特高壓直流輸電系統新型諧波抑制方法研究

姜廣鑫

（國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司伊敏換流站）

特高壓直流輸電系統新型諧波抑制方法研究

姜廣鑫

（國網內蒙古東部電力有限公司檢修分公司伊敏換流站）

本文主要以750kV為研究對象，研究750kV直接接入特高直流電壓的諧波治理方案?；诂F有的感應濾波技術，提出一種新型的換流變壓器接線方案，并以我國當前在建的某個特高直流輸電工程為例對新型方案的可行性進行分析和研究，通過建立本工程750kV交流電網的仿真模型驗證結果發現，新型換流變壓器具有良好的諧波治理效果，能夠解決有源、無源濾波的一系列問題，有助于特高電網穩定、可靠、安全地運行。

特高壓；諧波；抑制；并聯感應

0 引言

直接在換流變網一側接入特高電壓電流系統將會增加電力設備的研制難度，同時要求電力系統具有更高的可靠性和穩定性，因此需要針對這一問題重新制定解決方案，以保證電力建設工程能夠如期完成。同時還需要研究網側直接接入特高電壓和高電壓交流系統技術方案的不同及影響。本文主要以750kV為研究對象，研究750kV直接接入特高直流電壓的諧波治理方案?；诂F有的感應濾波技術，提出一種新型的換流變壓器接線方案，并以我國當前在建的某個特高直流輸電工程為例對新型方案的可行性進行分析和研究，通過建立本工程750kV交流電網的仿真模型驗證結果發現，新型換流變壓器具有良好的諧波治理效果，能夠解決有源、無源濾波的一系列問題，有助于特高電網穩定、可靠、安全的運行。

1 新型技術方案和原理分析

感應濾波技術的基本原理是換流變壓器的安匝平衡和電磁潛能?；谠撛碓O計一組能夠就近抑制諧波的特殊濾波繞組，能夠有效防止閥側繞組諧波流入電網，減輕諧波對電網的危害，有助于諧波污染范圍的縮小。聯接在感應濾波換流變壓器中的繞組有一個明顯的特點：零阻抗設計，為諧波提供的環路次數為3次及其倍數次以上，將無源濾波器接入濾波繞組中能夠有效地濾除特征諧波。

根據特高直流輸電系統的相關特征，本文基于現有的感應濾波技術，提出了一種新型方案——濾波繞組并聯型方案，如圖1所示。圖1中接線方案的具體設計包含兩個方面：使用三角形聯接形式作為三相變壓器的接線方式；使用并聯方式連接12變壓器中的兩個濾波繞組。

圖 1 并聯形式的濾波繞組接線方案

圖2所示的是常規方案中諧波的抑制作用。常規方案中常采用并聯方式連接12脈動換流變壓器中高壓繞組，由于匯流過程中兩個繞組的相反相位能夠抵消各自形成環流的5次和7次諧波，從而對脈動換流器中的5、7次諧波產生較好的抑制作用，但是這種傳統的接線方案存在一些不足：由于缺乏對3次諧波的一直作用，鐵心飽和等原因造成的3次諧波將會增大繞組的磁通量，進而引入3次諧波進入網側，還有可能產生鐵心振動噪聲等問題。

圖 2 常規方案中5、7次諧波的抑制機理

本文針對12脈沖換流器設計的新型接線方案如圖2所示。對某個變壓器來說，3次諧波和3次諧波磁通不會同時存在，因此不會在網側引入3次諧波。當Y-Y聯接的換流器處于工作狀態時，其鐵心必然會存在3次諧波磁通，進而在網側產生對應的電勢，導致一次側出現3次諧波電流；而Y-△聯接的換流器，由于存在回路，所以鐵心中產生的3次諧波磁通將小于Y-Y聯接的換流器，原因是Y-Y聯接換流器中缺乏3次諧波的流通回路，而Y-△聯接換流器中自帶3次諧波的流通回路，能夠對3次諧波磁通產生有效的抑制作用，于是一次側中3次諧波的含量將會顯著減小，對3次諧波產生的鐵心振動噪聲具有明顯的改善作用。采用互聯并聯的方式對變流器中的繞組進行聯接，為5、7次諧波的電流提供了回流環路，從而能夠實現相互抵消，因此5、7次諧波在換流器網側電流回流之前便被有效地消除掉。同樣匯流能夠整流系統中5、7次諧波的含量，而本文設計的新方案包含了3、5、7次諧波的回路，因此對鐵心中諧波磁通的減少具有明顯的效果：一方面網側中流入的諧波將會減少；另一方面由于諧波產生的鐵心振動噪聲將會明顯較少。此外，和傳統的單獨連接方式相比，并聯的接線方式能夠減少濾波器和電容器的分組，有助于設備占用空間的節省。

2 輸電系統的電磁暫態模型

圖3 新型換流器接線方案及工作原理

本研究以我國某在建的特高壓直流輸電工程作為研究對象，提出了一種新型的諧波治理技術方案，根據工程的實際參數，使用PSCAD/EMTDC作為本次研究的仿真軟件，建立了750kV電網輸入特高壓直流電壓后的電磁暫態仿真模型，如圖4所示。通過對常規模型和本文提出的新模型進行比較，新模型使用的是并聯型濾波繞組750kV側接入換流器，對新技術方案下輸電系統的諧波特性進行了詳細描述。

2.1 仿真模型參數

2.1.1 交流系統參數

送電端：額定電壓為770kV， 額定容量 為10000MVA，穩態電壓范圍為750～800kV；

受電端：額定電壓為525kV， 額定容量 為10000MVA，穩態電壓范圍為500～550kV。

2.1.2 交流濾波電路及并聯電容器

（1）常規濾波電路模型

送電端：接入交流濾波器在交流母線處，表1所示的是并聯電容參數。

表1 送電端并聯電容參數

受電端：接入交流濾波器在交流母線處，表2所示的是并聯電容參數。

圖4 新型輸電系統中主電路的結構

表 2 發電端并聯電容參數

（2）新型濾波電路模型

因為引入了感應濾波技術在送電端，因此在換流器的濾波繞組上接入濾波電路和并聯電容器，由于濾波繞組的聯接方式是△型，所以能夠實現濾波的諧波是3次或其倍數次的諧波，因此沒有必要引入HP3濾波器。為了平衡系統的無功部分，需要適當增大并聯電容器，表3所示的是相關的參數。

表3 并聯式濾波繞組的無功配置參數

因為送電端只是增加了感應濾波急速，因此受電端接入元件的相關參數仍然如表2所示。

2.1.3 直流濾波器

根據實際工程中濾波器的型號及相關的參數模型確定直流濾波器的參數，每個換流器中有12/24和2/39兩臺直流諧波濾波器，具體參數如表4所示。

表4 直流濾波器參數

2.1.4 換流器

換流器的閥組采用的是換流單元串接的方式，每個脈動閥組的串接電壓分配400kV的電壓。

2.1.5 換流變壓器

（1）常規模型

實際工程中：送電端換流器是單相雙繞組變壓器，采用Y/Y和Y/△兩種方式進行接線，每臺的容量為412.3MVA，等效阻抗為0.23。網側繞組的額定電壓為444.56kV，使用Y/Y聯接型換流器閥側的繞組使用的額定功率為100.99kV，使用Y/△聯接型換流器閥側的繞組額定功率為174.92kV。受電端換流器類型也為單相雙繞組，每臺的容量為378.56MAV，同樣采用兩種聯接方式：Y/Y和Y/△，該換流器的等效阻抗為0.18，其網側繞組的額定電壓為3030.11kV，使用Y/Y聯接型換流器閥側的繞組使用的額定功率為92.73kV，使用Y/△聯接型換流器閥側的繞組額定功率為160.61kV。

仿真模型中：使用三相雙繞組作為送電端的換流器，每臺的容量為1236.9MAV，采用的接線方式有兩種：Y/ Y和Y/△，其等效阻抗為0.23，網側繞組的額定電壓為770kV，閥側繞組的額定電壓為174.92kV；以三相雙繞組變壓器作為受電端換流器，每臺容量為1135.68MVA，網側繞組的額定電壓為525kV，閥側繞組額定電壓為160.61kV。

（2）新型模型

新型仿真模型中，以三相三繞組作為送電端換流器，每臺的容量為1236.9MVA，采用Y/Y/△和Y/△/△兩種聯接方式，網側-閥側的等效阻抗為0.23，網側繞組和發側繞組的額定電壓為770kV，濾波繞組的額定電壓為500kV。受電端的配置和參數與常規模型一致。

2.1.6 直流輸電線路

仿真模型中，直流輸電線路的長度為2361.39km，電阻為8.92Ω。額定電壓為800kV。額定電流為5000A。額定電壓為8000MW。換流站采用1Ω的接地電阻。

2.2 方案對比分析

2.2.1 無功平衡效果對比分析

由于新的諧波抑制模型中需要再裝設3次諧波濾波器，所以需要加大原來設計方案中并聯電容器的容量，同時相對于交流濾波器，并聯電容器組的占地面積比較小，所以比較節省占地面積，并聯電容器組和交流濾波器組能夠進行更為靈活的分組，基于系統穩態角度，無論是常規模型還是新型模型都具有良好的無功平衡狀態，具體如圖5和圖6所示。

圖5 常規網側的濾波方案

圖6 感應濾波方案

2.2.2 諧波抑制效果對比分析

送電端濾波效果分析的測試點，分別測量總交流電和每個換流變壓器的一次側電流。圖7～9所示的是無濾波器、常規濾波和感應濾波3種方案的電流波形圖。圖7顯示，兩種方案對750kV總交流具有良好的濾波效果，但對單個的換流器，常規的濾波電路較感應濾波電路效果相差甚遠。

為了進一步對其進行對比分析，將3種方案下諧波的相關參數進行列表分析。根據表5可以計算出常規濾波和感應濾波中750kV交流側的諧波濾除率。

圖7 750kV交流側三相電波形

圖8 單個變流器（Y/△）一次側電流波形

圖9 單個變流器（Y/Y）一次側電流波形

表5 3種方案下交流側總諧波含量對比表

表6 3種方案下單個變流器（Y/△）一次側諧波含量對比表

表7 3種方案下單個變流器（Y/Y）一次側諧波含量對比表

根據表5～表7對比分析可知，本文涉及的感應濾波方法增加了500kV的濾波繞組在原有的雙繞組換流器中，并采用并聯的方式連接750kV的兩個感應換流器，然后在此基礎上接入500kV的濾波器。這種情況下，750kV交流側的諧波總含量見表5中的第4行，單個換流器一次側的諧波含量見表6和表7的第4行。仿真結果表示，相對于常規的濾波方案，并聯型感應濾波方案不需要安裝3次諧波濾波電路便能夠濾除掉接近90%以上的3次諧波。另外并聯感應濾波具有更高的濾波率，所以無論從哪個角度看來，本文提出的并聯感應濾波方案擁有更多的優勢。

3 結束語

本文以我國某在建的特高壓直流輸電工程作為研究對象，分析了并聯感應濾波方案的可行性，通過PSCAD/ EMTDC仿真結果表明，本文提出的新型并聯感應濾波技術相對于常規濾波方案具有如下優勢：

1）因為本研究接入的濾波繞組采用的是500kV的電壓，而常規濾波方案中采用的電壓為750kV，能夠在很大程度上節省成本。

2）基于安匝平衡原理，換流器能夠在內部消除諧波磁通，對諧波產生的危害具有明顯的抑制作用，同時還能夠降低諧波引起的損耗和噪聲。

3）采用三角形連接方式，為3次諧波提供了回路，該回路能夠對交流電網側的3次諧波產生有效的抑制作用，因為能夠節省3次諧波濾除方案，節省了成本和占地面積。

[1]許加柱,羅隆福,王桂華,等.新型交直流輸電系統諧波抑制的機理[J].高電壓技術, 2007, 33(12)：118-123.

[2]許加柱,羅隆福,李季,等.基于新型換流變壓器的HVDC輸電系統諧波抑制的機理研究[C].中國高等學校電力系統及其自動化專業學術年會,2006.

[3]劉曉晶,周力行,彭杰,等.基于Matlab的直流輸電系統諧波抑制仿真研究[J]. 電力學報, 2014(4)：306-308.

[4]趙芫萍.直流輸電系統的諧波危害及抑制措施[J].廣西電業, 2000(2)：56-58.

[5]趙芫萍.直流輸電系統的諧波危害及抑制措施[C].廣西電機工程學會青年學術交流會. 2002：56-58.

[6]張翔.高壓直流(HVDC)輸電系統交流側的諧波抑制[D].廣西大學, 2004.

[7]許加柱,董欣曉,梁崇淦,等.特高壓直流輸電系統新型諧波抑制方法研究[J].湖南大學學報：自然科學版, 2016, 43(10)：79-86.

[8]王大為,徐洋波,臧云峰,等.具有諧波抑制功能的充放電機的研究[J].電氣技術, 2014, 15(12)：45-47.

[9]孟慶波,張志軍.基于復合控制策略的有源電力濾波器APF的研究[J].電氣技術, 2013, 14(11)：28-31.

[10]劉博,賁洪奇,白銀龍,等. PWM整流器輕載條件下網側電流諧波分析與抑制[J].電工技術學報, 2016, 31(C00)：162-168.

[11]孫孝峰,王偉強,沈虹,等.基于雙阻性有源濾波器的背景諧波抑制策略[J].電工技術學報, 2016, 31(16)：145-153.

2017-05-22）