±800 kV特高壓直流輸電工程換流器諧波特性分析

李璟延，吳方劼，聶定珍

(國網北京經濟技術研究院，北京市100052)

0 引言

我國能源資源主要分布在西部，而負荷中心則集中在東部，這種不平衡增加了遠距離輸電和電網互聯的需求，需要在大范圍內進行能源優化配置［1］。特高壓輸電具有遠距離、大容量、低損耗和節約土地資源等優勢，而直流輸電具有損耗低、輸送容量大、不易老化、壽命長、輸送距離不受限制等優點，已經成為解決我國能源配置不均衡的最有效方式之一［2-3］。

換流站是交直流系統的連接端口，集中了換流所需的各種設備。換流器在運行過程中會產生各種諧波電流，通過換流變壓器網側注入交流系統［4-6］。大量的諧波電流涌入交流側，必然對交直流系統的穩定運行產生嚴重影響。

換流器網側諧波對系統的影響可以按頻率劃分。頻率小于20 kHz的低次諧波對電氣設備的影響主要是附加損耗增加引起設備過熱、壽命縮短、諧波放大至諧振，危及電氣設備及人員的安全，引起旋轉設備機械振動加劇［7］。本文以某±800 kV特高壓直流輸電工程為例，分析了換流器在交流側產生諧波的特性，提出的電流波形畸變率可作為后特高壓直流輸電工程換流站換流器網側諧波特性分析的理論支持［8-10］。

1 換流器諧波分析

1.1 6脈動換流器

目前直流輸電常用的換流器有6脈動和12脈動2種，由于12脈動換流器是由2個6脈動換流器串聯而成，因此可用6脈動換流器來進行原理分析。6脈動整流器的接線原理如圖1所示。

換流閥的換相電壓Uuw由負變正的過零點為換流閥V1觸發角計時零點。V1～V6為6脈動換流器的6個換流閥，導通順序為1～6。在理想條件下可認為三相交流系統對稱、觸發等距、換流閥的觸發角相等。從交流網絡看，高壓直流換流器是高內阻抗的電流源，該電流源產生的諧波主要是特征諧波、非特征諧波和通過穿透作用產生的諧波3種。

圖1 6脈動整流器接線原理Fig.1 Schematic diagram of pulse rectifier connection

1.2 特征諧波

當換流器處于理想換流狀態，即交流母線電壓為恒定的理想正弦波，換流變壓器各相阻抗變比完全相等，同1個12脈動換流器的Yy和Yd換流變壓器組的阻抗和變比完全相等，每周期12個脈沖嚴格按30°的電角度等距觸發，直流回路電流為理想直流的情況下，特征諧波是主回路參數和交流電壓的函數，脈動數為p的換流器產生的特征諧波為

此時換流變壓器組電流特征諧波分量包括12k±1(其中k為整數)次諧波，即11次、13次和23次等特征諧波。

換流器產生的特征諧波分量有如下特點:

(1)12k－1次諧波為負序，12k+1次諧波為正序。

(2)Yy和Yd型換流變壓器繞組中各次諧波分量的幅值相等。

(3)Yy和Yd型換流變壓器繞組中12k±1次諧波的相位相同，相互疊加;而6×(2k－1)±1次諧波的相位相反，相互抵消。

以Yy連接的換流器為例，忽略換向電抗，換流器產生的電流波形經傅里葉分解可得

式中Id為直流電流。

基波和n次諧波電流的有效值為

1.3 非特征諧波

實際直流輸電工程運行工況不可能是理想的，不理想的因素主要有:直流電流中存在紋波;交流電壓中存在諧波;交流基波電壓不對稱，即存在負序電壓;換流變壓器阻抗相間差異;Yy和Yd組換流器觸發角差異;由于換流變壓器變比不同造成Yy組換流器換相電壓不同;Yy組換流變壓器和Yd組換流變壓器阻抗差異;觸發脈沖不完全等距等。這些原因導致除產生特征諧波以外，換流器還會產生非特征諧波。

非特征諧波的幅值和相位都由上述不平衡發生的組合來決定，這些隨機變化量的分布情況可由制造經驗來假定。但是非特征諧波結果不可能遵循任何已知的統計分布，其諧波分布和非理想分布間的確切關系也不可能徹底分析出來。因此，需要使用統計方法來處理以上變量。非特性諧波的產生是隨機的，遵循統計學分布原理。

2 特高壓直流工程換流器諧波特性分析

2.1 換流器諧波計算

利用諧波分析程序來計算直流輸電換流站中換流器產生的各次諧波。

換流器在實際運行中有多種運行工況，諧波電流需要在確定的運行工況下進行分析，即應結合功率變化來分析各次諧波電流。換流器產生的諧波電流結果有一致性和不一致性2種。一致性指各次諧波電流是從某一種運行工況下計算出來，不一致性指對于每1次諧波電流，均選取各運行工況下的最大值(選取的諧波電流不在1種工況下出現)。因此，不一致性諧波電流的負面作用更為嚴重。

2.2 換流器產生諧波電流時頻域特性分析

以特高壓直流工程為例，選取雙極全壓運行工況下，整流站交流側換流器諧波電流的時頻域特性為分析對象。為了更好地研究各次諧波電流的特性，取諧波電流畸變率Is為特征量，以百分數表示為

式中n為諧波次數，取前50次諧波為研究對象。

±800 kV特高壓換流器在不同輸送功率點下，交流側各次諧波電流的畸變率如圖2所示。整流站輸送功率從0.1～1.3 pu按0.05 pu步長逐漸增加，共計25個功率點，對應25個直流電流點，由Id1到Id25逐漸增大。從圖2可以看出，換流器產生的諧波主要是特征諧波。在直流電流最大為Id25時，11和13次特征諧波電流的畸變率最高，約為8%;23和25次以及35和37次諧波電流的畸變率均較小，為2%～4%。同一輸送功率點下，各次諧波電流畸變率隨著諧波次數的增加而逐漸減少。對于同次特征諧波電流，換流器輸送的功率越大，電流諧波畸變率也越大;換流器輸送的功率越大，直流電流也越大，相應交流側對應的諧波電流畸變率也會增大。

圖2 換流器交流側典型特征諧波頻譜Fig.2 Spectrum diagram of typical characteristic harmonic in converter AC side

換流器在交流側產生的各次諧波電流畸變率不僅表示了各次諧波占基波的比例大小，也反映了換流器工作在不同輸送功率點時，直流電流與交流側諧波的關系。在同一輸送功率點下，各次諧波電流畸變率Is會隨著諧波次數的增加而逐漸減少;對同一次特征諧波電流，換流器輸送的直流電流越大，交流側諧波電流的畸變率也越大。

諧波電流畸變率的大小必定影響網側系統運行的穩定性和可靠性，加裝交流濾波器是減小網側諧波危害的首選方案。交流側諧波中，特征諧波所占的份額最多、影響也最大，研究選取換流器在交流側產生的8個典型特征諧波，分析了特征諧波畸變率與換流器通過直流電流的關系。

8個典型特征諧波隨直流電流變化的趨勢如圖3所示，圖3中Id為實際直流電流與額定直流電流的比值。由圖3可以看出，11次和13次特征諧波電流畸變率明顯大于其他各次特征諧波，而且諧波次數越多，諧波電流畸變率越小。隨著直流電流的增大，各特征諧波電流畸變率均呈下降趨勢，即隨著換流器輸送直流電流的增大，交流側諧波電流中基波的含量明顯增大，其他各次諧波的含量則明顯減小。由圖3可以看出，在額定電流附近11和13次諧波電流畸變率約為5%;而其他高次諧波電流畸變率則始終保持在1%左右。綜上所述，同一直流電流所對應的各次交流諧波，11、13次特征諧波電流畸變率最大，且諧波次數越多，電流畸變率越小;輸送的直流電流越大，交流側各次諧波電流畸變率越低，相應的基波含量越高。

圖3 換流器交流側特征諧波含量與直流電流Fig.3 Relationship between characteristic harmonic in converter AC side and DC current

將特征諧波電流畸變率、諧波次數以及換流器輸送直流電流結合起來研究，如圖4所示。此時換流器輸送的直流電流與換流器的工作功率相對應，即換流器輸送的功率越大，其通過的直流電流也越大，因此可以用直流電流來代表輸送功率的大小。

由圖4可以看出，換流器輸送一定的直流電流Id，換流器交流側會產生各次諧波，諧波次數越大，電流畸變率越小，基波含量逐漸增大;對于某次諧波，換流器輸送直流越大，諧波電流畸變率越小，響應的基波含量也越大。

8個典型特征諧波實際幅值隨直流電流變化的趨勢如圖5所示。圖5中In為換流器在交流側產生各次特征諧波的幅值。由圖5可以看出，對于低次諧波，如11次和13次的諧波幅值基本隨著直流電流的增加而增加，最大幅值出現在額定直流電流附近;當直流電流大于額定值后諧波幅值則明顯減小。高次諧波幅值總體隨直流電流的增大而增大，其最大幅值出現在額定直流附近，但總體幅值均在100 A以下。

對比圖3、5可以看出，各次特征諧波幅值隨著換流器通過直流電流的增大而增大，而各特征諧波電流畸變率則隨著直流電流的增大而減小，即直流電流越大，交流側各次諧波在基波中所占的比例越小，基波所占的比例就越大，交流電流波形則越接近基波;隨著直流電流的增大，各次特征諧波實際幅值的增大速率明顯小于基波幅值的增大速率，且在額定直流附近各次諧波的實際幅值達到最大值。

換流器交流側產生的電流波形隨直流電流的變化情況如圖6所示。從圖6中可以看出，當Id較小、換流器運行在小功率時，交流側的電流波形畸變明顯，波形中包含了大量的紋波。波形的變化對應了圖2～4對特征量諧波電流畸變率特性的分析，即直流電流越小，其所含的諧波比例越大，基波所占的比例越小。

圖6 換流器交流側諧波時域波形與直流電流Fig.6 Time-domain waveforms of characteristic harmonics in the AC side and the direct currents

直流電流Id=0.1 pu時，交流側特征諧波時域波形如圖7所示。由圖7可以看出換流器交流側諧波電流出現了明顯畸變，且畸變多發生在換流閥等距觸發時。隨著直流電流Id的增大，交流側電流波形畸變減小，波形變得平滑。這表明電流中各特征諧波的含量減少、基波成分增加。電流波形的變化反應了諧波電流畸變率與直流電流的關系特性，即隨著直流電流的增大，其各次諧波電流畸變率，尤其是特征諧波畸變率逐漸減小，基波在電流中所占的成分逐漸增加，因此波形變得越來越平滑。

圖7 Id=0.1 pu時交流側諧波的時域波形Fig.7 Waveform of characteristic harmonics in the AC side at Id=0.1 pu

3 結論

本文研究了換流器交流側各次諧波與換流器輸送功率、直流電流之間的關系，以諧波電流畸變率作為研究特征量，分析了諧波電流畸變率與直流電流之間的關系，得到以下結論:

(1)換流器變換的直流電流越大，相應的各次諧波電流畸變率越小，基波在電流中所占比例明顯增大，電流波形越平滑。

(2)同一直流電流下，諧波次數越多、諧波電流畸變率越小，各次諧波在交流電流中所占的比例隨諧波次數的增多而減少。

(3)在額定直流附近，11、13次諧波電流實際幅值達到最大，其他各次諧波幅值總體隨直流電流的增大而增大，最大幅值也出現在額定直流附近，但總體幅值均在100 A以下。

(4)換流器在交流側產生的諧波電流波形與特征量諧波電流畸變率關系密切，諧波畸變率越小，波形越平滑。

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