利用無源濾波器抑制勵磁涌流引發諧波過電壓可行性分析

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(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610072)

0 引 言

隨著中國電力系統的發展以及經濟水平的提高，送電網絡逐漸地向邊遠無電地區延伸。但由于這些無電地區負載較小，且往往遠離負荷中心，在建設的初期，這些地區與主網之間往往僅通過一回聯絡線相連，而且該聯絡線的距離一般都較長。聯絡線這種輕載長線的特性，為低次諧波的傳播與放大提供了極好的條件。

根據傳輸線理論[1,2]，對于空載長線路，當其距離與傳輸電波的1/4波長相等時，在線路末端諧波電壓可能會被嚴重放大，從而造成嚴重的電壓畸變，導致設備損毀。因此對于低次諧波而言，當輸電線路距離接近300～750 km時，2～5次諧波則有在末端放大的危險。此時，如果在系統中對空載變壓器進行合閘操作，其注入的勵磁涌流[3,4]則可能在系統末端產生較大的過電壓[5]。

2013年中國西南某藏區電網出現了因勵磁涌流的注入，而在電網末端產生諧波過電壓的事件。根據錄波數據，此次事件中系統末端35 kV母線的電壓瞬時值達到了正常情況的1.9倍，對設備以及負荷的安全帶來了極大的威脅。

在抑制勵磁涌流引發諧波過電壓的措施方面，存在著從源頭治理[6]以及改變系統網絡特性[1]兩種方式。下面以西南某藏區電網為算例，著重分析了通過在系統中增加無源濾波器抑制諧波過電壓的思路，探討了其可行性。

1 研究算例及其諧波過電壓風險

1.1 算例系統介紹

利用西南某藏區電網作為算例系統。

圖1 算例系統

該系統中，11號母線以及12號母線所處的變電站即為邊遠地區變電站，其與主網(9號母線以右的系統)之間的最遠傳輸距離接近600 km，處在300～750 km的范圍之內。同時11號母線與12號母線的總下網負荷僅有2 MW左右。因此，母線9～母線12的聯絡線具有明顯的輕載長線路的特性。一旦從9號母線注入低次諧波，在12號母線的低壓側則會出現明顯的電壓畸變，甚至出現諧波過電壓。

1.2 算例系統諧波過電壓仿真分析

利用PSCAD/EMTDC軟件對圖1所示系統進行電磁暫態仿真分析，仿真結果驗證了以上判斷。以在1號母線對550 MVA空載變壓器進行合閘操作為例，可以得到在枯期小方式下，12號母線35 kV側的電壓瞬時值波形如圖2所示。

圖2 12號母線35 kV側的電壓瞬時值波形

由圖2所示，此時12號母線35 kV側的電壓瞬時值接近2.0倍，遠遠超過了系統允許的范圍，設備損毀風險較高，需要采取措施進行抑制。

2 無源濾波器設計原則

為了抑制勵磁涌流引發的諧波過電壓，需要在系統中裝設無源濾波器。根據規劃，考慮到未來還會有部分110 kV變電站從11號母線上網，為了提高適應性，特將濾波器裝設在11號母線的低壓側。以下將對濾波器的設計原則進行探討。

2.1 濾波器諧振點選擇

考慮到勵磁涌流中主要含有2、3、4、5次諧波，因此濾波器的設計主要為2、3、4、5次各次的單調諧濾波器。根據常規的設計方法，濾波器的調諧頻率往往會低于目標頻率，如1.9、2.8次等。如此可以防止濾波器電容器使用時間較長時，其介質材料會退化，從而導致的電容值下降，諧波頻率升高。

這樣設計的前提是將交流電網等效為一個純電感，但是這樣的設計方式在圖1所示的地區電網中可能具有較大的風險。

以3.9次頻率為濾波器的調諧頻率，在11號母線35 kV側增加濾波器前后，流入母線11～母線12輸電線路的4次諧波電流有效值如圖3所示。

圖3 4次諧波電流有效值

由圖3可知，在增加濾波器后流入11～12線路的4次諧波電流反而有增大的趨勢。分析其原因，主要是由于諧波頻率超過了濾波器諧振頻率，因此濾波器呈感性。但是，由于圖1所示地區電網從11號母線往里看，11～12線與12號變電站則主要呈容性。因而出現了諧波電流的放大情況。

為了避免該情況的出現，最好能夠保證濾波器能夠在諧波下呈現容性阻抗，因此在弱聯系電網中，濾波器的調諧頻率可能需要高于目標頻率。

2.2 濾波器容量選擇

濾波器設計中，濾波器容量關系到電容值的選擇，因此也直接關系到設備選型與濾波效果。

根據分析，濾波器容量主要跟以下兩個因素有關。

首先是濾波器的品質因素Q。

圖4 不同容量下2次諧波單調諧濾波器的不同頻率下的阻抗

圖4所示是在兩個不同容量的2次諧波單調諧濾波器的不同頻率下的阻抗。由圖4可知，兩個不同容量的濾波器在諧振頻率下阻抗是相同的，但是由于濾波器設計起來有頻差，因此兩個濾波器的效果就會有所差異。如圖可知，在相同頻差的情況下，容量越小的濾波器其濾波效果就越差。

第二是電容上的壓降。

由于濾波器的容量主要是通過濾波器上的電容值進行計算，因此在一定的諧波電流下，濾波器容量與電容器上的電壓降落呈反比。這一點可以通過以下的推導表示。

假定濾波器母線上的電壓為該電壓等級的額定電壓，則濾波器的容量可以通過式(1)進行計算。

(1)

當流過濾波器的諧波電流大小為Ih，諧波角頻率為ωh時，電容器上的壓降為

(2)

由此，可以得到

(3)

其中，n為諧波次數。

由此可見，如果濾波器容量太小，那么電容器的額定電壓就需要選擇很大，從而抬高造價。

3 濾波器設計與效果

對1.2節所述工況中流進11～12線路的電流進行諧波分析，得到的結果如圖5所示。由此可以發現，諧波中3、4、5次明顯占優，同時也存在著少量的2次諧波。因此需要對3、4、5次諧波進行單調諧濾波。

圖5 11～12線路上電流諧波分布

根據每次諧波的最大值，分配濾波器各支路的容量。同時使得可以將濾波器總容量設計得接近并小于20 Mvar。

為了盡量保證每個濾波器上電容有類似的壓降，設計了濾波器參數如表1所示。

表1 濾波器參數設計

當在11號母線35 kV側采用如表1所示的濾波器，并投入20 MVA的低抗以維持穩態電壓時，如發生1號母線對550 MVA空載變壓器進行合閘操作，12號母線35 kV側三相電壓瞬時值如圖6所示。

圖6 濾波器后石渠變電站35 kV電壓瞬時值

對比圖2與圖6可知，采用設計的濾波器后12號母線的電壓有了明顯的好轉，過電壓情況得到較好的抑制。而對濾波器電容、電感上的壓降進行仿真，可以得到仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7 濾波器電容上的壓降

圖8 濾波器電感上的壓降

由圖7、圖8可知，在該仿真工況下，電容器上達到的最大峰值電壓為65 kV，電感為35 kV，在選型上必須比低容、低抗選擇的額定電壓要大。

4 濾波器對孤網后高周高壓風險的影響

由于濾波器的加入，在基頻下增加了容性無功，雖然在基頻情況下增加了低抗以抵消容性無功，但是當電網孤網情況頻率升高后，低抗已經無法完全補償電容，因此對孤網系統的高周高壓風險可能有惡化作用。

另一方面，由于濾波器中增加了電阻性元件，增加了有功性負荷，故對高周高壓風險也有抑制作用。

圖9所示是在母線8～母線9線路N-2后，有無濾波器兩種情況下11號母線220 kV側的電壓有效值。

由圖9可知，在增加如表1所示濾波器后，由于增加了容性元件，惡化了孤網系統的高周高壓風險，系統電壓在故障過程中有較為明顯的增加，從而引發過電壓保護。

為了抑制濾波器對自勵磁的影響，需要考慮在高周以及基波高壓時切除容性濾波裝置。因此可以考慮以下兩種途徑。

方法1：高周切濾波器，整定方式與發電機相同。即在頻率高于51.5 Hz時，延時0.5 s切除濾波器。

圖9 增加濾波器前后母線8～母線9線路N-2故障中11號母線35 kV電壓有效值

方法2：高壓切濾波器。即在濾波器上配置靈敏度較高的基波過電壓保護，如可設置為1.2 p.u.，延時0.5 s切除變壓器。

以上兩種措施的效果如圖10所示。

由圖10可知，采用高周、高壓兩種策略均可以較好地抑制濾波器對自勵磁的惡化影響。同時可以發現高周策略由于啟動時間較早，因此效果更為明顯。

圖10 抑制措施效果圖

5 結 論

以西部某藏區電網為例，探討了利用無源濾波器抑制勵磁涌流引發諧波過電壓風險的可行性，可以有以下幾點結論。

1)仿真結果表明，在弱聯系電網中通過增加無源濾波器確實可以對勵磁涌流引發諧波過電壓風險進行有效的抑制。

2)濾波器設計時濾波器的容量以及諧振頻率十分關鍵。濾波器的容量決定了濾波器在有頻差時的濾波效果同時也會影響一定諧波電流下電容器上的壓降。濾波器容量越大，在相同頻差下濾波效果越好，而在相同電流下電容的壓降也越小。

3)濾波器的諧振頻率決定了濾波器在諧波下的無功特性，由于弱聯系電網呈現容性狀態，為了防止諧波放大，最好能夠保證濾波器在諧波下也呈現容性阻抗，因此在弱聯系地區中濾波器的調諧頻率可能需要高于目標頻率。

4)濾波器對弱聯系電網孤網運行后的高周高壓風險的影響方面，一方面濾波器提供了容性功率惡化了電網孤網運行后的高周高壓風險，另一方面濾波器上的電阻也增加了有功負荷有利于抑制該風險。但仿真結果表明，在裝設無源濾波器后，當系統因故障孤網時，過電壓的幅值往往會高于裝設之前。

5)采用高周、高壓兩種策略均可以較好地抑制濾波器對電網孤網運行后的高周高壓風險的惡化影

響。同時可以發現高周策略由于啟動時間較早，因此效果更為明顯。

[1] 周佩朋, 項祖濤, 杜寧, 等. 西北750 kV電網合空變導致青藏直流閉鎖故障分析[J]. 電力系統自動化, 2013, 37(10):129-133.

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[6] 謝達偉,洪乃剛,傅鵬. 一種變壓器空載合閘勵磁涌流抑制技術的研究[J].電氣應用,2007,26(3):34-38.