[知网论文查重摘要]1.1 直流输电技术的发展历程

自从第二次工业革命以来，电力得到了广泛的应用，已成为我们生活生产中不可缺少的一部分，而输电技术也因此快速的发展。在早期直流输电技术和交流输电技术几乎同时出现，但是交流输电技术却凭借其升降压的便利以及设备的简单、可靠、低成本迅速发展占据了绝大部分市场，而直流输电技术由于技术和成本问题发展缓慢。后来随着电力电子技术的快速发展，大功率晶闸管制造技术逐渐成熟、价格大幅下降、可靠性提高，直流输电技术也因此逐渐发展成熟，其实用性大大提高，并广泛应用各个领域。高压直流输电与交流输电相比在经济和技术上都有着其独特的优势，特别是在远距离、大容量输电和电网互联中的地位越来越重要。

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1.1.1 直流输电之初

19世纪初，由于通信电报业快速发展，电报线路被用于电流信号传输，虽然其传输的电压、电流和功率都很小，但是人们却从其中得到了启发，将其用于电能的传输。1882年，法国物理学家德普勒成功将直流发电机所发的1.5~2.0kV直流电沿电报线路从米斯巴赫煤矿输送至57km外的慕尼黑，这是有史以来的第一次直流输电试验。

此后，直流输电输电一直沿用这种发电机-输电线路-负荷的模式，然而随着社会的不断发展，电能的消耗不断增加，需要传输的电能也越来越多，为此必须要加大输电输电线路的电压和电流。如果加大电流会增加线路的压降，电能损耗更是会几何倍上升，而要减小线路损耗就必须减小输电电流或线路电阻，如果要减小线路电阻就要采用更粗的导线或使用导电性能更好的材料，这都会极大的增加输电线路的成本。因此只有采用升高电压的方法，当时采用的是发电机串联的方法。随着直流发电机技术的发展，直流输电电压、功率和距离不断增加，但是由于绝缘问题直流发电机的额定电压已经不可能在增加，并且高压大功率直流发电机存在一系列技术难题，直流输电技术也因此而发展缓慢。

与此同时交流发电、输电、负载等技术快速发展，交流电技术日趋完善，交流电凭借其发电、变压、输送、分配和使用的便利，加上其经济、安全、可靠等优点，迅速发展，在电能输送方面几乎全面取代了直流电，直流输电技术的发展进入了低谷。

1.1.2 直流输电技术的转折

随着交流电的大规模应用，人们发现交流输电存在一些比较难以克服而直流输电不存在的困难，比如说远距离输电时同步稳定性问题，电缆输电时长度受限等。因此美国等一些国家仍在坚持对直流输电的研究，但是不再采用直流发电机直接供电的模式，而是采用换流器将交流高压转换为直流高压进行输电，并建立了一些试验性工程。由于换流器件的不完善，其可靠性一直得不到保证，实用性不高，无法投入商业运行。直到1928年，可控汞弧阀诞生，其控制性能及可靠性都有了较高的保证，高压直流输电系统才得以进一步发展。1954年，瑞典海底的直流输电电缆建成，它是全世界第一个使用汞弧阀为换流器件并投入商业运行的的高压直流输电系统，标志着直流输电技术入汞弧阀的时代。之后世界上一共建成了12个使用汞弧阀为换流器件的高压直流输电工程。直流输电技术得因此到了极大的发展。

1.1.3 高压直流输电的大力发展

随着微电子技术和电力电子技术的不断发展，高压大功率晶闸管研制成功，高压大功率晶闸管克服了汞弧阀一系列经济和技术上的缺点，很快就取代了汞弧阀成为直流输电系统中换流器件的主力。1972年，加拿大的伊尔河直流输电工程投入运行，这是全世界第一个使用晶闸管为换流器件的高压直流输电工程，直流输电进入了晶闸管的时代。。此后直流输电技术进入了极速发展时期，工程数量、输电容量和线路长度都有了爆发式的增长。直至今日，全世界高压直流输电仍然保持着较高的增长速度。

1.1.4 我国的高压直流输电工程

由于我国幅员辽阔，资源和经济发分布不均，发电和用电中心距离甚远，发展远距离的高压直流输电就显得非常重要。从1989年我国建成了第一个高压直流输电工程舟山直流输电工程起，至今我国已建成多条高压直流输电线路，其中较为重要的有：

①宁东—山东±660kV直流输电工程；②锦屏至苏南的±800kV特高压直流输电工程；③三峡至上海的±500kV直流输电工程；④向家坝—上海±800kV特高压直流输电工程。

目前，中国正加大力度研究直流输电技术，并且有大量直流输电工程已建成或正在建设中。

1.2 直流输电系统的优缺点

相对于交流输电而言直流输电具有许多优点，例如：

①线路成本低，架空线路杆塔结构较简单，线路走廊窄，输送电能相同时，直流线路造价更低，运行电压相同的电缆其绝缘要求更低。

②直流输电的功率和能量损耗小；

③对通信干扰小；

④直流线路稳态运行时不用考虑线路电感和电容，无电感压降和电容电流，不需要考虑无功问题；

⑤直流输电没有交流输电时的频率问题和相位问题，能够用来连接频率或相位不同的两个或多个交流电网；

⑥电能输送距离较远、传输功率较大电时，不会像交流输电一样降低系统的稳定性；

⑦将直流输电用于电网互联时交流侧电网的短路电流不会因此而显著增大；

⑧直流输电系统能迅速完成各种控制或调节，能够提高与之相连的交流系统的稳定性，极大的改善了复杂系统的各项性能。

当然直流输电的发展也受到一些因素的限制。首先，成本问题，直流输电系统所用的换流站相比于交流输电系统的变电站，设备投资、运行维护费用都要高很多；其次，技术问题，虽然直流输电系统不用考虑其同步稳定性，但是其设备制造，绝缘，换流技术等都较为复杂；换流器工作时会消耗大量无功，正常工作时就能够达到直流传输容量的40～60%；换流装器工作时会产生大量的交直流谐波，必须要加装交直流滤波器；直流输电回路中的各种金属器件尤其是与大地接触的部分极容易遭到电化学腐蚀；必须花费很大人力物力去研究高压直流系统专用的高压直流电气元件。

1.4 直流输电系统的谐波问题及其滤波器 

直流输电系统中的谐波问题一直是一个重要的技术问题。这些谐波的主要来源是换流器，其工作时会生成大量谐波，严重影响电能质量，增加系统损耗，加剧元件发热，引起机械振动，干扰系统通信等。

70年代，大功率晶闸管发展成熟，直流输电快速发展，工程师们就已经发现了换流器在转换交流电和直流电的时候，会产生大量的谐波电流注入到电网中，其中以特征谐波为主，这些谐波会对系统的其他元件和负载产生巨大的影响，针对这一现象，工程师们一直在研究消除这些谐波的方法。

由于技术水平和条件的限制，当时的做法通常有两种：一种是采用12脉动换流器，即利用两套交流侧电源相位相差30 ̊的换流器通过直流侧串联叠加，消除H5、H7次谐波；另外一种就是采用无源滤波器，来试图消除（主要是）H5和（部分的）H7及其它含量较少的更高次的谐波。

12脉动换流器是以原有的6脉动换流器为基本单元，直流侧串联，交流侧接于两组相差30 ̊的三相电源构成。其中两组三相电源线电压相同，一般由两台联结组别不同的变压器接于同一母线或一台三绕组变压器提供。

与6脉动换流相比，12脉动换流交直流波形都更接近理想波形，谐波含量更少。但是，其谐波含量仍不可忽视，因此也必须加装滤波器。滤波器根据其运行是否需要另外提供电源可分为有源滤波器和无源滤波器。有源滤波器可根据电网运行情况求设置其滤除谐波的频率，但是因为其成本高、设备结构复杂等原因应用较少。目前，应用最广泛的电力滤波器是无源电力滤波器，它是针对系统的谐波特性，有目的的设计相应的RLC电路使其在相应的谐波频率下呈极低阻抗，使谐波电流流过滤波器而不至于流入电网中。与有源电力滤波器相比，无源电力滤波器的结构十分简单，成本也要低得多，技术也早已发展成熟。常见的无源电力滤波器有高通、单调谐、双调谐等。本文将对12脉动高压直流输电系统中交流侧的无源电力滤波器进行简单的设计。