特高壓直流輸電系統新型諧波抑制方法研究

許加柱+董欣曉+梁崇淦+羅隆福+付穎+梅念+羅志平

摘 要：傳統的特高壓直流輸電系統一般在換流站交流網側布置濾波兼無功補償裝置.為了避免諧波對換流變壓器的不良影響，本文提出了一種濾波繞組并聯的感應濾波換流變壓器的諧波抑制方法，文中描述了其接線方案，解釋了其濾波機理，并與傳統的濾波方案進行了對比分析.以酒泉湖南的±800 kV特高壓直流輸電的工程參數為依據，搭建了所提濾波方案和傳統方案的仿真模型.兩個模型的閥側和網側電流的對比分析證明，新型諧波抑制方法效果良好.

關鍵詞：新型換流變壓器；特高壓直流輸電；感應濾波技術；諧波抑制；無功補償

中圖分類號：TM4 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）10-0079-08

Abstract： In traditional UHVDC transmission systems， the filtering and reactive power compensation devices are generally installed at the power grid side of the converter stations. In order to reduce the negative effects caused by harmonic currents on the converter transformers， a harmonic suppression method of inductive filtering converter transformers with parallel filtering windings was proposed. This paper described the corresponding detailed wiring schemes， explained the filtering mechanism and compared it with the traditional filtering solution. Referring to the engineering parameters of the Jiuquan-Hunan ±800 kv UHVDC transmission project， the simulation models of the proposed harmonic filtering scheme and the traditional schemes were established respectively. Based on the comparative analysis of the currents at the grid and valve sides of the two models， it can come to the conclusion that the proposed harmonic suppression scheme has a better operational performance in contrast with the traditional one.

Key words：novel converter transformer； UHVDC transmission； inductive filtering technology； harmonic suppression； reactive power compensation

在換流變網側直接接入750 kV交流系統的條件下，設備研制的難度進一步加大，對系統運行可靠性的要求也更高，針對不同技術路線換流變接入同一換流器以及降低雙極停運率等課題需要提出新的解決方案，以確保工程建設的順利推進[1-5].同時，須針對網側直接接入750 kV交流系統成套設計關鍵技術方案與接入常規500 kV交流系統時的差異及其帶來的影響進行研究.本文主要是依據特高壓直流以及750 kV交流電網的特性，對特高壓直流接入750 kV交流電網的無功平衡和諧波抑制技術進行研究[6-9]，在已有感應濾波技術方案的基礎上提出濾波繞組并聯型感應濾波換流變壓器接線方案[10-15]，并以酒泉湖南在建的特高壓直流輸電工程為案例進行實施新方案的可行性研究，基于酒泉湖南±800 kV特高壓直流輸電工程而建立的特高壓直流接入750 kV交流電網的PSCAD/EMTDC仿真模型進行驗證，揭示基于新型換流變壓器的直流輸電系統所具有的獨特的諧波抑制機理，能有效地解決上述無源濾波、有源濾波所面臨的種種問題.為特高壓電網運行的可靠性、安全性和穩定性提供參考.

1 新型接線方案和機理分析

感應濾波技術是利用換流變壓器的電磁潛能和安匝平衡原理，設計了一種特殊的濾波繞組對諧波進行就近抑制，可有效隔離閥側繞組諧波對電網的危害，從而縮小諧波的污染范圍[10-15].感應濾波換流變壓器Δ聯接的濾波繞組具有零阻抗設計的特點，不僅能夠為3次及其倍數次諧波提供環路，且通過在濾波繞組處接入無源濾波器，實現對特征諧波的濾除.

結合特高壓直流輸電系統的特點，本文在已有感應濾波技術方案的基礎上，提出濾波繞組并聯型感應濾波換流變壓器接線方案，如圖1所示.圖1中的濾波繞組并聯型感應濾波換流變壓器接線方案為：（ⅰ）三相換流變壓器組的濾波繞組為三角形聯接形式.（ⅱ）12脈動換流變壓器組的兩個濾波繞組采用并聯連接方式.

如圖2所示，常規方案的12脈動換流變壓器通常為高壓繞組并聯方式，在匯流時由于相位剛好相反，因而5，7次諧波各自形成環流而相互抵消，從而可抑制兩個6脈動換流器產生的5，7次諧波電流.然而，該接法卻存在不足之處，由鐵芯飽和等原因引起3次諧波由于繞組中沒有3次諧波電流流通回路，因而鐵芯中諧波磁通較大，從而引起網側的3次諧波及變壓器鐵芯振動噪音問題.

新型12脈波感應濾波換流變壓器及工作機理如圖3所示.對于某一變壓器本體來說，若有3次諧波電流則無3次諧波磁通，若有3次諧波磁通則無3次諧波電流.因此對于Y-Y聯接的換流變壓器，其工作時鐵芯中必有3次諧波磁通，因而會在一次側引起3次諧波電勢，從而形成一次側流通的3次諧波電流.對于Y-△聯接的換流變壓器，由于其本身已具有3次諧波電流回路，因此其變壓器鐵芯中的3次諧波磁通會小于Y-Y聯接的換流變壓器.相對于傳統Y-Y聯接的換流變壓器，感應濾波換流變壓器增加了3次諧波電流流通回路，能有效削弱鐵芯中的3次諧波磁通，這樣既降低了一次側的3次諧波含量，又降低了由3次諧波引起的鐵芯振動噪聲.而感應濾波換流變壓器采用濾波繞組相互并聯的方式，讓5，7次諧波電流在各相并聯線路之間形成環流而相互抵消，因此可以在12脈動變壓器網側電流匯流之前便能有效地消除5，7次諧波電流，而匯流后可更進一步降低12脈動整流系統中所引起的5，7次諧波.由于新型方案為3，5，7次等諧波電流提供回路，因此能有效地降低換流變壓器鐵芯中相應的諧波磁通，一方面可阻止這些諧波流通變壓器而進入網側，另一方面還可降低由這些諧波引起的換流變壓器鐵芯振動噪音.此外，相比于濾波繞組單獨連接的方式，采用濾波繞組并聯的接線方案還可以減少交流濾波器和并聯電容器的分組，以節省設備的占地面積.

2 特高壓直流輸電系統電磁暫態模型

本文以酒泉湖南±800 kV的特高壓直流輸電工程為案例，揭示基于新型換流變壓器的直流輸電系統所具有的獨特的諧波抑制機理.根據酒泉湖南±800 kV特高壓直流輸電工程的實際參數，采用PSCAD/EMTDC仿真軟件并參照CIGRE HVDC標準模型，建立了±800 kV特高壓直流接入750 kV交流電網的電磁暫態仿真模型，如圖4所示.采用網側濾波功補方案的常規模型及采用感應濾波技術的新型模型進行比較，其中新型模型僅對750 kV側采用新型濾波繞組并聯型換流變壓器，揭示基于新型換流變壓器的特高壓直流輸電系統所具有的獨特的諧波特性.

2.1 仿真模型參數

1）交流系統參數

送電端額定容量10 000 MVA，額定電壓為770 kV，穩態電壓范圍750～800 kV；受電端額定容量為10 000 MVA，額定電壓為525 kV，穩態電壓范圍500～550 kV.

2）交流濾波器及并聯電容器

①常規模型

送電端交流母線處接入的交流濾波器及并聯電容器參數如表1所示.

受電端交流母線處接入的交流濾波器及并聯電容器參數如表2所示.

②新型模型

由于送電端采用了感應濾波技術，因而交流濾波器及并聯電容器連接在換流變壓器500 kV等級濾波繞組上，且由于采用的Δ接濾波繞組可對3次及其倍數次的諧波有濾除作用而不必投入HP3濾波器，因此為保證系統無功平衡，并聯電容器需適當增大，相關的參數如表3所示.

由于只對送電端采用感應濾波技術，因此受電端交流母線處接入的交流濾波器及并聯電容器參數基本維持不變，仍如表2所示.

3）直流濾波器

仿真模型按實際工程采用的直流濾波器型式及參數建模，即每個換流站裝設12/24和2/39雙調直流諧濾波器各一臺，參數如表4所示.

4）換流閥

換流站的閥組均采用每極2個12脈動換流單元串聯接線的接線方式，2個12脈動閥組串聯電壓按±（400+400） kV分配.

5）換流變壓器

①常規模型

實際工程設計中，送電端換流變壓器為單相雙繞組變壓器，單臺容量412.3 MVA，聯接成Y/Y和Y/△兩種接線形式，等效阻抗均為0.23，網側繞組額定電壓444.56 kV，Y/Y接變壓器閥側繞組額定電壓100.99 kV，Y/△接閥側繞組額定電壓174.92 kV；受電端換流變壓器也為單相雙繞組變壓器，單臺容量378.56 MVA，聯接成Y/Y及Y/△兩種接線形式，等效阻抗為0.18，網側繞組額定電壓303.11 kV，Y/Y接變壓器閥側繞組額定電壓92.73 kV，Y/△接閥側繞組額定電壓160.61 kV.

仿真模型中，送電端換流變壓器為三相雙繞組變壓器，單臺容量為1 236.9 MVA，分為Y/Y和Y/△兩種，等效阻抗0.23，網側繞組額定電壓770 kV，閥側繞組額定電壓均為174.92 kV；受電端換流變壓器為三相雙繞組變壓器，單臺容量1 135.68 MVA，接線形式分Y/Y和Y/△兩種，等效阻抗0.18，網側繞組額定電壓525 kV，閥側繞組額定電壓均為160.61 kV.

②新型模型

在新型仿真模型中，送電端換流變壓器為三相三繞組變壓器，單臺容量為1 236.9 MVA，分為Y/Y/△和Y/△/△兩種，網側閥側等效阻抗0.23，網側繞組額定電壓770 kV，閥側繞組額定電壓為174.92 kV，濾波繞組額定電壓500 kV；受電端換流變壓器不變，與常規模型的一樣.

6）直流輸電線路

仿真模型的直流輸電線路額定功率8 000 MW，額定電壓±800 kV，額定電流5 000 A，線路長度為2 381.93 km，直流線路電阻為8.92 Ω，換流站接地電阻均為1 Ω.

2.2 方案對比與分析

2.2.1 無功平衡效果對比及分析

對于新型模型，由于3次諧波濾波器已不需要裝設，因此原方案的并聯電容器組的容量需加大，又由于并聯電容器組的占地面積比交流濾波器的要小，因此在節省3次濾波器總占地面積的基礎上，BP11/13，HP24/36交流濾波器組和并聯電容器組在實際工程中的分組可以更加靈活.從系統穩態的角度，常規模型和新型模型均能較好地實現系統的無功平衡，分別如圖5和圖6所示.

2.2.2 諧波抑制效果對比及分析

對于濾波效果的分析，兩個平列，測試點均位于送電端，分別檢測750 kV總交流電流及單個換流變壓器一次側電流.無濾波器投入、采用常規網側濾波和采用感應濾波3種方案下的電流波形如圖7～圖9所示.由圖7可看出，兩種方案均對750 kV總交流電流濾波產生較好的效果.但是從單個6脈動換流變壓器一次側電流波形來看，可知常規網側濾波效果很差，而感應濾波取得良好的諧波抑制效果，如圖8和圖9.

為便于分析與對照，將3種方案下的電流諧波含量相關數據列于表5～表7中.根據表5可求得采用常規濾波與采用感應濾波方案情況下的750 kV交流側總電流諧波濾除率，見表8.并作出柱狀圖進行對比，如圖7～圖10所示.

在不投入任何交流濾波器的情況下，750 kV交流側總電流的諧波成分如表5中第2行所示，該電流含少量3次非特征諧波及較多的11，13，23，25次等12脈動特征諧波；單個換流變壓器一次側的電流的諧波成分如表6和表7中第2行所示，含較大量的5，7，11，13次等6脈動特征次諧波.本文以不投入交流濾波器和并聯電容器的情況為參考基礎，對采用常規網側濾波功補方案與采用感應濾波方案進行對比，主要關注兩種方案對上述諧波的濾除率.

在750 kV交流母線處投入常規設計的750 kV電壓等級的濾波器情況下，750 kV交流側總電流的諧波成分如表5中第3行所示；單個換流變壓器一次側電流的諧波成分如表6和表7中第3行所示.因此，對于常規設計的濾波方案，除3次諧波無較明顯濾除效果外（該HP3設計在150 Hz的阻抗較大，濾波效果受到一定影響），該方案對750 kV交流側總電流的各次諧波的濾除率見表8第2行，顯示出較好的諧波抑制效果.然而，對于單個換流變壓器一次側的諧波電流濾除情況，常規方案則基本沒有濾除效果.這說明了雖然在交流網側母線處安裝濾波器能夠取得良好的諧波抑制效果，但是由換流閥產生的諧波電流卻能完全經換流變壓器而流至交流母線處，這樣換流變壓器就完全遭受到了諧波對它的不良影響，包括其損耗增大和鐵芯振動噪音增大等.

本文所提感應濾波技術的方案，在原有雙繞組換流變壓器的基礎上增加電壓等級為500 kV的感應濾波繞組，并將750 kV側的每個12脈動單元的兩個感應濾波換流變壓器的感應濾波繞組連接成并聯的形式后，接入500 kV電壓等級的濾波器及并聯電容器.在此情形下，750 kV交流側總電流諧波含量如表5中第4行所示；單個換流變壓器一次側的電流諧波含量如表6和表7中第4行所示.與不采取任何諧波抑制方法情況相比較，采用感應濾波繞組并聯方案對750 kV交流側總電流的各次諧波的濾除率見表8第3行.與常規網側濾波方案相比，仿真結果表明：采用并聯型感應濾波繞組方案在無需安裝3次濾波器的情況下就能濾除750 kV側總電流近90%的3次諧波電流.此外，本濾波方案對各特征諧波的濾除率要比常規方案的高（參見表8及圖10和圖11），分別為：11次諧波濾除率提高9.27%，13次提高7.73%，23次提高28.88%，25次提高34.39%，35次提高22.61%，37次提高30.65%.而在改善每個換流變壓器一次側電流質量方面，圖12和圖13更是清楚地說明了感應濾波繞組并聯濾波方案具有常規網側濾波方案所不具備的優勢.

3 結 論

本文以酒泉湖南在建的特高壓直流輸電工程為案例進行實施新方案的可行性研究，基于酒泉湖南±800 kV特高壓直流輸電工程案例而建立的特高壓直流接入750 kV交流電網的PSCAD/EMTDC仿真模型，采用新型濾波繞組并聯的感應濾波技術與常規網側濾波及功補相比顯示出如下的優勢：

1）感應濾波換流變壓器的濾波繞組電壓等級為500 kV，接入的交流濾波器及并聯電容器的500 kV電壓等級比常規方案的750 kV要低，可節省濾波器及并聯電容器的投資成本.

2）感應濾波技術利用換流變壓器的電磁潛能和安匝平衡原理，在換流變壓器內部對諧波磁通進行清除，可有效地抑制諧波電流對換流變壓器本體的危害，降低換流變壓器因諧波而引起的損耗和振動噪音.

3）感應濾波技術在原換流變壓器的基礎上增加三角形聯接的濾波繞組，為3次諧波電流提供回路，不需要3次濾波器組就能有效清除交流電網側的三次諧波，節省了常規網側濾波方案的三次濾波器組的投資成本和占地面積.

4）采用最新的濾波繞組并聯方式，一方面，可以為每個6脈動單元換流變壓器一次繞組的5，7，17，19次等諧波電流提供環流回路，在匯流之前便能清除上述諧波電流，特別是為Y/Y型換流變壓器一次繞組的3次諧波電流提供回路；另一方面，每個12脈動單元只需一個大組的交流濾波器和并聯電容器，克服了傳統濾波繞組不并聯方式下需要單獨兩組的缺點.

5）由于不再需要HP3交流濾波器，因而BP11/13，HP24/36交流濾波器和并聯電容器的分組容量可以更加靈活.

6）新型濾波繞組并聯的感應濾波技術顯示出比常規網側濾波方案更好的諧波抑制優勢.

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