基于直流輸電系統(tǒng)換流器諧波的分析與處理

殷培峰，馬應魁，馬莉

(蘭州石化職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

近年來，隨著國家“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網”戰(zhàn)略方針的實施，加快建設以百萬伏級交流和±800kV、±1 000kV級直流輸電系統(tǒng)為核心的電力網架。由于高壓直流輸電可適合遠距離、大容量傳輸電能，適合大區(qū)電網非同步互聯(lián)，具有線路造價低，功率損耗小，功率調節(jié)迅速靈活等優(yōu)點，在我國的輸電工程中的占比迅速上升。但由于換流器的非線性特性，在工作過程中會產生大量的諧波，當流入交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)后，會嚴重危害電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質、經濟運行。因此，對換流器產生的諧波要進行準確分析，并通過不同類型濾波器裝置的合理配置，有效處理諧波對供電系統(tǒng)、用戶和周圍電氣環(huán)境造成的危害，才能保證高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運行。

1 換流器產生的諧波類型分析

目前，從我國已投入使用的特高壓直流輸電系統(tǒng)工程多采用12脈波換流器，并以雙極兩端中性點接地方式、單極大地回線方式和單極金屬回線方式(一端接地)運行[1]。為便于分析換流器產生的特征諧波，通常假設換流變壓器網側提供的換相電壓為三相對稱的基波正序電壓，不含任何諧波分量，換流變壓器的三相結構對稱，各相參數相同。各換流閥以等時間間隔的觸發(fā)脈沖依次觸發(fā)，且觸發(fā)角保持恒定。換流器直流側的電流不含任何諧波分量的恒定直流電流。

1.1 換流器交流側的特征諧波分析

圖1 變壓器接線方式不同時電力系統(tǒng)側電流波形

在12脈波換流器中，有兩個6脈動橋，分別帶有一個換流變壓器，采用Yy0(或Dd0)和Yd11聯(lián)結。由于換流變壓器繞組聯(lián)結組別不同，其諧波電流波形也不同。對于變比為1∶1的 Yy0(或Dd0)聯(lián)結的換流變壓器，其一、二次電流相同，在忽略換相過程影響其諧波電流波形如圖1(a)所示，電流表達式如式(1)所示。對于變比為的Yd11聯(lián)結的換流變壓器，其相電流之比為，其諧波電流波形如圖1(b)所示，電流表達式如式(2)所示:

比較式(1)與式(2)可知，它們含有相同幅值的諧波分量，但第5、7、17、19等次諧波符號相反。將上述兩組不同的變壓器組合起來，其電網側的總電流中將不再含有這些次數的諧波，而只含有12 k±1次的諧波，12 k±1次諧波稱為12脈動換流器交流側的特征諧波[2]。其諧波電流波形如圖2所示，電流表達式如式(3)所示。

圖2 12脈動換流器電力系統(tǒng)側電流波形

1.2 換流器直流側的特征諧波分析

對于換流器直流側的諧波分析，假設直流電流中不含諧波的直流電流，因此只分析直流側電壓中的諧波分量。在理想條仵下，直流側的電壓波通過傅里葉分析，可求得各次諧波電壓的有效值為:

對于12脈波換流器，由直流端產生的特征諧波電壓主要是12次及其整數倍次分量，即h=12 k。與交流側的諧波電流不同，直流側的特征諧波電壓，即使 μ=0時，諧波的大小仍與α有關。

圖3 換流器直流側3脈動諧波電壓源模型

在實際應用中發(fā)現由于受直流側接地方式不同，產生的諧波也不同，特別是當直流接地極引線與直流線路同桿架設時，在同桿架設段直流側諧波超標嚴重，且造成諧波超標的主要諧波次數是18次諧波，而不是傳統(tǒng)的特征諧波[3]。為解決這一問題，提出了12脈動換流器3脈動直流側諧波分析等效電路，即3脈動諧波模型，如圖3所示。它采用了新的諧波電壓源，將一標準的12脈動換流橋表示為4個串聯(lián)的3脈動橋，電感 L的值為一個12脈動換流器內電感的1/4，電容Cs為等效換流變壓器及套管的對地雜散電容，其典型值10～20 nf。U3P(t)及U3p(t－T/6)表示相應的兩個3脈動模型中的諧波電壓源，其間有T/6的相移(T為基波頻率下的周期)。3脈動換流器模型的諧波電壓源的計算如下:式中 δ=α+μ;α為觸發(fā)延遲角;μ為換相角。

1.3 換流器交、直流側的非特征諧波分析

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，由于受換流變壓器變比不同造成Yy聯(lián)結換流器和Yd聯(lián)結換流器換相電壓不同、Yy聯(lián)結換流器和Yd聯(lián)結換流器觸發(fā)延遲角不同、Yy聯(lián)結換流變壓器和Yd聯(lián)結換流變壓器阻抗不同、觸發(fā)脈沖不完全等距等因素的影響，直流輸電工程中除包含特征諧波以外，還包含非特征諧波。由于它的存在，會引發(fā)諧波不穩(wěn)，諧波電流被放大幾倍甚至幾十倍，對電力系統(tǒng)的危害是非常嚴重的。

2 抑制諧波的方法研究

換流器直流側的諧波電壓將在直流線路上產生諧波電壓、諧波電流分布，使鄰近的通信線路受到干擾。特別是高壓直流輸電系統(tǒng)穿越人口相對集中的區(qū)域，對由諧波引起的污染受到社會的高度關注[4]，因此，必須采取有效措施抑制諧波電壓和諧波電流造成的危害。

2.1 增加換流器脈動數抑制特征諧波

通過增加換流器的脈動數可以減少特征諧波的組成成分，提高最低次特征諧波的次數，從而達到抑制諧波的目的。對于變流變壓器臺數較多的企業(yè)，建議根據換流變壓器的脈動數以及移相角的關系，對6脈動和12脈動變流變壓器進行適當的組合，以有效抑制諧波。如表1為12脈動換流變壓器建議組合方式表。

目前高壓直流輸電系統(tǒng)的換流裝置大都采用12脈動，并未采用更高的脈動數。這是因為若采用更高的脈波數，不僅使換流變壓器的結構和接線變的非常復雜，而且增加設備制造的困難，增大了投資，與采用濾波裝置進行諧波抑制相比，顯然是不經濟的。

2.2 合理配置濾波器類型，有效抑制諧波干擾

對于高壓直流輸電所產生的諧波進行抑制的有效方法是采用濾波裝置和平波電抗器。由于平波電抗器的電感量通常是根據直流線路發(fā)生故障或逆變器發(fā)生顛覆時限制電流上升率以及保證在小電流下直流系統(tǒng)能正常運行等要求來決定的，當單靠平波電抗器不足以滿足諧波抑制要求，需要裝設濾波裝置。

表1 12脈動換流變壓器建議組合方式表

2.2.1 無源諧波濾波裝置

無源濾波器由電容器、電抗器和電阻元件組合而成，分為無源交流濾波器和無源直流濾波器。分別并聯(lián)接于交、直流母線上，抑制換流器產生的注入交流系統(tǒng)或直流線路的諧波。目前，在高壓直流輸電系統(tǒng)中采用雙調諧濾波器和三調諧濾波器。如圖4所示。

雙調諧濾波器具有抗失諧能力強、較好的高通濾波性能、降低并聯(lián)諧振幅值和良好的經濟效應，同時可起到防止過電壓等優(yōu)點[5]。近年來，在高壓直流輸電工程中，雙調諧濾波器得到了廣泛的應用。

2.2.2 有源諧波濾波裝置

有源諧波濾波裝置是在無源濾波的基礎上發(fā)展起來的，由電力電子元件組成。當直流輸電線路穿越人口密集和廣泛采用明線通信的地區(qū)時，為防止諧波對通信線路的干擾，采用直流有源濾波器具有較好的經濟性能。將直流有源濾波器串接或并接在主回路中，產生一個與系統(tǒng)諧波電壓幅值相等但相位相反的電壓，以抵消諧波電壓，從而起到減小諧波危害的作用[6]。有源濾波器的優(yōu)點是濾波頻率范圍寬，沒有失諧效應，產生串、并聯(lián)諧振的可能性小，占地面積少。其缺點是性價比較低，還處于研究發(fā)展階段。

圖4 典型無源濾波器電路

2.3 采用中性點沖擊電容器抑制非特征諧波

在換流器的中性點與大地之間裝設中性點沖擊電容器，其目的是為直流側以3的倍次諧波為主要成分的電流提供低阻抗通道。使用該種電容器不僅對降低整個直流系統(tǒng)的諧波水平有較明顯的作用，還能緩沖接地極引線落雷時的過電壓。一般來說，該電容器電容值的選擇范圍應為十幾微法至數毫法，同時還應避免與接地極線路的電感在臨界頻率上產生并聯(lián)諧振。

3 結束語

高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流器是一種電力電子裝置，由于受直流輸電系統(tǒng)運行方式不同，換流變壓器的聯(lián)結組別不同，換流器單元接線方式不同等因素的影響，在工作過程中會產生不同類型的諧波，引發(fā)諧波不穩(wěn)，嚴重危害電力系統(tǒng)的安全運行。因此，對換流器產生的諧波通過無源濾波器裝置、有源濾波器裝置、中性點沖擊電容器和平波電抗器等地合理配置，有效處理諧波對供電系統(tǒng)、用戶和周圍電氣環(huán)境造成的危害，才能保證高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運行。

[1]徐政.交直流電力系統(tǒng)動態(tài)行為分析[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術[M].北京:中國電力出版社，2004.

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[4]Ding Hui，Han Minxiao.Detailed Modeling of China － Russia Heihe Backto-Back HVDC Project Using PSCAD/EMTDC[C].The Proceedings of 3rd International Conference on DRPT NanJlng，2008.

[5]許德操，韓民曉，丁輝，等.基于 PSASP的直流系統(tǒng)用戶自定義建模[J].電力系統(tǒng)白動化，2007，31(6):11－16.

[6]馬玉龍，肖湘寧，姜旭.交流系統(tǒng)接地故障對HVDC的影響分析[J].中國電機工程學報，2006，26(11):144－149.