±800kV換流變壓器不同工況下繞組電流及其諧波分量仿真分析

劉 剛，張瀚方，李 琳，孫優(yōu)良，程煥超

(1.華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北保定071003;2.保定天威保變電氣股份有限公司，河北保定071056;3.中國電力科學(xué)研究院，北京100192)

0 引言

我國高壓直流輸電技術(shù)的研究開始于50年代。目前，我國已有多條線路投入運行，標(biāo)志著我國的直流輸電技術(shù)有顯著的提高［1］。隨著直流輸電技術(shù)的日益完善，直流輸電系統(tǒng)的運行可靠性對電網(wǎng)的安全運行及國民經(jīng)濟日益重要。然而，換流變壓器的可靠安全運行是直流輸電系統(tǒng)可靠安全運行的基礎(chǔ)，但在換流變壓器的實際運行中，其繞組電流中含有大量高次諧波，并在繞組和金屬結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生諧波漏磁場和高次諧波損耗［2］，使得局部過熱問題嚴(yán)重，對于更高等級的特高壓直流輸電，如±1 100 kV 等級，其繞組電流更大，由此產(chǎn)生的磁場、損耗及其局部過熱現(xiàn)象更加嚴(yán)重，為研究換流變壓器內(nèi)部溫度及其局部熱點分布情況，需要對換流變壓器內(nèi)部諧波磁場及其損耗進行分析，而計算諧波磁場及其損耗，又需要對換流變壓器在不同工況下的繞組電流及其諧波分量進行分析。換流變壓器的繞組電流及其諧波分量具有重要意義。

基于上述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，基于云廣±800 kV 特高壓直流輸電系統(tǒng)，針對換流變壓器實際工作中的不同工況(額定運行和短時過負荷運行)的繞組電流進行了仿真，并對電流的諧波分量進行了分析，為進一步研究不同工況下的諧波磁場及其損耗奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)有大量文獻資料研究換流變壓器磁場及其損耗的問題，部分文獻針對電流的諧波分量及損耗進行了分析，如文獻［2－7］針對額定運行條件下?lián)Q流變壓器磁場及諧波損耗的計算問題進行分析，文獻［8］涉及到換流變壓器總損耗(固定損耗、可變損耗和諧波損耗)在不同運行方式下的比較分析，文獻［9］分析了換流變壓器在不同直流偏磁量作用下的勵磁電流諧波分量及空載損耗，文獻［10］分析在額定運行條件下，不同型式換流變壓器的繞組電流諧波分量及其比較，文獻［11－13］分析了額定和一些故障狀態(tài)下?lián)Q流站交流側(cè)母線電流和直流側(cè)電壓的諧波分量情況，而對換流變壓器在過負荷運行條件下的磁場及其損耗、繞組電流諧波分量的分析及與額定運行條件下的比較分析卻鮮有報道，因此，研究對比分析不同工況下

1 云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的建模

云廣直流輸電工程額定容量5 000 MW，額定電壓為800 kV，額定直流電流為3 125 A，總的輸電距離為1 418 km［14］。本文模型采用雙極雙12脈動閥組接線方式，每個換流站有正負兩極，每極由兩個12 脈波換流器串聯(lián)組成，12 脈波換流器由兩個6 脈波換流器串聯(lián)而成，以減少諧波成分，提高直流電壓質(zhì)量。換流變壓器提供交流系統(tǒng)和換流器之間的接口，對于12 脈動換流器，該直流輸電系統(tǒng)采用兩套三相雙繞組換流變壓器與之連接，其閥側(cè)繞組一個為星形接線，另一個為三角形接線，使得兩個6 脈動換流器的交流側(cè)得到相位相差30 度的換相電壓［14－15］。云廣線路整流側(cè)換流變壓器單臺容量750 MVA，網(wǎng)側(cè)繞組額定電壓525 kV，閥側(cè)繞組額定電壓169.85 kV;逆變側(cè)換流站換流變壓器單臺容量732.3 MVA，網(wǎng)側(cè)額定繞組525 kV，閥側(cè)繞組額定電壓165.59 kV。根據(jù)云廣直流特高壓直流輸電工程的實際工程參數(shù)，采用PSCAD/EMTDC 仿真軟件，建立了交流系統(tǒng)，換流變壓器，換流閥，交直流濾波器，平波電抗器，輸電線路，控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確模型［16］，其模型如圖1所示。

圖1 云廣直流輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of Yunguang HVDC transmission system

2 特高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析

本文利用PSCAD/EMTDC 仿真軟件，針對云廣±800 kV 直流輸電系統(tǒng)，調(diào)節(jié)參數(shù)可以分別模擬換流變壓器額定運行、短時過負荷運行條件下的網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組電流，得出其穩(wěn)定運行后兩種不同工況下?lián)Q流變壓器網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組的電流波形，并對其一個周期內(nèi)的電流進行頻譜分析。

2.1 額定運行

額定運行為基本運行狀態(tài)，穩(wěn)定運行后其整流側(cè)和逆變側(cè)換流變壓器繞組電流的仿真結(jié)果如圖2 和圖3所示(以正極Yo/△為例，以A 相為例)。

圖2 整流側(cè)繞組電流波形Fig.2 Winding current waveform on rectifier side

圖3 逆變側(cè)繞組電流波形Fig.3 Winding current waveform on inverter side

2.2 短時過負荷運行

過負荷運行是指調(diào)節(jié)直流電流的電流值，使其達到額定運行電流的1.1 倍。在云廣直流系統(tǒng)模型中，可通過改變晶閘管的觸發(fā)角來改變直流電流的數(shù)值，即在其控制系統(tǒng)模型中，對整流側(cè)電流反饋過程加入一個乘積環(huán)節(jié)，使反饋電流變?yōu)轭~定運行時的0.91(1/1.1)倍，來模仿短時過負荷運行。其整流側(cè)和逆變側(cè)換流變壓器繞組電流穩(wěn)定運行后的仿真結(jié)果如圖4 和圖5所示(以正極Yo/△例，以A 相為例)。

圖4 整流側(cè)繞組電流波形Fig.4 Winding current waveform on rectifier side

圖5 逆變側(cè)繞組電流波形Fig.5 Winding current waveform on inverter side

2.3 諧波分量頻譜分析

從以上兩種不同運行工況下的仿真結(jié)果，可以看出整流側(cè)與逆變側(cè)換流變壓器繞組電流的波形基本一致，因此可以只對其一作分析。在額定運行和短時過負荷運行條件下，由于濾波裝置通常連接在交流系統(tǒng)側(cè)，換流器所產(chǎn)生的諧波電流全部通過換流變壓器，致使換流變壓器繞組電流含有大量諧波分量，電流波形發(fā)生了畸變，導(dǎo)致閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)電流波形都是非正弦波形，而非正弦電流在換流變壓器中產(chǎn)生的損耗帶來的影響遠遠大于正弦電流產(chǎn)生損耗帶來的影響。同時由于換流閥觸發(fā)延遲角不平衡、交流側(cè)母線含有正序二次諧波電壓等原因，導(dǎo)致?lián)Q流變壓器繞組電流中產(chǎn)生直流分量，并且由于額定運行和短時過負荷運行時直流電流值的不同，致使額定運行和過負荷運行的電流幅值不同。在計算換流變壓器磁場及其損耗時，需要知道直流分量及其各次諧波分量的具體值，因此，下面選取整流側(cè)A 相為例，分別對額定運行和短時過負荷運行時，換流變壓器網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)一個周期內(nèi)的電流進行頻譜分析，額定運行和短時過負荷運行條件下的電流頻譜圖分別如圖6 和圖7所示。

從圖6 和圖7 分析網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)繞組電流含有量，可以得出，諧波分量主要以特征諧波分量為主，由于直流電流中存在波紋等原因，繞組電流也產(chǎn)生一些非特征諧波分量，但由于非特征諧波分量較小，不再逐一列出，直流分量和特征諧波分量的具體值及其占基波的比例如表1 和表2所示。

圖6 額定運行時的電流直流分量及其諧波分量Fig.6 Harmonic component and DC component at rated operation

圖7 短時過負荷運行時的電流直流分量及其諧波分量Fig.7 Harmonic component and DC component at overload operation in short time

表1 額定運行時各諧波電流分量Tab.1 Each current harmonic component at rated operation

表2 過負荷運行時各諧波電流分量Tab.2 Each current harmonic component at over-load operation

通過表1 和表2所示頻譜分析數(shù)據(jù)，可以看出，在兩種運行工況下，繞組電流都含有較小的直流分量，且過負荷運行時直流分量小于額定運行時，當(dāng)直流經(jīng)過換流變壓器兩側(cè)繞組時，在換流變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生一恒定直流磁通，造成直流偏磁現(xiàn)象，致使鐵芯飽和程度增加，使得漏磁增加。在兩種工況下，換流變壓器繞組電流所含諧波次數(shù)基本相同，主要含有5、7、11、13、17、19 等6k±1 次特征諧波，隨著諧波次數(shù)的增大幅值越來越小，占基波的比例也越來越小，由此可以看出，諧波對換流變壓器損耗的影響程度也會隨諧波次數(shù)的不同而變化。額定運行和過負荷運行電流特征諧波分量均為5 次諧波含量最大，7 次次之。額定運行時，5 次諧波占基波比例，網(wǎng)側(cè)為16.64%，閥側(cè)16.85%;7 次諧波占基波比例，網(wǎng)側(cè)為9.92%，閥側(cè)10.09%。過負荷運行時，5 次諧波占比例，網(wǎng)側(cè)為15.72%，閥側(cè)15.86%，7 次諧波占基波比例，網(wǎng)側(cè)為8.69%，閥側(cè)8.77%。兩種工況下低次諧波占基波的比例相差并不大，且過負荷運行與額定運行相比較，高次諧波分量及占基波的比例也沒有明顯的變化，仍趨近于零。雖然各次諧波電流的幅值與基波相比很小，但諧波損耗是不容忽視的。

3 結(jié)論

本文在PSCAD/EMTDC 環(huán)境下搭建了云廣±800 kV直流輸電工程仿真模型，仿真分析了換流變壓器在不同工況下(額定運行和短時過負荷)網(wǎng)側(cè)繞組和閥側(cè)繞組的電流，并對繞組電流的諧波分量進行了分析。從仿真結(jié)果可以得知，在額定運行和過負荷運行時，換流變壓器繞組電流中不僅含有基頻交流分量，而且還含有直流分量、特征諧波分量和非特征諧波分量，其中直流分量以及非特征諧波分量較小，特征諧波諧波主要以25次以內(nèi)的6k ±1 次諧波為主，其他高次諧波含量較小，且同次諧波過負荷運行電流幅值不同于額定運行時的電流幅值。整體看來，各次諧波分量所占比重不大，直流分量較小。分析結(jié)果為研究計算不同工況下±800 kV 換流變壓器諧波磁場及損耗提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

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