高壓換流站交流側濾波裝置設計研究

王 邕

(杭州余杭城市建設集團有限公司，浙江 杭州 310000)

隨著工業和科技的不斷發展，電力需求也越來越大，特高壓輸電應運而生，不僅能夠減少成本損耗，還能提高輸電效率[1]。隨著越來越多的分布式發電效率不斷提高，風電、光伏等不同的發電形式實現并網，其通過交直流混聯的方式展開特高壓輸電，成為目前電力供應的發展方向[2-3]。然而，換流裝置或光伏發電設備在運行過程中會引起大量的諧波電壓和諧波電流，進而對電網以及用戶造成嚴重的影響[4]。因此，需要針對抑制交流系統諧波以及無功補償展開進一步研究。

換流站作為特高壓輸電的重要環節，承擔了交直流轉換的工作，然而其也是一個重要的諧波源。在轉換過程中，換流器將引起大量的諧波，造成其交流側以及直流側都會出現嚴重的電壓畸變[5]。針對12脈動的換流器系統，當以理想情況下運行時，在系統的交流側會出現12k±1次的特征諧波，在其直流側會出現12k次的特征諧波[6]。現實中不存在理想情況下運行，其換流站的換流閥觸發延遲角不同或者觸發脈沖間隔距離不一致、各相阻抗以及變比也不完全相等，將會引起交流側以及直流側出現非特征諧波[7-9]。因此，需要在換流站的諧波源處進行相關且有效的濾波處理。

傳統的在交流側采取濾波的方法為在換流器網側母線上并聯濾波裝置，能夠在一定程度上抑制諧波，起到濾波作用[10-11]。然而，在對濾波器進行設計時，需要展開其穩態定值計算，即得到各部件將會產生的最大電壓和電流，進而分別獲得交流系統阻抗和濾波器阻抗的相匹配，否則將無法克服換流器的無功功率以及諧波對自身造成的影響[12-14]。傳統的濾波器采用無源的方式，但由于交流系統的電阻和電抗取值不是互相獨立的，造成其參數匹配不足，在一定程度上限制了濾波器的濾波作用[15-16]。因此，亟待對既可以有效地抑制諧波、還可以提供部分無功補償的換流站交流側濾波器進行研究。

為了提高換流站交流側的諧波抑制效果，本文對高壓換流站交流側濾波裝置進行了深入研究與設計。首先針對無源濾波器的結構及原理展開詳細分析，并構建濾波器阻抗的目標函數，進而對其阻抗進行匹配。根據直流輸電檢修狀態時諧波特性，設計無源濾波器的配置方案和參數設定，并搭建仿真模型，進而對濾波器的品質因數進行選擇，驗證該濾波器對換流站交流側諧波抑制效果，其結果具有一定的工程實際意義。

1 無源濾波器原理及設計

高壓換流站交流側受諧波影響較大，造成其波形發生嚴重畸變，從而對交流系統引起不可忽視的影響，在諧波產生處需要進行濾波處理。無源濾波器是一種具有較易控制、可靠性高等優勢的交流濾波器，在工程應用中得到了廣泛的應用。其結構主要由電容、電感以及電阻組成，將此3種元件通過不同組成形式能夠得到不同的無源濾波器結構，裝設交流濾波器能夠有效濾除諧波，還能夠給換流器自身進行部分無功功率補償。

相對有源濾波器，無源濾波器具有結構簡單、成本低廉、可靠性高、運行維護簡單等優點，其主要有調諧濾波器以及高通濾波器2種形式。其中調諧濾波器又分為單調諧濾波器和由2個單調諧濾波器組成的雙調諧濾波器[17]。

單調諧濾波器主要由電感L、電阻R以及電容C串聯組成。系統在第h次諧波的阻抗被定義為：

(1)

式中，fh和ωh分別為系統第h次單調諧濾波器的頻率以及角頻率；ω1為工頻角頻率。

根據阻抗頻率特性，頻率f值為：

(2)

此時，單調諧濾波器的濾波效果最佳。因此在針對消除某次諧波時，應調整單調諧濾波器諧振頻率滿足式(2)，進而使得諧波的阻抗值為0，能夠有效進行諧波濾除，否則無法達到預期的濾波效果。

雙調諧濾波器類似由2個單調諧濾波器并聯構成，因此其能夠針對2種不同頻率的諧波進行治理，其第h次諧波的阻抗被定義為：

(3)

雙調諧濾波器通過諧振原理對諧波進行治理，與單調諧濾波器相比，雙調諧濾波器具有能夠降低設備成本、便于維護等特點。但是由于其結構較為復雜、調諧不易，容易引起濾波支路并聯諧振，造成母線諧波放大或者濾波器出現過電壓。

高通諧濾波器主要有一階高通諧濾波器、二階高通諧濾波器、三階高通諧濾波器以及C型高通諧濾波器，其由電容、電阻以及電感以不同形式構成，結構如圖1所示。

從圖1(b)的二階高通濾波器結構能夠得到，將電感L和電阻R并聯，進而可以得到一個較低的阻抗頻率范圍。設定一個臨界頻率fr，若系統頻率較低于該臨界頻率，則濾波器的阻抗將會有顯著增大，進而阻礙低次諧波電流流通。反之，若系統頻率較高于該臨界頻率，阻抗較小，總阻抗基本保持穩定，阻抗特性曲線如圖2所示。

圖1 高通諧濾波器結構

圖2 二階高通諧濾波器阻抗特性曲線

該臨界頻率fr即為截止頻率，具體表達式為：

(4)

其高通濾波器的諧波阻抗被定義為：

(5)

在濾波裝置設計時，需要對濾波器的阻抗與交流側阻抗進行穩態計算，進而獲得濾波器的定值結果。其系統阻抗區域可以通過圖3進行判斷。其中，Zmax和Zmin分別為最大阻抗以及最小阻抗；φmax和φmin分別為最大阻抗角和最小阻抗角；rmin為最小電阻限制。

圖3 交流側系統阻抗區域

根據阻抗區域在其中選擇一個阻抗值Zn，該值與濾波器串聯后得到的阻抗ZS值最小，進而將會得到諧波電壓在濾波器高壓端產生的諧波電壓值最大。其阻抗幅值表示為：

|ZS|=|Zf+Zn|

(6)

其中，參數Zf與Zn分別被定義為：

(7)

將式(6)、式(7)進行簡化，進而得到：

|Zf+Zn|2=(Ra+Rb)2+(Xa+Xb)2

(8)

因此，阻抗穩定計算的目標函數變化為：

(9)

式中，Ra和Xa分別為濾波器的電阻值以及電抗值；而Rb和Xb分別為交流側系統阻抗的電阻值和電抗值；A為阻抗區域。

由于二階高通濾波器在4種濾波器中具有濾波效果佳、阻抗穩定受頻率變化影響小、配置方案靈活且成本低等優點，在工程中得到廣泛應用。

將交流濾波器設置在交流側中無法阻礙換流站諧波對系統的影響，針對換流站受到大量的特征以及非特征諧波對交流側的影響，設計其濾波器需裝設在諧波源處。依據換流原理能夠得到換流器所需的無功功率為[18]：

(10)

式中，Qd為換流器所需的無功功率；Ud與Id分別為直流側的電壓以及電流大小；cosφ為換流站的功率因數；δ為換流器的觸發角；θ為換流器的換相角。

換流站中的無功補償總容量Qt需要符合：

(11)

式中，Qa、Qd和Qs分別為換流站交流系統所產生的無功功率、換流站所需要的無功功率以及換流站所備用的無功容量；Ua為換流站里交流母線電壓的標幺值，在設計過程中通常取值1.0。

2 濾波裝置仿真模型建立

無源交流濾波器主要起到了濾波以及在基頻中實現對無功功率的補償效果。本文設計雙極雙12脈動換流器，主要使用單調諧濾波器與高通無源濾波器。系統運行時，濾波器將會從交流側吸納很多的無功功率，并且在穩定狀態下，所消耗的無功功率大致是傳輸功率的一半。

在雙極全壓運行的情況下，換流站母線的奇次諧波含量最多，其中第3、11、13、23以及25等奇次諧波含量較為嚴重。通常臨界頻率fr的取值為濾波器中最高調諧次數基礎上再加1，因此，在主要為奇次諧波出現波形畸變情況下，其臨界頻率fr的值設定為750 Hz。換流站無功配置分配：無功總量為6 000 Mvar；并聯電容器組容量8×380 Mvar；大組最大容量4×1 540 Mvar；交流濾波器組容量12×260 Mvar；小組最大容量20×350 Mvar。

為了避免交流濾波器出現斷路器故障進而引發母線故障，在其接入方式選擇利用由多個交流濾波器小組組成一個大組，通過單母線的方式對接至換流站母線。每組換流站交流濾波器的配置方案如圖4所示。其中各部分表示濾波器類型，所標數字表示此濾波器主要抑制幾次諧波。根據換流站無功分配參數進行計算分析，得到濾波器有關參數的設置見表1。

圖4 交流濾波器的配置方案

表1 換流站內交流濾波器參數設定

濾波器的品質因數能夠表達其調諧效果的有效程度。調諧濾波器中，品質因數K的計算表達式為：

(12)

品質因數為在出現諧振時，電抗大小X與電阻值R的比例關系。通常在低次諧波中，主要使用品質因數高的濾波器，一般取值30～60；而在高次諧波中，主要使用質因數低的濾波器，一般取值0.5～5.0。

3 仿真結果分析

3.1 品質因數仿真結果

選擇某330 kV發電廠在夏季大負荷情況下運行進行計算分析，在ETAP軟件中搭建出等值模型如圖5所示。控制方式設為電壓控制方式。

圖5 發電廠仿真等值模型

發電機組等值成2臺容量為300 MW的發電機，各自通過一臺變比為20 kV/330 kV、容量為360 MVA的雙繞組變壓器和母線進行連接。在“負載”界面對負荷數據進行相關設置，現有功率因數以及期望功率因數分別設定為0.90和0.92。

為了能夠讓電容器安全運行，電容器的額定電壓設定為比母線額定電壓高10%，即設定額定電壓為363 kV，最大電流為200 A。在交流側的12個諧波源處設置濾波器，由于該濾波器由單調諧濾波器與高通無源濾波器構成，綜合考慮2種濾波器的品質因數典型取值后，令調諧諧波濾波器的品質因數K分別設定為30和50。裝設濾波器前后的諧波電壓諧波電壓波形如圖6所示。從圖6中可以看出，當未加裝濾波器時，其受諧波影響較為嚴重，主要諧波次數為3、5、7、9以及11次。加裝了品質因數設定為30或50的濾波器后，其濾波效果明顯。針對諧波次數3、5、7、9以及11次的情況，品質因數為50的濾波器效果略優于品質因數為30的濾波器，因此，將調諧濾波器的品質因數均設定成50。

圖6 不同品質因數仿真結果

3.2 母線諧波仿真結果

在直流輸電進行檢修情況下，換流站母線處將會引起大量諧波。為了使交流側電流不影響換流站，在其12個諧波源處裝置濾波器，并采用單調諧無源濾波器以及高通無源濾波器的形式，其濾波器參數設置見表2。

表2 換流站無功分配參數設定

在交流側諧波源處加裝12個濾波器裝置前后，換流站母線諧波電壓含有率仿真結果如圖7所示。從圖7中可以看出，在加裝濾波器前，母線諧波電壓含有率較高，尤其是奇次諧波中，其諧波總畸變率達到1.8%；在加裝濾波器后，其濾波效果顯著，針對諧波次數高的第3、5、7、9次諧波也有明顯的抑制效果，其諧波電壓含有率均在0.1%以下，諧波總畸變率大幅度下降，僅為0.14%。因此，表明所設計濾波器可以對各次諧波，尤其是奇次諧波起到較顯著的抑制效果。

圖7 母線諧波電壓含有率仿真結果

3.3 直流雙極全壓下仿真結果

當系統直流雙極在全壓情況下運行時，高壓換流站交流側會產生大量特征或非特征諧波，因此，需要在換流站交流側加裝濾波器。裝設濾波器前，交流母線處各次諧波電壓畸變率頻譜圖和電壓波形圖仿真結果如圖8所示。從圖8中能夠看出，在直流雙極在全壓情況下運行時，未裝濾波器的換流站母線處出現較為嚴重的諧波畸變，尤其是11、13、21以及23等次諧波畸變幅度最大，在第11次諧波畸變幅度達到5.71%。對比電壓頻譜和電壓波形能夠得到，當諧波畸變率越大，諧波電壓的波形也越不光滑，波動越大，因此電壓波形受到特征量的諧波電壓畸變率的影響大。

圖8 裝設濾波器前諧波電壓頻譜及波形仿真結果

裝設濾波器后，交流母線處各次諧波電壓畸變率頻譜圖和電壓波形仿真結果如圖9所示。從圖9中可以看出，在濾波器作用下，系統的諧波電壓含有率得到有效抑制，其結果仍表現為對第11次諧波畸變幅度達到最大，該次諧波電壓含有率已由原來的5.71%下降至0.19%，該次諧波電壓含有率抑制效果最為顯著。其余各次諧波電壓含有率也有不同程度的降低。對比電壓頻譜和電壓波形得到，由于諧波得到了有效抑制，因此其諧波電壓含有率也大大降低，使得電壓波形變得較為光滑，電壓波動大大減小。進而表明設計的濾波器的濾波效果顯著，能夠保障系統的穩定運行。

圖9 裝設濾波器后諧波電壓頻譜及波形仿真結果

3.4 不同濾波裝置對比

為了進一步驗證所提濾波器的效果，選擇典型的有源濾波器進行換流站母線諧波抑制效果對比，其濾波電感設定為1.3 H，其余系統電壓等參數與前設置一致。治理后諧波電壓含有率結果見表3。從表3中可以得出，在直流輸電進行檢修和直流雙極全壓情況下，本文所設計的濾波裝置濾波效果略優于有源濾波裝置，且具有成本低廉的優勢，該結果對未來諧波抑制的研究具有重要意義。

表3 不同濾波裝置母線諧波抑制效果

4 結論

本文研究了高壓換流站交流側濾波裝置設計。針對直流輸電檢修狀態時諧波源及諧波特性，對無源濾波器的結構及原理進行了分析，提出穩態計算的目標函數，并在交流側諧波源處設計濾波器。通過仿真表明：在330 kV發電廠在夏季大負荷運行情況下，加裝品質因數K為30或50的濾波器后，能夠有效對奇次諧波進行抑制，且K為50時濾波效果更為顯著；在直流輸電進行檢修情況下，換流站交流側諧波源處加裝12個濾波器裝置后，能夠有效抑制諧波，尤其針對第3、5、7、9次諧波抑制效果顯著，其諧波總畸變率從1.750%降至0.135%。當系統直流雙極在全壓情況下運行時，換流站母線處產生嚴重的諧波畸變，尤其在第11次諧波畸變幅度達到5.71%，且諧波畸變率越大，其電壓波形畸變也越大；加裝濾波器后，能夠有效抑制系統的諧波電壓含有率，第11次諧波畸變降至0.19%，且電壓波形也變得光滑。結果表明設計的濾波器方案能夠對換流站產生的諧波起到很好的抑制作用。此外，所設計的高壓濾波裝置與有源濾波裝置進行對比，其諧波抑制效果略優于有源濾波器，且具有成本較低的優勢。因此，該結果對未來諧波抑制的研究具有重要參考意義。