特高壓換流變壓器空載試驗用單調(diào)諧濾波器電源系統(tǒng)設(shè)計

呂曉東，阮 煒，司代均，姜杏輝

（1.廣州西門子變壓器有限公司，廣州 510530；2.蘇州華電電氣股份有限公司，江蘇蘇州 215124）

0 引言

近年來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求逐漸增大，電網(wǎng)容量提升，特別是國內(nèi)直流輸電工程的飛速升級，變壓器產(chǎn)品的容量擴(kuò)大，試驗要求進(jìn)一步提高和細(xì)化。傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組作為試驗電源，存在升級改進(jìn)困難、占地面積大、運行耗能大、安全風(fēng)險高、維護(hù)復(fù)雜等缺點。變壓器長期在諧波環(huán)境下運行時，會產(chǎn)生大量的損耗、發(fā)熱，從而使變壓器絕緣水平下降，降低變壓器的使用壽命，嚴(yán)重時會對電網(wǎng)安全造成影響［1-2］。

目前國內(nèi)外大型變壓器試驗室基本采用傳統(tǒng)電動-發(fā)電機(jī)組作為試驗電源。國內(nèi)大型變壓器制造廠試驗室使用的工頻電動-發(fā)電機(jī)組一般為15 000 kVA、30 000 kVA或60 000 kVA，輸出頻率固定為50 Hz或在45～65 Hz范圍內(nèi)可調(diào)，配合中間變壓器和電容器塔組成試驗系統(tǒng)，完成電力變壓器／換流變壓器相關(guān)的空、負(fù)載及溫升、有載分接開關(guān)空負(fù)載切換等出廠試驗［3］。倍頻發(fā)電機(jī)組較工頻發(fā)電機(jī)組容量要小的多，輸出頻率固定為200 Hz，配合中間變壓器、電抗器組成試驗系統(tǒng)，完成換流變壓器相關(guān)的感應(yīng)耐壓及局放、換流變壓器諧波損耗等出廠試驗。

大型發(fā)電機(jī)組一般需安裝在戶內(nèi)，且對基建有很高要求，配套的如起動、控制、監(jiān)測、冷卻系統(tǒng)等，占地面積非常大，系統(tǒng)復(fù)雜。因此發(fā)電機(jī)組存在一些限制，當(dāng)有新類型的變壓器產(chǎn)品對試驗?zāi)芰σ蟾撸F(xiàn)有發(fā)電機(jī)電源容量或功能有所限制時，要進(jìn)行改造或擴(kuò)容極為困難。購置新機(jī)組首先需評估規(guī)劃大量的場地空間，其土建到機(jī)組安裝調(diào)試的周期長、工作量大，當(dāng)客觀條件有限制時，通常無法實現(xiàn)。現(xiàn)有技術(shù)條件下，大型發(fā)電機(jī)類電源設(shè)備幾乎不具備可移動、臨時安裝使用的可能，也使得在故障或應(yīng)急情況下，沒有租借其他機(jī)組的條件，發(fā)電機(jī)組占用的場地空間也無法調(diào)整或改變。由以上原因?qū)е掳l(fā)電機(jī)電源能力不夠或發(fā)生故障受損時，涉及風(fēng)險代價極高，增加相關(guān)問題處理成本和保險成本。

實際使用中，發(fā)電機(jī)組還存在以下不足［4］：（1）發(fā)電機(jī)存在自激效應(yīng)，帶較大的容性負(fù)載時甚至可能出現(xiàn)“飛車”事故，在試驗室安全評估上是典型的風(fēng)險點；（2）發(fā)電機(jī)運行損耗高，啟動、停機(jī)耗時較長；（3）旋轉(zhuǎn)電機(jī)存在機(jī)械相關(guān)的安全風(fēng)險，需特別的防護(hù)措施；（4）發(fā)電機(jī)組常規(guī)的監(jiān)控、維護(hù)涉及范圍大，耗費人力、時間較多；（5）發(fā)電機(jī)運行帶來的噪聲、振動污染對周圍環(huán)境的影響明顯。

鑒于發(fā)電機(jī)組作為試驗電源時，在出廠試驗時存在上述“瓶頸”問題，變壓器廠家采用了一種基于“整流-逆變”原理的新型的高壓變頻電源系統(tǒng)，用于變壓器出廠試驗和現(xiàn)場交接試驗，使變壓器試驗設(shè)備更安全、高效，操作更簡單，在節(jié)能、空間節(jié)省、靈活性上具有突出的優(yōu)勢，為變壓器試驗室電源提供一種新解決方案。

1 主要性能指標(biāo)及組成

換流變壓器是直流輸電系統(tǒng)中聯(lián)系交直流電網(wǎng)不可或缺的電氣設(shè)備，由于電網(wǎng)電壓的波動可導(dǎo)致?lián)Q流變壓器運行于過電壓工況，其產(chǎn)生的大量的諧波電流流經(jīng)換流變壓器不但會造成變壓器絕緣的損壞，還會導(dǎo)致變壓器負(fù)載容量下降，影響其安全穩(wěn)定運行［5］，因此換流變壓器的空載試驗，特別是空載過電壓試驗成為換流變壓器不可或缺的試驗項目［6-7］。

相比普通電力變壓器，特高壓換流變壓器空載試驗難度更高［8］，具體表現(xiàn)在以下3個方面：（1）特高壓換流變壓器容量大，對試驗電源容量要求更高；（2）特高壓換流變壓器空載電流諧波含量高，對試驗電壓波形的影響更大，空載試驗中波形控制難度更大；（3）特高壓換流變壓器除按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行空載損耗和空載電流測量的例行試驗項目，還根據(jù)國內(nèi)慣例要求進(jìn)行1.1Ur下長時間（12 h）空載試驗和空載勵磁特性測量（最大電壓要求達(dá)到1.15Ur甚至是1.2Ur）等特殊試驗項目。

針對換流變壓器空載過電壓的諧波，本文基于大容量的試驗的電源，設(shè)計多個單調(diào)諧濾波器，實現(xiàn)試驗回路中諧波電流最小化［9］，諧波電壓畸變率滿足變壓器試驗導(dǎo)則的要求［10］，從而保證換流變壓器1.1Ur電壓下的空載試驗順利完成。

2 核心技術(shù)特點

對于特高壓換流變壓器，它的空載試驗的主要問題在于：被試變壓器容量大，要求試驗電源有更高的容量；空載電流諧波含量高，對試驗電壓波形的影響更大，更難控制空載試驗中的波形；當(dāng)試驗電壓大于Ur時，空載電流和空載容量都會發(fā)生急劇增加的現(xiàn)象，使得電壓波形的畸變變得更加嚴(yán)重［11］。這就對試驗電源容量和電壓諧波的抑制提出了更高的要求。

2.1 試驗電源容量的估算

空載試驗的目的是通過測量空載電流、鐵心中的磁滯損耗和渦流損耗等變化來發(fā)現(xiàn)磁路缺陷（如硅鋼片間絕緣不良、局部硅鋼片被短路、穿心螺桿或壓板的絕緣損壞造成鐵心的短路等）和電路缺陷（如匝間短路、繞組并聯(lián)支短路以及并聯(lián)支路匝數(shù)不相等）。

通過對比產(chǎn)品參數(shù)，可知大型單相換流變壓器空載試驗容量遠(yuǎn)大于同容量的三相變壓器。國家標(biāo)準(zhǔn)要求［12］，空載試驗需施加到110%Ur（額定電壓）。查國內(nèi)最高電壓等級的昌吉-古泉工程的高端588 MVA／±275～1 100 kV換流變的設(shè)計技術(shù)參數(shù)，并參考以往類似換流變試驗數(shù)據(jù)，估算110%Ur下的空載試驗容量：110%Ur時的空載電流預(yù)計為0.7%，則試驗容量S＝4520 kVA；考慮因波形畸變導(dǎo)致的有效值電壓和平均值電壓偏差10%，則試驗容量S＝4 970 kVA；考慮回路的損耗，和電源輸出的裕度，則電源容量S＝5 960 kVA。空載過勵磁下的電流基本為非線性電感電流，功率因數(shù)可低至0.1（滯后），因此電源需具有承擔(dān)較低功率因數(shù)下較大無功負(fù)載的能力。

根據(jù)上述估算，換流變壓器空載試驗對試驗電源容量需求應(yīng)不小于6 000 kVA。

2.2 空載試驗時實測試驗數(shù)據(jù)與分析

根據(jù)試驗導(dǎo)則的要求，空載試驗在100%Ur時，電壓波形畸變（有效值電壓相對于平均值電壓的偏差）不大于3%。大型單相換流變壓器空載試驗時，因鐵心磁密較高，波形畸變比同容量甚至更大容量的三相變壓器還要嚴(yán)重。如表1和圖1所示，空載勵磁電流是隨電壓非線性變化的感性電流。當(dāng)變壓器鐵心勵磁進(jìn)入飽和區(qū)后，空載電流急劇增大，諧波增加，也導(dǎo)致電壓波形畸變。其中電流諧波又以3、5、7次諧波最大，如表2所示。

表1 493 MVA／±800 kV換流變壓器空載試驗實測數(shù)據(jù)

表2 空載電流諧波測量（測量頻率：50 Hz）

圖1 493 MVA／±800 kV換流變壓器空載勵磁特性曲線

由表2可見，空載電流含有以3、5、7次諧波為主的高次諧波電流，這一畸變的高次諧波電流經(jīng)過試品、中間變等試驗回路進(jìn)入電源，使電壓波形發(fā)生畸變，并由此導(dǎo)致空載電壓也發(fā)生畸變。

根據(jù)大型換流變空載試驗特性，試品所產(chǎn)生高含量諧波電流將作用于試品、中間變壓器和電源的自身阻抗，引起試驗電壓波形失真。當(dāng)畸變太大時，不光影響產(chǎn)品絕緣，其無功功率也可能超過電源的輸出能力而使得試驗無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。為此研制相應(yīng)的空載濾波補(bǔ)償裝置，用于抑制該試驗時出現(xiàn)的高含量諧波電流［13］。

空載濾波補(bǔ)償裝置由電容器和電抗器組成單調(diào)諧濾波器，一般同時配置3次和5次濾波裝置。3次濾波裝置的選型方法參照計算模型如圖2所示，5次濾波裝置選型可參照計算［14］。具體計算步驟如下。

圖2 高壓濾波補(bǔ)償裝置的計算模型

（1）高壓三次濾波裝置的電阻R3、電感L3和電容C3的確定

三次濾波器的電阻、電感、電容部分可由下式確定：

式中：U0為被試變壓器試驗電壓的基波分量；ω0為試驗電壓基波角頻率；Q為高壓濾波器的品質(zhì)因數(shù)，Q的取值范圍是40～100，一般取值50。

（2）固定電容器和可調(diào)電抗器的額定電流IN的確定

固定電容器和可調(diào)電抗器串聯(lián)使用，其電流包含基波電流分量和三次諧波電流分量。固定電容器和可調(diào)電抗器的額定電流IN由下式確定：

式中：I3為基波電流分量。

（3）固定電容器的額定電壓ULN和電抗的額定電壓UCN的確定

固定電容器和電抗器所承受的電壓包含基波分量和3次諧波分量。固定電容器的額定電壓UCN和電抗器的額定電壓ULN可由下式確定：

式中：UC3.0為固定電容承受的基波電壓分量；UC3.3為固定電容承受的三次諧波電壓分量；UL3.0為可調(diào)電感承受的基波電壓分量；UL3.3為可調(diào)電感承受的三次諧波電壓分量。

3 試驗系統(tǒng)等值諧波阻抗與濾波器參數(shù)的調(diào)整

3.1 試驗系統(tǒng)諧波電流等值電路模型

濾波器參數(shù)選擇和系統(tǒng)等值諧波阻抗有關(guān)。在分析中不考慮系統(tǒng)原有諧波恒壓源的作用，將n次單調(diào)諧濾波器以外的支路并聯(lián)，作為系統(tǒng)的等值諧波阻抗ZSn［6］。等值電路如圖3所示。可以求得母線n次諧波電壓為：

圖3 在諧波電流源作用下的等值電路

Yfn＝1／Zfn，YSn＝1／ZSn

3.2 單調(diào)諧濾波器參數(shù)與諧波分析

如圖3所示，流入系統(tǒng)的n次諧波電流為：

流入濾波器的n次諧波電流為：

將流入系統(tǒng)的n次諧波量ISn與n次諧波量In之比稱為流入系統(tǒng)的n次諧波系數(shù)KSn：

KSn越小，流入系統(tǒng)的n次諧波電流比例就越小。必須指出，KSn的大小不僅決定于Zfn，也決定于ZSn，因為Zfn+ZSn是向量和，不是簡單的算術(shù)和，Zfn最小時不一定使KSn最小。

流入濾波器的n次諧波電流Ifn與In之比稱為流入濾波器的n次諧波系數(shù)Kfn：

將n次單調(diào)諧濾波器阻抗Zfn表示為Zfn＝Rfn+j，代入式（13），得：

圖4所示為n次濾波器的KSn、Kfn與δ的關(guān)系曲線。由圖可知，KSn＝1是KSn＝f（δ）在等效頻率偏差δ無限增大時的漸近線；而Kfn＝0是Kfn＝f（δ）在δ無限增大時的漸近線。KSn存在最小值（濾波效益最好）和最大值（濾波效益最差），其相應(yīng)的δ值可以從＝0中求得：

圖4 KSn、Kfn與δ的關(guān)系曲線（全諧振參數(shù)的單調(diào)斜濾波器）

當(dāng)δ＝δemax時，濾波效益最好，KSn值最小。

當(dāng)δ＝δemin時，濾波效益最差，KSn值最大。

由式（16）、（17）可知，當(dāng)系統(tǒng)n次等值諧波阻抗是感性（XSn＞0），則δemax為正值，δemin為負(fù)值。由圖4（a）可以看出，在δ＜0時，不僅KSn大，而且Kfn也大，KSn+Kfn＞1，而在δ＞0時，KSn+Kfn≈1，這是因為在δ＜0時感性等值系統(tǒng)阻抗與容性濾波器阻抗會出現(xiàn)n次諧波電流的放大現(xiàn)象。特別是在δemin處，KSn+Kfn?1，發(fā)生n次諧波電流的嚴(yán)重放大。同理，在XSn＜0時，δemax為負(fù)值，δemin為正值，將出現(xiàn)前述相反的情況，如圖4（b）所示。

顯然，考慮了系統(tǒng)諧波阻抗影響后單調(diào)諧波濾波器并不是調(diào)諧在全諧振狀態(tài)時最合理，當(dāng)XSn＞0在-δm時濾波效益較+δm時差得多。合理的做法是，使-δm時和+δm時濾波效益相等。因此，濾波器中電感值應(yīng)采用偏諧振值，即

式中：ε為電感偏諧振率。

這樣，濾波器在等值頻率偏差為δ時的阻抗為：

若使+δm和-δm時KSn相等，則ε值可以從下式求得：

得：

式中：XCn＝1／（ωnC）

從式（20）看出，當(dāng)XSn為感性（XSn＞0）時，ε為正值，按式（18）求得的電感為過諧振值。反之，當(dāng)XSn為感性（XSn＜0）時，ε為負(fù)值，求得電感為欠諧振值。

3.3 單調(diào)諧濾波器參數(shù)調(diào)節(jié)與驗證

換流變壓器空載時，1.0Ur及以下試驗時，系統(tǒng)等效阻抗為容性，且此時空載電流及試驗容量均較小；超過1.0Ur后，變壓器鐵心進(jìn)入拐點后飽和，系統(tǒng)等效阻抗呈感性，且此時空載電流及試驗容量均非常大，其電流可達(dá)額定電壓下空載電流的8～10倍，因此該單調(diào)諧濾波器的設(shè)計應(yīng)該為過諧振點設(shè)計，從而滿足1.1Ur空載電流的濾波需求。圖5～6為針對某臺變壓器出廠試驗，進(jìn)行諧振點調(diào)偏，來驗證單調(diào)諧濾波器諧振點的調(diào)整與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，圖中K＝Umean-Urms／Umean，表征空載試驗電壓的畸變程度，不同電壓下的勵磁程度不同，K值可能出現(xiàn)正負(fù)變化。由圖可知，三五次7串三并，諧振頻率分別為162.4 Hz和268.8 Hz時，1.1Ur試驗電壓下，試驗電壓的有效值和平均值誤差最小，即此時波形最好，同時試驗電流亦是最小的。因此，結(jié)合式（20）與試驗實測數(shù)據(jù)，可有以下結(jié)論：

圖5 某換流變壓器1.0倍Ur時單調(diào)諧濾波器不同諧振點濾波效果比較

（1）當(dāng)Xsn為感性（Xsn＞0），即試驗系統(tǒng)等效阻抗為感性時，濾波器應(yīng)設(shè)置為過諧振值，即該單調(diào)諧濾波器的諧振頻率應(yīng)大于諧波頻率；

（2）當(dāng)Xsn為容性（Xsn＜0），即試驗系統(tǒng)等效阻抗為容性時，濾波器應(yīng)設(shè)置為欠諧振值，即該單調(diào)諧濾波器的諧振頻率應(yīng)小于諧波頻率；

（3）換流變壓器空載試驗時，單調(diào)諧濾波器設(shè)計應(yīng)該為過諧振點，此時效果可以達(dá)到最佳。

圖6 某換流變壓器1.1倍Ur時單調(diào)諧濾波器不同諧振點濾波效果比較

4 在各臺大容量產(chǎn)品上驗證的空載試驗

4.1 415 MVA／±800 kV的單相換流變空載試驗

首先是415 MVA／±800 kV的換流變壓器的空載試驗，表3～4分別展示了在不接入和接入濾波補(bǔ)償裝置兩種不同情況下的試驗結(jié)果。

表3 不接入濾波補(bǔ)償裝置

表4 接入濾波補(bǔ)償裝置

以上對比可以看出，接入濾波補(bǔ)償裝置后，電壓波形畸變程度由6.1%降低至1.2%效果明顯；相同的平均值電壓下，對應(yīng)的有效值電壓也明顯降低；根據(jù)空載試驗的要求，加至要求的平均值電壓時，對應(yīng)的有效值電壓有所降低，相當(dāng)于提高了空載試驗?zāi)芰Α?/p>

4.2 588 MVA／±1 100 kV的單相換流變空載試驗空載試

當(dāng)試驗的換流變壓器達(dá)到額定容量588 MVA，特高壓±1 100 kV時，進(jìn)行不帶濾波器的試驗以及帶有不同參數(shù)濾波器的試驗，可以得到表5～6所示的試驗結(jié)果。

表5 不帶濾波器試驗實測數(shù)據(jù)

表6 帶濾波器試驗實測數(shù)據(jù)

由以上試驗結(jié)果對比可以看出，當(dāng)濾波器參數(shù)為3次：7串3并時，其1.05Ur以下試驗電流數(shù)據(jù)與不帶濾波器相差不大，1.05Ur以上試驗電流數(shù)據(jù)與不帶濾波器相差比較明顯。

5 結(jié)束語

針對目前國內(nèi)特高壓大容量換流變壓器生產(chǎn)和現(xiàn)場試驗的技術(shù)要求，為滿足變壓器在110%額定電壓下的空載試驗，研發(fā)項目通過對單調(diào)諧濾波器在過諧振和欠諧振頻率下的理論研究，結(jié)合變壓器的實際試驗需要，進(jìn)行修正和優(yōu)化。該電源系統(tǒng)在全世界最高電壓等級±1 100 kV，588 MVA的換流變壓器出廠試驗中，空載試驗電壓波形完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)議的要求，解決了以往變壓器廠家和現(xiàn)場電源容量不足的難題［15］，同時對變壓器廠家的電源設(shè)備改造升級，提供一種新的解決方案，這對于變壓器的研發(fā)及應(yīng)用具有十分重要的意義。