    Модель взаимного влияния «переменный—постоянный ток» в частотной области

При удаленных подстанциях ПТ может быть использована упрощенная модель взаимного влияния «переменный—постоянный ток» в частотной области, которая пренебрегает влиянием гармоник, генерируемых на дальней подстанции. Цепь постоянного тока в такой модели упрощенно представлена пассивным сопротивлением. Преимущество такого упрощения в том. что расчеты могут проводиться отдельно для каждой преобразовательной подстанции, и число расчетных вариантов при этом уменьшается. Данная модель может применяться при установке шунтирующего фильтра постоянного тока второй гармоники на дальней подстанции, который, по сути, замыкает накоротко преобразователь и дальнюю систему переменного тока, если смотреть со стороны постоянного тока.

Недостатком модели является то. что используемое сопротивление на стороне постоянного тока определено менее точно, поскольку не учитывает сопротивление сети переменного тока и фильтра переменного тока дальней подстанции. Кроме того, в модели не учитываются гармоники, возникшие по причине взаимного влияния на дальней подстанции, которые могут быть существенными.

4.4.5    Модель источника тока в частотной области

Данный способ упрощенного моделирования в частотной области основан на допущении о том. что на всех гармониках преобразователь на стороне переменного тока действует в качестве источника тока гармонических составляющих. Данная модель предлагает эффективный способ для изучения конструкции фильтров переменного тока для одной преобразовательной подстанции (см. [1]). Параметры источника тока гармонических составляющих при этом определяют с помощью модели взаимного влияния «переменный—постоянный ток».

4.5 Факторы, подлежащие учету при расчете фильтров с учетом взаимного влияния

гармоник

4.5.1    Общие положения

Во многих случаях расчеты фильтров проводятся без детального рассмотрения взаимного гармонического влияния. В таких ситуациях следует обеспечить внутренний конструктивный запас для возможности подтверждения соблюдения требований к нормальным и номинальным характеристикам при рассмотрении гармонических влияний.

Такое подтверждение делают с помощью инструментов для расчетов во временной области, таких как PSCAD/EMTDC, ЕМТР и подобные. Ограниченного количества имитаций обычно бывает достаточно для подтверждения приемлемости конструкции. Необходимо обосновать, почему такие случаи являются определяющими или достаточными для проектирования.

При использовании модели во временной области и оценки с помощью анализа Фурье следует предусматривать некоторый запас под погрешности, вносимые в связи с ограничениями модели.

4.5.2    Примыкающие системы переменного тока и нагрузка преобразователя

На взаимное гармоническое влияние оказывают воздействие составляющая обратной последовательности напряжения основной частоты на шинах переменного тока, изменение частоты сети и в меньшей степени уровень нагрузки преобразователя.

При проектировании фильтров следует брать в расчет определенный рабочий диапазон частоты системы и напряжения прямой последовательности объединенных систем переменного тока. Необходимо учитывать максимальное значение для рассматриваемого напряжения обратной последовательности.

Если требуется изучить взаимодействие канонических гармоник, то следует принять минимальную нагрузку преобразователя, так как двенадцатая гармоника на стороне постоянного тока и другие гармоники могут достигать максимума на этом уровне.

4.5.3    Канонические гармоники

Взаимное влияние может возникать как на канонических частотах, так и на неканонических частотах низшего порядка.

Для одиннадцатой и тринадцатой гармоник обычно предусматривают фильтрацию путем создания цепи с низким сопротивлением в контуре тринадцатой гармоники прямой последовательности и в контуре одиннадцатой гармоники обратной последовательности. Следует учесть: если сопротивление на стороне постоянного тока на двенадцатой гармонике мало (что случается в схемах ВПТ с малыми сглаживающими реакторами или вообще без таковых), может возникнуть связывание контуров одиннадцатой и тринадцатой гармоник обеих систем переменного тока. В результате такой взаимосвязи одиннадцатая и тринадцатая гармоники частот обеих систем переменного тока могут проявляться в соответствующих фильтровых звеньях.

Фильтры переменного тока, как правило, ограничивают взаимное влияние на преобразователи, в результате чего такое влияние обычно не проявляется в напряжении и токе систем переменного тока. Однако при проектировании фильтров переменного тока следует учитывать возможную степень взаимного влияния, задавая запас по нагрузке и номинальным параметрам фильтра.

4.5.4    Напряжение обратной последовательности

Если принятый уровень напряжения обратной последовательности фаз образуется на шине преобразователя. то при использовании модели, приведенной на рисунке 2. напряжение источника обратной последовательности следует корректировать так. чтобы достичь требуемой величины на шине преобразователя. Следует учитывать, что работа преобразователя может сама по себе приводить к появлению тока обратной последовательности, который, входя в сопротивление сети переменного тока, образует напряжение обратной последовательности на шине преобразователя. Угол этой составляющей относительно исходной обратной последовательности фаз источника будет зависеть от сопротивлений систем переменного и постоянного тока и может суммироваться. В этом случае сама обратная последовательность фаз на шине преобразователя будет выше существующего установленного уровня источника. Этот факт не определяется средствами регулирования напряжения в системе, которые применяются к напряжению прямой последовательности, и потому должен приниматься к сведению.

При моделировании следует учитывать относительный сдвиг фаз обратной последовательности по отношению к прямой последовательности, так как он может взаимодействовать с работой преобразователя. влияя на напряжение второй гармоники на стороне постоянного тока и, следовательно, на токи третьей гармоники обратной последовательности основной частоты и прямой последовательности на стороне переменного тока от преобразователя.

Обратная последовательность основной частоты в каждой системе инжектирует составляющую второй гармоники в постоянный ток. величина которой может колебаться из-за того, что фазы двух систем медленно смещаются относительно друг друга вследствие небольших различий в частоте между двумя системами. В результате составляющая второй гармоники инжектируется в системы переменного тока на каждой стороне в виде прямой последовательности третьей гармоники и основной частоты обратной последовательности, которая имеет тенденцию к модулированию существующего напряжения обратной последовательности. В предельном случае величина тока третьей гармоники может практически удваиваться (и должна учитываться при проектировании фильтров третьей гармоники) вследствие усиления составляющих обратной последовательности из каждой системы. Обратная последовательность напряжения основной частоты в каждой системе также модулируется преобразователем. и изменение напряжения основной частоты может становиться достаточно существенным для того, чтобы влиять на управление переключателем отпаек.

Данный эффект может проявляться наиболее остро, когда преобразователь установлен на конце одиночной иетранслонированной линии передачи переменного тока большой длины, которая при этом имеет нагрузку, в несколько раз превышающую натуральную мощность линии.

Следует учесть, что установка параллельно подключаемого эвена фильтра третьей гармоники для ограничения напряжения третьей гармоники в системе переменного тока может увеличить ток в системе переменного тока, повысив его в фильтре до больших значений, чем при отсутствии звена третьей гармоники. Данная ситуация может усугубляться резонансами между фильтром переменного тока и системой переменного тока.

4.5.5 Существующие гармонические искажения

Следует учитывать, что искажение напряжения в системе переменного тока на шине преобразователя влияет на результирующие гармоники в преобразователе. Эти искажения напряжения вызываются гармоническими токами, генерируемыми преобразователями, а также уже существующим искажением в сети. Если применяется модель взаимного влияния, которая может учитывать оба эффекта одновременно, достаточно использовать фактические значения существующего искажения (с учетом возможности его дальнейшего увеличения) и напряжение U_on в модели согласно рисунку 2.

Для правильного моделирования взаимного гармонического влияния необходимо учитывать не только величину, но и последовательность фаз существующих гармоник, так как это влияет на последовательность передаваемых через преобразователь гармоник. 8 случае отсутствия информации о последовательности можно считать обоснованным общее предположение о том. что вторая, пятая и восьмая гармоники имеют преимущественно обратную последовательность, а четвертая, седьмая и десятая гармоники имеют прямую последовательность.

Любые гармоники третьего, шестого и девятого порядка, генерируемые при насыщении трансформаторов и машин, будут нулевой последовательности (в этом случае их можно игнорировать, так как они не проходят через преобразователь).

Как правило, практическое влияние гармоник высших порядков на конструкцию фильтров является пренебрежимо малым.

Относительный фазовый угол (относительно напряжения основной частоты) существующих гармоник является важным параметром в процессе передачи «переменный—постоянный—переменный ток». Подтверждение этому приведено на рисунке 3. на котором показано напряжение шестой гармоники на стороне постоянного тока, генерируемое пятой и седьмой гармониками на шине преобразователя. с постоянным фазовым углом для пятой гармоники, и при изменении фазового угла для седьмой. В большинстве случаев значения фазовых углов гармоник принимают случайный характер. Для того, чтобы оценить вероятное воздействие гармонического влияния с некоторой достоверностью, необходим статистический подход с применением моделей, в которых фазовые углы представляются стохастическими переменными. Для оценки наихудшего случая, например для определения номинальных параметров, следует применять их линейное сложение.

С практической точки зрения типичной является ситуация, когда обоснованность проектных решений подтверждается путем моделирования гармонического влияния для одной или нескольких выбранных гармоник, например взаимного гармонического влияния пятой и седьмой гармоник на стороне переменного тока и шестой гармоники на стороне постоянного тока. В таком случае следует рассчитать выходной сигнал, определив величину напряжения источника за сопротивлением сети, позволив фазовому углу одной гармоники изменяться.

2.5 2.0 1Л 1.0 W 0

rf₅. d₇ — напряжения пятой и седьмой гармоник. %; 1)₅, 0^— фазовые углы пятой и седьмой гармоник

Рисунок 3 — Напряжение шестой гармоники на стороне постоянного тока U#q. возникшей под действием пятой и седьмой гармоник на стороне переменного тока при изменении фазового угла седьмой гармоники

4.5.6    Сопротивление для гармоник сети переменного тока

Сопротивления для гармоник сети переменного тока допускается определять в виде области значений в плоскости комплексного сопротивления.

Так как наиболее тяжелые условия резонанса с участием сопротивления преобразовательной подстанции всегда располагаются на границах таких областей (см. приложение А), то для нахождения определяющего сопротивления для каждой гармоники нет необходимости просчитывать всю окрестность. достаточно сканировать только границу. Это справедливо, если между сторонами передачи постоянного тока слабая связь (длинные линии ПТ, большие линейные реакторы).

Если необходимо учитывать эффект взаимного влияния «переменный—постоянный—переменный ток», то для нахождения определяющего сопротивления для каждой гармоники необходимо просчитывать полные области огибающих кривых сопротивления обеих сетей, исследуя эффект каждой комбинации всех выбранных точек в каждой окрестности.

Для исследований, проводимых с помощью моделирования во временной области, сопротивление сети следует представлять в виде эквивалентной схемы. Как правило, адекватной будет модель, применяемая для анализа динамических характеристик, поскольку такой эквивалент построен так. чтобы он достаточно достоверно представлял гармоники низших порядков.

4.5.7    Система управления преобразователем

В практических ситуациях наблюдается влияние алгоритмов управления преобразователем на передачу гармоник через преобразователь.

При моделировании влияния гармонических составляющих рекомендуется учитывать в модели влияние регулятора тока, если ширина полосы пропускания системы регулирования такова, что она воздействует на первую гармонику и гармоники низших порядков, а сопротивление на стороне постоянного тока недостаточно ослабляет эти частоты. И наоборот: если полоса пропускания системы регулирования такова, что не обеспечивает значительной реакции на составляющие с этими частотами, или сопротивление на стороне постоянного тока обеспечивает эффективное демпфирование первой гармоники и гармоник низших порядков, то влиянием регулятора тока можно пренебречь. В целях тестирования может быть выполнено первоначальное исследование резонанса на стороне постоянного

тока во временной области на раннем этапе расчетов, что может упростить анализ взаимных гармонических влияний в будущем.

Для большинства случаев упрощенная общая модель регулирования может оказаться достаточной для оценки наличия проблем, вызванных взаимным гармоническим влиянием. Окончательные настройки параметров системы управления в любом случае обычно определяют после окончания исследований динамических характеристик.

4.5.8    Сочетание с «классическими» гармониками

В рамках «классических» упрощающих допущений для расчета гармоник на стороне переменного тока преобразователя постоянный ток принимают идеально сглаженным, не содержащим гармоник, и. следовательно, без учета взаимного влияния гармоник. При таких условиях генерируются канонические гармоники, а также неканонические гармоники вследствие различных факторов (см. ГОСТ Р 59032.1).

Например, ток третьей гармоники образуется из-за несимметрии интервалов коммутации, возникающей из-за наличия несимметрии напряжения и действия системы управления. Этот ток отличается от тока третьей гармоники, связанного с обратной последовательностью, но возникающего косвенно из-за генерации напряжения второй гармоники на стороне постоянного тока и появляющегося вследствие этого тока второй гармоники в контуре постоянного тока.

Эти две составляющие тока третьей гармоники невозможно различить при анализе результатов измерений на объекте или в ходе моделирования во временной области. В упрощенном виде их можно считать независимыми источниками, с возможным смещением фазового угла, которое зависит от фазового сдвига тока второй гармоники.

4.5.9    Наложение гармоник

Анализ взаимного гармонического влияния следует проводить с наложением источников гармонического напряжения на одной стороне системы ПТ в стационарном режиме и оценкой получаемого распределения гармонической нагрузки, после чего ту же процедуру повторяют на другой стороне. Этот подход позволяет понять протекание процессов в контуре, и вносимая при этом погрешность, как правило. бывает допустимой. При этом необходимо правильно сложить гармоники из разных источников.

Если обе стороны ВПТ работают на одинаковой номинальной основной частоте, суммарная величина гармонических частот должна вычисляться как квадратный корень из суммы квадратов гармонических составляющих или арифметическим способом. Вычисление квадратного корня часто используют для оценки рабочих характеристик, тогда как арифметическая сумма используется при определении максимально возможных нагрузок оборудования, особенно при наличии сильной гармонической связи между обеими сторонами ВПТ.

В случае, когда обе стороны работают на разных основных частотах, влияющие друг на друга гармоники будут иметь дискретные частоты и должны оцениваться соответственно. То есть оценку рабочих характеристик следует проводить с учетом критериев проявления интергармоник. При определении нагрузок оборудования интергармонические составляющие следует рассматривать как индивидуальные частоты.

4.5.10    Параллельные линии переменного тока и насыщение преобразовательного трансформатора

В некоторых ситуациях линии передачи постоянного тока идут параллельно линиям передачи переменного тока на некоторой части своего маршрута.

Теоретически между линиями при этом образуется емкостная и индуктивная связь, однако в практических целях при типовых дистанциях между линиями емкостным элементом можно пренебречь. Индуктивная связь может иметь большое влияние, так как в контур передачи постоянного тока вводятся токи основной частоты.

При биполярной передаче индуцируемый ток в двух проводах ППТ будет иметь одинаковое направление и поэтому преимущественно основную составляющую с возвратом через нейтрали или электроды преобразовательных подстанций. Однако ввиду разных расстояний между каждым проводом постоянного тока и линией переменного тока индукция в каждом из них будет разной, в результате чего также образуется некомпенсированный или межполюсный ток.

Типичные уровни индуцированного тока основной частоты обычно недостаточно высоки, чтобы оказывать заметное влияние на гармонические характеристики на стороне постоянного тока или на номиналы фильтров на стороне постоянного тока и другого оборудования. Их основная значимость определяется влиянием, которое они могут оказывать посредством взаимной модуляции на насыщение преобразовательных трансформаторов. Ток основной частоты в контуре постоянного тока приводит к появлению постоянного тока и второй гармоники прямой последовательности в обмотках трансфор-

матора на вентильной стороне. Постоянный ток делится между тремя фазами обмотки на вентильной стороне в пропорциях, зависящих от фазового угла индуцируемого тока относительно приложенного напряжения источника переменного тока и угла включения:

л    л

/, = сов(ф, + а)+COS (2i0t + ф, - а).    (1)

где /, — ток в фазе обмотки трансформатора на вентильной стороне;

/_dl — ток основной частоты на стороне постоянного тока;

Ф, — угол тока основной частоты в контуре постоянного тока относительно напряжения источника преобразователя;

« — угол включения; ш — основная частота:

t — время.

Л

Величина составляющей постоянного тока будет между 0 и — l_dV в зависимости от tp, и а. Так

как фазовый угол между индуцированным напряжением основной частоты и напряжением переменного тока источника преобразователя неизвестен, предполагается, что постоянный ток в любой одной

Л

фазе может достигать максимально возможного значения, которое равно —t_d*. Сумма токов трех

я

фаз должна быть равна нулю, так как в обмотках на вентильной стороне отсутствует путь заземления нейтрали.

Существуют и другие возможные источники постоянного тока в трансформаторе, которые необходимо принимать в расчет при оценке риска насыщения. К ним относятся: ток основной частоты на стороне постоянного тока, получаемый из напряжения второй гармоники со стороны переменного тока и из возможного отклонения угла включения, блуждающий постоянный ток из ближних электродов, а также, возможно, ток. наведенный геомагнитным полем. Последние два вида токов проходят по обмоткам на стороне линии через заземление нейтральной точки обмотки, соединенной в «звезду» и потому также способствуют насыщению сердечника.

Возникающий в результате этого сдвиг насыщения сердечника на одной стороне приводит к генерации гармоник широкого спектра в намагничивающем токе на стороне переменного тока преобразовательного трансформатора. Помехи от звуковых частот, создаваемые трансформатором, значительно увеличиваются, и возникает риск локального перегрева и газовыделения. Дополнительная генерация гармоник может привести к перегрузке и отключению фильтров гармоник, если такое явление не будет должным образом предусмотрено в их конструкции и номинальных характеристиках. Если ток второй гармоники, производимый при насыщении, встречает высокое сопротивление сети или фильтра, получаемое увеличенное напряжение второй гармоники может привести к появлению на стороне постоянного тока дополнительного напряжения и тока основной частоты, замыкающих контур, что будет иметь результатом нестабильность насыщения сердечника.

Индукция от параллельных линий переменного тока может иметь чрезвычайно серьезные последствия и требует внимательного изучения. Линии переменного тока могут быть представлены подробно с помощью типовой модели линий постоянного тока и преобразовательных подстанций в частотной или временной области. Важными факторами, которые необходимо учитывать при расчетах, являются:

-    длина воздействия — индуцированный ток пропорционален длине параллельного прохождения,

-    геометрическое исполнение линий переменного и постоянного тока, включая заземляющие провода;

-    расстояние между линиями — должно быть четко определено, какое расстояние имеется в виду: между центрами или между ближайшими проводами;

-    удельное сопротивление грунта — при увеличении удельного сопротивления индуцированный ток возрастает;

-    режим работы ППТ (биполярный, монополярный с возвратом через землю или обратный провод);

-    максимальные уровни тока в линии переменного тока, включая проценты составляющих обратной и (что очень важно) нулевой последовательности;

-    транспозиции линии переменного тока и, возможно, линии постоянного тока.

Если расчеты показывают высокий риск насыщения преобразовательных трансформаторов вследствие существующих уровней индукции, то могут быть приняты три типа мер по ее ослаблению.

а)    Транспозиция линий переменного тока вдоль участка воздействия. Это нивелирует индукцию за счет составляющих прямой и обратной последовательности, действие которых зависит от меняющегося расстояния от трех фаз переменного тока до линии постоянного тока. Однако это не будет оказывать влияния на индукцию, вызываемую любой составляющей нулевой последовательности переменного тока.

Примечание — Транспозиция проводов линии постоянного тока в этом случав была бы сравнительно неэффективна, так как не оказала бы влияния на индукцию тока основной частоты, которая часто является доминирующим компонентом.

б)    Реализация действия системы регулирования тока, которое будет демпфировать ток основной частоты в контуре постоянного тока. Это наиболее простое в реализации и экономичное решение. Отрицательным последствием такого взаимодействия может стать расширение спектра гармоник на обеих сторонах переменного и постоянного тока, что создает дополнительные проблемы.

в)    Внедрение последовательных заграждающих фильтров на стороне нейтрали цепи преобразователя или шунтирующих фильтров, настроенных на основную частоту. Среди этих вариантов более предпочтительным решением, как правило, являются последовательные фильтры. Шунтирующие фильтры могут выступать в качестве обходного пути для тока основной частоты, индуцированного в линии постоянного тока, однако они также обоспечивают путь с очень малым сопротивлением для тока основной частоты, генерируемого преобразователем (например, из-за второй гармоники на стороне переменного тока), приводя к повышению постоянного тока в трансформаторе.

Последовательные заграждающие фильтры доказали свою высокую эффективность и применяются на многих объектах ППТ. Данное решение имеет высокую стоимость, так как фильтры рассчитаны на полный постоянный ток, и поэтому реакторы аналогичны сглаживающим реакторам — иногда применяется аналогичный дизайн.

Примечание — Реактор заграждающего фильтра не способствует сглаживанию постоянного тока, так как он зашунтирован параллельным конденсатором.

Заграждающие фильтры должны иметь точную настройку и теряют эффективность при широких колебаниях частоты по причине возмущений в системе. Во время таких больших колебаний частоты может произойти насыщение трансформаторов вследствие расстройки заграждающих фильтров.

4.5.11 Особенности вставок постоянного тока

В схеме ВПТ контур передачи постоянного тока практически отсутствует, фильтров постоянного тока нет. сглаживающие реакторы могут быть небольшими или отсутствовать вообще ввиду отсутствия коротких замыканий на стороне постоянного тока и помех, создаваемых гармониками на стороне постоянного тока. Ввиду тесной связи выпрямителя и инвертора осуществляется значительный вклад гармонических составляющих на стороне переменного тока выпрямителя со стороны инвертора и на стороне переменного тока инвертора со стороны выпрямителя. Величина взаимно модулированных гармоник обычно составляет от 10 % до 20 % от гармонических составляющих самого преобразователя (выпрямителя или инвертора) и зависит от сопротивления контура, состоящего из сопротивлений на стороне переменного тока (трансформаторов, фильтров переменного тока и сети переменного тока), и с учетом сглаживающего реактора постоянного тока, если таковой установлен.

Сглаживающий реактор постоянного тока имеет влияние на величину этих взаимно модулированных гармонических составляющих, присутствие такого реактора не устраняет их полностью. Если сглаживающие реакторы на стороне постоянного тока не применяются, это приводит к значительно меньшему сглаживанию и. соответственно, к более высокой степени передачи гармоник. Когда применяются сглаживающие реакторы, они обычно имеют низкио значения индуктивности, так как нецелесообразно изготавливать реакторы на воздушном сердечнике с высокой индуктивностью для очень высоких номинальных значений постоянного тока.

Примечание — Сглаживающий эффект реактора с низкой индуктивностью в контуре постоянного тока низкого напряжения с большим током (что характерно для ВПТ) может быть таким же или даже еще выше, чем у реактора с гораздо большей индуктивностью в контуре ПТВН при низком значении тока (что характерно для ППТ).

Если номинальные основные частоты двух систем переменного тока различны, то в результате взаимной модуляции гармоники одной основной частоты появятся в системе переменного тока на другой стороне вставки в виде частот интергармоник, к которым могут применяться более строгие ограни-

чения. Биение различных частот приведет к появлению частот субгармоник, которые могут вызывать небольшие флуктуации или торсионные эффекты в электрических машинах.

При анализе ВПТ недопустимо использовать сокращенные модели взаимного влияния, которые учитывают влияние только одной преобразовательной подстанции.

4.6 Сродства уменьшения взаимного влияния гармоник

4.6.1    Фильтры переменного (и/или постоянного) тока

Параллельно соединенные фильтры (или звенья фильтров) переменного тока применяются для ограничения влияния взаимодействий на систему переменного тока путем создания низкоимпеданс-ного контура для прохождения тока, обусловленного взаимным влиянием. Низкое сопротивление при частоте взаимного влияния дает в результате малое соответствующее напряжение на шине преобразователя. В некоторых случаях целесообразно применять широкополосные фильтры. Увеличение демпфирования на частотах взаимного влияния снижает напряжения и токи, которые могут образовываться в результате взаимного влияния.

Заграждающие фильтры могут применяться на стороне постоянного тока для предотвращения взаимного влияния. Фильтры обычно состоят из параллельных компонентов конденсатор—реактор-резистор. соединенных последовательно с преобразователем постоянного тока. Фильтр ограничивает ток на резонансной частоте, тем самым отсекая сеть постоянного тока на частоте взаимного влияния. Часто этого бывает достаточно для того, чтобы исключить такое влияние.

Взаимного влияния часто удается избежать, подобрав соответствующее значение индуктивности сглаживающих реакторов и подходящие параметры фильтров постоянного тока во избежание последовательных или параллельных резонансов на критических частотах взаимного влияния на стороне постоянного тока. Сглаживающие реакторы являются эффективным средством для ограничения влияния в связи с эффектами перекрестного искажения.

4.6.2    Проектирование системы регулирования постоянного тока

Средства регулирования выпрямленным током предлагают экономичный способ борьбы со взаимным гармоническим влиянием. Они наиболее эффективны для ограничения влияний, обусловленных внешними по отношению к преобразователю воздействиями, при низких частотах гармонического взаимодействия. Типичное проектное решение системы регулирования подразумевает реализацию схемы, которая реагирует на напряжение или ток одной из взаимодействующих сетей на соответственной частоте взаимодействия. Схема вносит небольшую корректировку угла включения каждого вентиля таким образом, чтобы снизить величину измеряемого параметра.

4.6.3    Эксплуатационные ограничения и проектируемые средства защиты

Наиболее экономичным, но менее желательным решением проблемы взаимного влияния может стать исключение таких режимов работы, при которых может возникать данное влияние. Если вероятность возникновения такого режима чрезвычайно мала, введение ограничения на работу системы может оказаться более привлекательным, нежели затраты (и возможные неудобства), связанные с установкой фильтра гармоник переменного тока низкого порядка большой емкости.

5 Моделирование сопротивлений сети переменного тока

5.1 Общие свсдония

Как правило, диапазон сопротивлений сети, который должен использоваться для проектирования фильтров, определяет заказчик (см. ГОСТ Р 59032.1). Однако в некоторых случаях заказчик оставляет данную оценку на усмотрение потенциальных исполнителей.

Заказчик может использовать продолжительный период времени, который обычно имеется у него до выдачи технического задания, для того чтобы подготовить эту информацию, вместо того чтобы предоставить потенциальным исполнителям возможность провести оценку индивидуально в течение более короткого тендерного периода.

Следует учесть, что:

-    полученные предложения могут быть основаны на разных допущениях и потому не быть достоверными,

-    требования касательно стоимости и размещения фильтров переменного тока, определенные на этапе тендера, могут оказаться недостаточными;

-    исполнитель может предложить внесение изменений.

Методы определения сопротивлений гармоник сети, приведенные в [1] или в настоящем стандарте, не следует применять в следующих случаях:

-    если предложенная схема ПТ должна быть параллельно соединена с уже существующей схемой фильтров гармоник переменного тока, конструкция которых является эффективной, а также представляется предпочтительным связать фильтры с новой схемой для получения таких же характеристик, как у существующих устройств фильтрации, по крайней мере для канонических гармоник преобразователя. При этом любое изменение в определении сопротивления гармоник сети относительно того, которое использовалось при проектировании оригинальной схемы, потребует внимательного изучения на предмет сохранения эффективности существующих фильтров и комбинированной работы фильтров исходной и новой конструкции;

-    если предложенная схема ПТ будет подключена к сети переменного тока, которая эксплуатируется только в изолированном режиме, то есть к небольшой сети с четко определенными параметрами. для которой может быть предпочтительно моделировать линии электропередачи, кабели, трансформаторы, генераторы и т. д. непосредственным способом, нежели с помощью огибающих кривых импеданса.

Если точная оценка сопротивления сети для гармоник невозможна, то допускается сформировать технические требования на базе упрощенного определения сети с достаточно произвольными параметрами, значения которых взяты с запасом. Следует принять к сведению, что проводимый таким образом пессимистический расчет сопротивления сети (например, с чрезмерно большими углами демпфирования или слишком большим диапазоном сопротивлений) имеет несколько недостатков в отношении конструкции фильтров переменного тока:

-    может потребоваться большее число и/или различные типы фильтров для учета состояний сопротивления сети, которые могут не иметь места на практике:

-    потребуется увеличить площадь распределительного устройства ввиду требований к резервированию в результате применения большего числа фильтров разных типов;

-    могут понадобиться фильтры переменного тока на низких уровнях передаваемой мощности, с более высокой полной реактивной мощностью, чем та. которая может быть принята сетью переменного тока, поэтому преобразователи должны будут работать либо с увеличенными углами регулирования, либо с использованием дорогостоящих шунтирующих реакторов, причем оба варианта влекут за собой увеличение издержек:

-    более высокие начальные и эксплуатационные издержки.

В противоположном случае, когда используется точная оценка сопротивления сети, требуемые критерии гармонических характеристик могут быть не соблюдены, а объект при этом не сможет эксплуатироваться ввиду гармонической перегрузки вследствие резонансов между фильтрами переменного тока и сетью, которые не были предусмотрены. В таких случаях экономические последствия подобного подхода могут быть более серьезными, чем перечисленные выше последствия пессимистического расчета.

Примечание — Стоимость фильтров гармоник переменного тока составляет существенную часть общих затрат на преобразовательное оборудование, так как фильтры всегда изготовляются на заказ и имеют уникальную компоновку и размеры компонентов. Кроме того, после изготовления в них сложно внести существенные изменения. При этом предпочтительно, чтобы их конструкция с точки зрения соблюдения требований к рабочим характеристикам и их нормирования была достаточно надежной для того, чтобы в течение всего срока эксплуатации не возникало необходимости в изменении конструкции или конфигурации и связанных с этим длительных перерывах в электроснабжении.

При расчете возможных изменений сопротивления сети следует принимать во внимание следующее:

-    колебание нагрузки/генерации системы в день максимального потребления:

-    колебание нагрузки/генерации системы в день минимального потребления.

-    колебание нагрузки/генерации системы в дни среднего потребления;

-    разные условия подключения генерации в системе переменного тока, например разные сочетания и места расположения гидроэлектростанций, атомных и тепловых электростанций, ветроэлектрических станций, других объектов ПТ. При наличии поблизости генерирующих мощностей рекомендуется использовать самые низкие уровни такой генерации при различных сценариях для моделирования наиболее слабой системы, которая для низших порядков частот дает наибольшие области сопротивлений;

-    соответствие предъявляемым требованиям устройства компенсации реактивной мощности обоих типов: динамического и фиксированного (например, батарей конденсаторов и реакторов с механической коммутацией). В этом отношении рассматривают все возможные сочетания поперечной компенсации реактивной мощности на шинах переменного тока преобразовательной подстанции или рядом с ней. так как при подключении двух и более устройств они могут взаимодействовать между собой, тем самым формируя состояния с разными сопротивлениями;

-    если другой объект ПТ находится в достаточной электрической близости для того, чтобы оказывать значительное влияние на сопротивление сети, его моделируют в явном виде, а не в виде сосредоточенного элемента сети, при этом связанные с ним фильтры переменного тока подвергаются воздействиям, соответствующим их расстройке (из-за изменений системной частоты, окружающей температуры. отказов емкостных элементов и т. д.), наряду с изменением количества и типов фильтров, которые могут быть подключены, с изменением нагрузки:

-    отключения передачи в сети переменного тока (нештатные и плановые). Нештатные отключения. т. е. одноцепные, двухцепные и др.. принимаемые к рассмотрению, зависят от принципов управления сетью (критерии л - 1. л-2 и т. д. в соответствии с требованиями устойчивости), для чего ему требуется либо соблюдать пределы гармонических характеристик, либо нормировать фильтры гармоник без обязательного достижения эксплуатационных пределов. Классификация этих нештатных и плановых отключений (например, для ремонта) должна быть определена. В зависимости от сложности рассматриваемой сети считается обычным, что для каждого режима нагрузок необходимо изучить как минимум 50 значительно различающихся сетевых условий, чтобы получить подходящий и надежный диапазон возможных сопротивлений.

Любые сетевые условия, которые являются недостоверными, особенно с точки зрения сценариев генерации и нагрузки (т. е. условия, которые предполагают невозможные эксплуатационные режимы или могут не обеспечить сходящееся распределение нагрузки основной частоты), принимать к рассмотрению не следует.

Целью является разработка такой характеристики сопротивления сети, которая будет действительна для всех обоснованно возможных модификаций системы в течение расчетного срока службы объекта.

Требуется определить характеристики сопротивления гармоник сети для нормального и номинального режимов работы фильтров гармоник. Сценарии генерации и нагрузки и нештатные режимы для этих двух требований часто могут значительно различаться.

Нормативные документы (см. (2J). устанавливающие требования к функционированию электроэнергетических систем, касающиеся оценки предельно допустимых уровней гармоник, регламентируют допустимые уровни эмиссии гармонических искажений напряжения на основе условий, которые характерны для 95 % времени в год, исходя из статистического среднего значения и рассматривают нормальные режимы сети.

Примечание — См. ГОСТ Р 59032.1-2020. пункт 4.2.1.7.

Полученные различия в колебании сопротивления гармоник сети при сравнении нормальных и номинальных состояний могут быть значительными, особенно для гармоник высших порядков.

5.2 Моделирование элементов сети

При моделировании элементов энергосистемы необходимо учитывать зависимость их параметров от частоты для таких элементов, как воздушные линии электропередачи, кабели, генераторы и трансформаторы, при определении сопротивления гармоник сети.

При определении областей сопротивлений гармоник следует учитывать следующее:

-    точность исходных данных, касающихся элементов сети.

-    ограничения моделей сопротивления элементов в частотной области:

-    изменение сопротивления элементов сети при изменении окружающих и системных условий.

Некоторые данные о существующих элементах сети моделируются по результатам измерений,

проведенных во время стандартных производственных испытаний, другие берутся в виде номинальных значений. В последнем случае при расчетах следует учитывать эффекты производственных допусков, а для учета последующего расширения сети принимают в расчет подходящий диапазон возможных значений параметров элементов.

Содержание

1    Область применения..................................................................1

2    Нормативные ссылки..................................................................1

3    Сокращения............................................... 2

4    Взаимодействие гармоник, генерируемых преобразователями...............................2

4.1    Общие сведения..................................................................2

4.2    Условия возникновения гармонических взаимодействий.................................3

4.3    Явления взаимного влияния гармоник на сторонах постоянного и переменного тока..........3

4.4    Методики моделирования..........................................................5

4.5    Факторы, подлежащие учету при расчете фильтров с учетом взаимного влияния гармоник.....9

4.6    Средства уменьшения взаимного влияния гармоник...................................15

5    Моделирование сопротивлений сети переменного тока....................................15

5.1    Общие сведения.................................................................15

5.2    Моделирование элементов сети....................................................17

5.3    Представление нагрузок на гармонических частотах...................................18

5.4    Огибающие кривые гармонических сопротивлений сети................................19

5.5    Методы определения характеристик огибающей.......................................21

5.6    Оценка сопротивления интергармоник...............................................27

5.7    Измерение гармонического сопротивления сети.......................................28

6    Существующие гармоники............................................................29

6.1    Общие положения...............................................................29

6.2    Моделирование и измерение существующих уровней гармонических искажений............29

6.3    Методы оценки гармонических характеристик.........................................30

6.4    Расчет суммарных коэффициентов гармонических характеристик........................32

6.5    Методы оценки влияния существующих гармонических искажений на номинальные

характеристики фильтров.........................................................33

Приложение А (справочное) Местонахождение сопротивления сети при наихудших условиях.....38

Приложение Б (справочное) Точность моделирования элементов сети на гармонических частотах ..40 Приложение В (справочное) Дополнительные указания по измерению гармонических искажений

напряжения.............................................................49

Приложение Г (справочное) Решение вопросов контроля существующих гармоник на основании

опыта реализации проектов фильтров гармоник..............................51

Приложение Д (справочное) Опыт проектирования, подтверждающий влияние существующих

искажений........... 53

Приложение Е (справочное) Сравнение методов вычислений................................59

Библиография........................................................................67

Основные данные о параметрах сети могут быть получены из существующих моделей для расчета электрических режимов.

Точность сопротивления гармоник сети, полученного с помощью таких моделей элементов сети, снижается при гармониках более высоких порядков — приблизительно выше двадцатой гармоники. Так как для преобразователей с линейной коммутацией амплитуда гармоник токов с увеличением частоты уменьшается, а фильтрация гармоник таких порядков, как правило, осуществляется широкополосными фильтрами, то результат неточного определения величины сопротивления гармоник сети становится менее значимым для расчета гармонических искажений напряжения. Однако если нормирован критерий телефонных помех, необходимость в точном (по мере практической возможности) моделировании при гармониках высоких порядков все-таки является предпочтительной.

Правильное моделирование изменения сопротивления элементов сети при изменении частоты особенно важно при определении демпфирования сети на гармонических частотах. Его влияние на гармонические и номинальные характеристики описано в приложении Б.

Влияние устройства компенсации реактивной мощности, особенно в случае расположения вблизи шин преобразовательной подстанции, должно быть учтено при определении сопротивления сети. В этой связи конфигурация большинства простых параллельных конденсаторных батарей предусматривает наличие токоограничивающего реактора. Частота настройки таких конденсаторов в сочетании с реакторами, как правило, лежит в соответствующем диапазоне частот. Необходимо собрать подробные данные для всех шунтирующих элементов в сети. Как правило, данные о распределении нагрузки используются в качестве исходных данных для моделирования гармоник, тогда как подробные данные о токоограничивающих реакторах или частоте настройки элементов реактивной мощности часто не входят в такие наборы данных. Кроме того, если шунтирующий элемент расположен электрически близко к рассматриваемой точке, необходимо также учесть в модели потери на сопротивление любых шунтирующих роакторов.

Рассмотрение некоторых особенностей гармонического представления нагрузок, трансформаторов. линий передачи и машин приведено в приложении Б, которое содержит ориентировочные численные показатели, а также расчеты и измерения, которые ставят под вопрос некоторые общепринятые допущения.

5.3 Представление нагрузок на гармонических частотах

Критическую важность при определении сопротивления гармоник сети имеет правильное представление нагрузки на гармонических частотах, особенно при расположении вблизи преобразовательной подстанции.

Некорректно предполагать, что в случае, когда данные о нагрузках неизвестны либо с трудом поддаются оценке, исключение их представления из модели приведет к заниженному расчету (с использованием параметров, взятых с запасом) сопротивления гармоник сети. Хотя уровень демпфирования сети на гармонических частотах может снижаться, если тот или иной вид модели нагрузок не будет учтен, более важным представляется то. что при этом также произойдет сдвиг резонансных частот сети, особенно на гармониках низших порядков. Следовательно, отсутствие модели нагрузок может производить еще большие ошибки, чем при использовании некорректной или несоответствующей модели.

Наиболее точная модель сети может быть получена за счет включения всех узлов НН (например, 400 В), что практически неприменимо из-за отсутствия детальных сведений о таких сетях. Поэтому часто применяется эквивалентное представление сопротивления со стороны нагрузки. Требуемая точность эквивалента зависит от близости (с точки зрения относительных уровней напряжения и физического расстояния) конкретного распределительного шинопровода к шинам переменного тока преобразовательной подстанции.

Точное моделирование нагрузки требует детальных знаний о самой нагрузке с точки зрения ее разделения на бытовую, коммерческую, промышленную, тяговую и др.. а также их комбинации. Многие энергетические предприятия часто обладают малым объемом детальных данных в этом отношении, и при применении общих допущений касательно моделирования нагрузки и ее состава следует соблюдать осторожность.

Независимо от состава нагрузки ее величина будет значительно варьироваться (между максимальным и минимальным суточными уровнями).

Примечание — Более подробно представление гармоник нагрузок приведено в Б.2.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Руководство по спецификации и проектированию фильтров гармоник на стороне переменного тока

Часть 3

Моделирование

High-voltage direct current power transmission. Guidance to the specification and design evaluation of AC filters.

Part 3. Modelling

Дата введения — 2021—01—01

1    Область применения

1.1    Настоящий стандарт устанавливает общие рекомендации для учета взаимного влияния гармонических составляющих на сторонах постоянного и переменного тока преобразователей, а также существующих гармоник в сети переменного тока, моделирования сопротивления сети переменного тока и моделирования характеристик фильтров переменного тока.

1.2    Настоящий стандарт распространяется на электрические фильтры гармоник на стороне переменного тока для систем постоянного тока высокого напряжения (далее — ПТВН) преобразователями с линейной коммутацией.

1.3    Настоящий стандарт предназначен для использования энергетическими компаниями, консультантами. изготовителями, на которых возложена ответственность за разработку технических требований для новых проектов ПТВН, а также оценка предложенных изготовителями вариантов схем фильтрации.

Применение настоящего стандарта ограничено фильтрами гармоник на стороне переменного тока в интересующем диапазоне частот с точки зрения гармонических искажений и помех в диапазоне акустических частот. Настоящий стандарт не распространяется на фильтры, разработанные для эффективного подавления помех в системах высокочастотной связи по проводам линий электропередачи и помех в спектре радиочастот.

Настоящий стандарт следует использовать исключительно в качестве руководящих указаний при изготовлении фильтров гармоник на стороне переменного тока систем ПТВН. К использованию рекомендаций. изложенных в настоящем стандарте, следует подходить с учетом индивидуальных особенностей проекта ПТВН.

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 30804.4.7 (IEC 61000-4-7:2009) Совместимость технических средств электромагнитная. Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств

ГОСТ IEC 61000-4-30 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 4-30. Методы испытаний и измерений. Методы измерений качества электрической энергии

ГОСТ IEC/TR 61000-3-6—2020 Электромагнитная совместимость (ЭМС). Часть 3-6. Нормы. Оценка норм электромагнитной эмиссии для подключения установок, создающих помехи, к системам электроснабжения среднего, высокого и сверхвысокого напряжения

Издание официальное

ГОСТ Р 50397 (МЭК 60050-161:1990) Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения

ГОСТ Р 59032.1-2020 Передача электроэнергии постоянным током высокого напряжения. Руководство по спецификации и проектированию фильтров гармоник на стороне переменного тока. Часть 1. Общий обзор

ГОСТ Р 59032.2-2020 Передача электроэнергии постоянным током высокого напряжения. Руководство по спецификации и проектированию фильтров гармоник на стороне переменного тока. Часть 2. Измерения и проверки на месте эксплуатации

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3    Сокращения

В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

ВН — высокое напряжение;

ВПТ — вставка постоянного тока:

МУНХФ — максимальный уровень для номинальных характеристик фильтра;

НН — низкое напряжение;

о.е. — относительные единицы:

ППТ — передача постоянного тока;

ПТ — преобразователь тока;

ПТВН — постоянный ток высокого напряжения,

СВН — сверхвысокое напряжение;

СН — среднее напряжение.

СТК — статический тиристорный компенсатор.

4    Взаимодействие гармоник, генерируемых преобразователями

4.1 Общие сведения

Анализ генерации гармоник ПТ рекомендуется выполнять в два этапа, причем на первом этапе следует применять упрощающие допущения. ПТ рассматривают как генератор гармонических токов с бесконечным внутренним сопротивлением. Такое допущение является обоснованным в практических целях для большинства гармоник и служит основой для методов расчета, описанных в ГОСТ Р 59032.1.

При наличии предпосылок к взаимному влиянию гармоник на преобразовательной подстанции (см. 4.2) выполняется второй этап. Преобразователь представляет собой связующее звено между системами гармоник на сторонах переменного и постоянного тока, при этом на токи гармонических составляющих на стороне переменного тока могут оказывать влияние гармоническое сопротивление и токи гармонических составляющих на стороне постоянного тока.

Взаимное влияние гармонических составляющих необходимо учитывать в расчетах гармонических характеристик и нагрузке фильтров, а также его воздействие на защиту и общие динамические характеристики преобразовательной подстанции и систем управления.

Как правило, практические последствия взаимного влияния гармоник на стороне переменного и постоянного тока касаются в основном гармоник низших порядков. Увеличение индуктивного сопротивления трансформаторов преобразователя и сглаживающих реакторов на стороне постоянного тока при повышении частоты ограничивает токи гармоник более высоких порядков на стороне постоянного тока,

и. следовательно, гармоники, трансформируемые на стороны переменного тока, будут соответственно ниже.

Примечание — Правильный учет взаимного влияния гармоник во время проектирования поможет не только избежать проблем при последующей эксплуатации, но также упростить конструктивное исполнение оборудования. Известны примеры, когда фильтрация третьей гармоники представлялась необходимой при использовании упрощенного классического расчета гармоник с источником тока с жесткой характеристикой, но расчеты с использованием полной модели, учитывающей сопротивления сетей на обеих сторонах преобразователя, показывали. что такая необходимость отсутствует.

4.2    Условия возникновения гармонических взаимодействий

Предпосылки к взаимному влиянию гармоник на преобразовательной подстанции:

а)    примыкающие системы переменного тока имеют низкие значения отношения короткого замыкания. а следовательно — высокое сопротивление сети на частотах гармоник низших порядков:

б)    в примыкающих системах переменного тока наблюдаются значительные составляющие обратной последовательности напряжения основной частоты:

в)    рассматриваемый объект — ВПТ, так как в этом случае цель постоянного тока не может обеспечивать эффективное сглаживание или демпфирование гармоник. Также необходимо учитывать, что ВПТ может соединять асинхронные системы или системы с различными номинальными частотами:

г)    при малых индуктивностях сглаживающего реактора и в режиме малой мощности ток двенадцатой гармоники в преобразователе на стороне постоянного тока может влиять на относительные уровни одиннадцатой и тринадцатой гармоник на стороне переменного тока;

д)    прохождение линий постоянного и переменного тока в одном коридоре может привести к появлению в линии постоянного тока переменной составляющей тока основной частоты и насыщению трансформатора преобразователя постоянным током в обмотках вентиля;

е)    возникновение резонансных явлений на сторонах переменного и постоянного тока в диапазоне частот низших порядков;

ж)    возникновение резонансных явлений в сетях на сторонах переменного и постоянного тока на дополняющих частотах, т. е. если сторона переменного тока имеет параллельный резонанс при частоте . сторона постоянного тока имеет последовательный резонанс на частоте f₂ и /, - f₂ = ± f_Q (см. 4.3, таблицу 1).

4.3    Явления взаимного влияния гармоник на сторонах постоянного и переменного тока

Напряжения и токи на стороне переменного тока представляются в виде набора составляющих прямой, обратной и нулевой последовательности основной частоты и составляющих прямой, обратной и нулевой последовательности других (более высоких) частот. Форма кривой постоянного тока представляется в виде постоянной составляющей и спектра высших гармоник. Процесс преобразования, происходящий в мостовом преобразователе, устанавливает определенное соотношение между частотами гармоник на стороне переменного тока преобразователя и на стороне постоянного тока.

В общем случае взаимное влияние гармоник регулируется следующими упрощенными правилами. которые необходимо учитывать:

-    незаземленные соединения трансформатора типа «звезда» и «треугольник» на вентильной стороне преобразовательных трансформаторов препятствуют передаче частот нулевой последовательности со стороны переменного тока преобразовательных трансформаторов на сторону постоянного тока. Взаимосвязь нулевой последовательности ограничивается эффектом емкостного переноса второго порядка:

-    любая данная частота прямой последовательности выше основной на стороне переменного тока преобразователя преобразуется в доминирующую частоту на стороне постоянного тока, которая ниже частоты на стороне переменного тока на величину, в точности равную основной частоте на стороне переменного тока преобразователя. При частотах прямой последовательности на стороне переменного тока ниже основной результирующая частота на стороне постоянного тока является дополнением до частоты на стороне переменного тока;

-    любая данная частота обратной последовательности на стороне переменного тока преобразователя преобразуется в доминирующую частоту на стороне постоянного тока, которая выше частоты на стороне переменного тока на величину, в точности равную основной частоте на стороне переменного тока преобразователя;

-    любая данная частота на стороне постоянного тока преобразователя преобразуется в две доминирующие частоты на стороне переменного тока. Образуется частота прямой последовательности.

которая будет выше частоты на стороне постоянного тока на величину, в точности равную основной частоте на стороне переменного тока преобразователя. Если частота на стороне постоянного тока выше частоты на стороне переменного тока, то образуется также частота обратной последовательности, которая будет меньше частоты на стороне постоянного тока на величину, в точности равную основной частоте в системе переменного тока. Если частота на стороне постоянного тока ниже основной частоты на стороне переменного тока, то вместо частоты обратной последовательности образуется вторая частота прямой последовательности со значением, в точности равным основной частоте на стороне переменного тока за вычетом частоты на стороне постоянного тока.

Примечание — Доминирующие частоты — это группы взаимосвязанных между собой частот гармоник на стороне постоянного и переменного тока.

Перечень доминирующих частот, участвующих в любом гармоническом влиянии, приведен в таблице 1.

Таблица 1 — Доминирующие частоты при взаимном влиянии гармоник переменного и постоянного тока

Частота на стороне постоянного гока Частоты на стороне переменного тока fDC>f0 /рс + Г0 (прямая последовательность) /рС - fQ (обратная последовательность) fDC = *0 2fQ (прямая последовательность) 0.0 [DC (постоянный ток)] foc < 'о /рс + (q (прямая последовательность) fQ - fDC (прямая последовательность) fDC = 0 f0 (прямая последовательность) — Примечание — foc — частота взаимного влияния на стороне постоянного тока преобразователя; Iq — основная частота на стороне переменного тока преобразователя.

Приведенные выше правила не ограничиваются только гармоническими частотами и могут быть применены ко всем частотам вообще. В процессе преобразования могут участвовать и другие частоты, сдвинутые на величину, кратную произведению числа импульсов преобразователя на основную частоту (или их дополнения), однако по большей части их вклад является незначительным. Данные соотношения верны не только в установившихся режимах и могут также наблюдаться и в квазистационарных режимах, например при продолжительных состояниях небаланса, и в переходных режимах (если любые явления продолжаются больше 1 или 2 циклов).

Для любого заданного набора нормальных режимов на сторонах переменного и постоянного тока (напряжение переменного тока, напряжение и ток на стороне постоянного тока, угол включения) преобразователь является линейным пассивным устройством, которое передает напряжения и токи между тремя сетями: переменного тока прямой, обратной последовательности и сетью постоянного тока (участвующими в любом взаимодействии, как показано на рисунке 1).

Примечание — Рисунок демонстрирует состояние, при котором частота взаимодействия на стороне постоянного тока выше основной частоты системы переменного тока. Другие условия представляют подобным же образом, причем последовательность и частоту каждой из сетей выбирают из таблицы 1.

Величина напряжений и токов, которые появляются при любом взаимном влиянии, зависит от взаимосвязи между сетями, сопротивлений сетей переменного и постоянного тока на соответственных частотах, а также от ряда факторов, которые вызывают появление неканонических гармоник в сети (см. ГОСТ Р 59032.1-2020, пункт 6.2.2).

Степень взаимосвязи одной сети с другой сетью напрямую зависит от режима преобразователя и может количественно выражаться через угол включения и угол коммутации. Если в анализе не рассматривается наложение, то контур связи представляется в качестве идеального трехобмоточного трансформатора. в котором «эквивалентный коэффициент трансформации» зависит от угла включения. Ток гармонических составляющих в каждой из трех сетей зависит от «эквивалентного коэффициента трансформации» и. таким образом, соединяет каждую из двух сетей переменного тока и сеть постоянного тока последовательно. Учет угла коммутации равносилен добавлению реактивных сопротивлений рассеяния и намагничивания.

f — ceib переыекнога toxa прямой последовательности с частотой Гос * f0J 2 — сеть переменного тоха обратной последовательности с частотой /(jc - Г0; 3 - матрица преобразований напряжений и токов на гармонических частотах; 4 — сеть постоянного тока с частотой 'oc-Zw 2асп- импеданс сети переменного тока прямой и обратной последовательности; е^, е4Л — ЭДС сети переменного тока прямой и обратной последовательности: г^, 1жп - токи пинии переменного тока прямой и обратной последовательности; еаср. е^-р — переменные напряжения прямой и обратной последовательности. Zqq — импеданс сети постоянного тока;^£ — постоянный ток; Од,- — постоянное напряжение

Рисунок 1 — Эквивалентная схема для оценки взаимного гармонического влияния

Примечание — Сопротивления трех сетей на соответствующих частотах взаимного влияния играют важную роль в формировании величин напряжения и тока, которые могут возникать на преобразователях. Последовательные и параллельные резонансы могут появляться в каждом плече эквивалентной схемы, а также между тремя плечами.

4.4 Методики моделирования

4.4.1 Общие сведения

Использование полной модели взаимного влияния «переменный—постоянный—переменный ток» для детального расчета конструкции фильтра возможно при условиии завершения проектирования всех фильтров переменного и постоянного тока и выбора параметров их элементов. Все подобные расчеты фильтров требуют перебора большого числа системных параметров и факторов, влияющих на расстройку фильтров, и выполнение этих действий представляет собой чрезвычайно сложный итеративный процесс.

Ввиду этой практической сложности применяют упрощенные модели, в которых необходимо разделять различные элементы и проектировать различные группы фильтров независимо от других.

Допускается применять подход, при котором расчет фильтров выполняют на одной преобразовательной подстанции с помощью относительно простой модели частотной области, в которой преобразователи моделируются в качестве источника гармонических токов. Параметры источника тока для данного эквивалента выводят путем упрощенных вычислений. Расчеты фильтров постоянного тока также

могут выполняться с помощью подобной модели, в которой преобразователи выступают в качестве источников гармонических напряжений. Однако любой такой упрощенной модели присущи погрешности.

В случаях слабой связи между двумя преобразовательными подстанциями, например, при кабеле ПТ большой длины, следует рассматривать эти две подстанции независимо. Также целесообразно рассматривать обе подстанции по отдельности для изучения трансформации гармонических составляющих в пределах одной подстанции.

Рекомендуемые методы полного и упрощенного моделирования относятся к некоторым или ко всем элементам системы, приведенным на рисунке 2.

О до — напряжение а системе переменного том; Zw — сопротивление для гармоник в сети переменного тока; Zfn -• фильтры гармоник переменного тока; Zm — сглаживающий реактор постоянного тока. Z^ - Фильтры постоянного тока Рисунок 2 — Ключевые элементы полной модели взаимного влияния гармонических составляющих «переменный—постоянный—переменный ток»

Схема, приведенная на рисунке 2. содержит ключевые элементы любой модели, применяемой для анализа взаимного влияния гармоник «переменный—постоянный—переменный ток». Ниже приведено описание этих элементов:

-    напряжение в системе переменного тока U_on. Представляет напряжение сети основной частоты прямой и обратной последовательностей, с учетом любого существующего гармонического искажения, учитывая порядок чередования фаз;

-    сопротивление сети для гармоник на стороне переменного тока Z_sn. Моделирует диапазон возможных гармонических сопротивлений (R_sn ± j Х^) сети переменного тока;

-фильтры гармоник переменного тока Z_fn. Включают в себя число соединенных фильтров (звеньев фильтров) и их тип. Должна быть представлена расстройка фильтров, вызываемая различными причинами, если она влияет на исследуемые гармоники. Представлены также шунтирующие конденсаторы. их наличие влияет на общее сопротивление на гармониках низших порядков:

-    преобразовательный трансформатор. Представляет сопротивление трансформатора с учетом небаланса между соединениями звезда—звезда и звезда—треугольник и небалансов между фазами и отношениями витков. Характеристики насыщения трансформатора должны быть представлены с помощью модели, которая учитывает постоянный ток в обмотках на вентильной стороне. Следует учитывать диапазон переключателя отпаек регулятора напряжения под нагрузкой, так как он оказывает существенное влияние на сопротивление трансформатора.

-    преобразователь ПТ. Моделирует управление преобразователя, включая все разбросы углов включения системы управления и любые специальные функции, влияющие на взаимодействие гармонических составляющих;

-    сглаживающий реактор на стороне постоянного тока Z_rn. Представляет последовательную индуктивность и активное сопротивление реактора;

-    фильтры постоянного тока Z_an. Учитывают число соединенных фильтров постоянного тока и их тип. например: настроенный, верхних частот, двухчастотный. Необходимо принимать к сведению отключение и возможную расстройку фильтров по разным причинам.

-    сопротивление передачи. Включает в себя сопротивление системы постоянного тока (воздушной линии, подводного или подземного кабеля), представленное уравнениями конкретной линии передачи. Для ВПТ данное сопротивление равно нулю. Для воздушных линий электропередачи может возникнуть необходимость учитывать дополнительные напряжения и токи, индуцируемые параллельными воздушными линиями переменного тока. Электродные линии большой протяженности или нейтральные провода также должны быть смоделированы.

4.4.2    Модель взаимного влияния «переменный—постоянный—поромонный ток» во временной области

Анализ во временной области рекомендуется совместить с анализом напряжений и токов путем применения рядов Фурье или преобразования Фурье. Данный подход предполагает моделирование ряда конкретных нормальных режимов исследуемой системы. По достижении установившегося режима регистрируют формы кривых напряжения и тока и анализируют их частотный состав. Затем составляющие сигнала численно комбинируют для расчета характеристик фильтра. Данный анализ может проводиться непрерывно, обеспечивая оперативный контроль характеристик и номинальных показателей.

Примечания

1    Главное преимущество данного метода состоит в том. что моделирование имитирует распределение гармонической нагрузки, поэтому нет необходимости вычислять коэффициенты взаимного влияния. Другим важным преимуществом является возможность наблюдать взаимное влияние, которое может провоцироваться тем или иным возмущением в сети.

2    Главным недостатком анализа во временной области является ограничение по масштабу моделирования сети переменного тока. Без полной детализированной модели невозможно сымитировать все нормальные режимы сети переменного тока, которые могут приводить к взаимному влиянию, ввиду чего воздействие возможного взаимного влияния не будет учтено в расчете фильтра.

Комплексная модель должна обеспечивать максимально возможно полное представление контуров на сторонах переменного и постоянного тока и преобразователей во временной области. Расчеты могут проводиться с помощью программ расчета электромагнитных переходных процессов, включая полное представление преобразователей и их систем управления, таких как. например. PSCAD/EMTDC или EMTP-RV. Должна быть выполнена полная детальная трехфазная модель преобразователя, включая модель системы управления. Особое внимание следует уделять выбору правильного шага времени интегрирования для точного представления генерации гармоник (некоторые программы используют интерполяцию шага времени расчета). Модель должна применяться для расчета формы напряжения и тока в любой интересующей точке (ветви).

Такие исследования во временной области являются эффективным методом расчета, однако для их проведения требуются опьгг и существенные затраты времени. В связи с этим данный метод обычно используют для проверки исследований в частотной области в специфических случаях, особенно для результатов анализа гармоник низших порядков.

Модели во временной области можно применять для определения линеаризованных параметров взаимного влияния гармонических составляющих для представления преобразователей в последующем полном анализе области частот в замкнутом контуре (см. 4.4.3). Данный подход превращает анализ области частот в замкнутом контуре в гибрид между подходами к анализу в частотной и временной области.

4.4.3    Модель взаимного влияния «переменный—постоянный—переменный ток» в частотной области

Сопротивления для гармоник в системе переменного тока и на стороне постоянного тока следует варьировать в пределах известного диапазона значений при наличии вероятности появления их взаимного влияния. В случае появления взаимного влияния та же процедура должна применяться для установления граничных условий проектирования, включая параметры регулирования системы постоянного тока и номинальные параметры элементов. Анализ в частотной области по большей части до-