變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)抑制HVDC諧波不穩(wěn)定機(jī)理研究

李世軍，楊佳意，夏湘濱，張 蓉，郭 盈，曾飛鵬

（1.湖南工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411104；2.邵陽(yáng)學(xué)院電氣工程學(xué)院，邵陽(yáng) 422004；3.湘潭華夏特種變壓器有限公司，湘潭 410211；4.湖南德意電氣有限公司，湘潭 411101）

0 引言

諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象是HVDC的一種特有的現(xiàn)象，它的主要特征為諧波的緩慢增長(zhǎng)，不可預(yù)測(cè)［1］；主要表現(xiàn)在諧波通過(guò)換流站交直流側(cè)諧波的互相作用而放大，導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線電壓的嚴(yán)重畸變［2］.最早發(fā)現(xiàn)諧波不穩(wěn)定問題的HVDC工程是新西蘭以及英法海峽2個(gè)HVDC工程,后來(lái)陸續(xù)在多個(gè)HVDC工程中都出現(xiàn)過(guò)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象以及所帶來(lái)的諸多問題.

雖然導(dǎo)致HVDC發(fā)生諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的因素較多，但是其主要原因可以歸結(jié)為兩種：第一是交/直流側(cè)諧振頻率滿足特定的關(guān)系；第二是換流變壓器鐵芯飽和，導(dǎo)致勵(lì)磁電流發(fā)生畸變，大量諧波分量注入交流電網(wǎng)［3］.這兩種原因共同作用導(dǎo)致諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生.

Yacamini和Oliveria在文獻(xiàn)［4］中給出了諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的諧振頻率互補(bǔ)條件：

式中fac為交流側(cè)的并聯(lián)諧振頻率，f1為交流系統(tǒng)基波頻率，p為換流器的脈動(dòng)數(shù)；k為自然數(shù).fd為直流側(cè)的串聯(lián)諧振頻率.

從式（1）可以看出，HVDC有可能發(fā)生諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的條件是當(dāng)fac與fd兩者滿足此方程.

式（1）實(shí)際上是考慮了所有理論上可能的情況,對(duì)于三相對(duì)稱網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),最主要的諧波不穩(wěn)定判據(jù)應(yīng)為：

其中k=0,f1=50 Hz,fd=50 Hz,fac=100 Hz.即交流側(cè)的二次諧波與直流側(cè)的基波諧波互相作用而放大，導(dǎo)致諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生.

目前針對(duì)HVDC諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要有以下幾種抑制方法：在換流變壓器交流母線上加裝2次、3次諧波濾波器，為避免交流系統(tǒng)諧振，濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)，從而無(wú)法完全濾除諧波，并且完全忽略了諧波不穩(wěn)定的形成機(jī)理；在直流控制器中附加次諧波阻尼電路，通過(guò)控制直流電流來(lái)抑制諧波，但阻尼電路需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，并且造價(jià)昂貴；另外還可以使用有源濾波器，采用新型直流輸電等方式，抑制諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象，但由于目前技術(shù)限制，導(dǎo)致無(wú)法滿足大容量應(yīng)用.

文獻(xiàn)［4］利用HVDC的感應(yīng)濾波技術(shù)，提出了一種延邊繞組與無(wú)源調(diào)諧濾波器相結(jié)合對(duì)交直流電能變換產(chǎn)生的大量諧波進(jìn)行治理.文獻(xiàn)［5-9］均對(duì)感應(yīng)濾波技術(shù)的理論及可行性進(jìn)行論證，表明感應(yīng)濾波技術(shù)在工程應(yīng)用方面具有一定的可行性.本文主要研究變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)抑制HVDC諧波不穩(wěn)定問題的機(jī)理.

目前對(duì)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的分析方法主要有小波分析法、頻域分析法、時(shí)域仿真法等［10］.本文采用PSCAD/E仿真軟件，將感應(yīng)濾波系統(tǒng)引入CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)模型，通過(guò)暫態(tài)時(shí)域仿真法，阻抗頻率掃描法與傅里葉分析法對(duì)CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比CIGRE直流輸電標(biāo)準(zhǔn)模型與引入感應(yīng)濾波的CIGRE直流輸電模型進(jìn)行對(duì)比分析.

1 變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)的拓?fù)浣泳€及濾波機(jī)理

1.1 拓?fù)浣泳€

圖1為HVDC換流站換流變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)接線圖，換流變壓器的各繞組匝數(shù)需滿足［3］：

圖1 HVDC換流站換流變壓器感應(yīng)濾波技術(shù)接線圖

式中，W1為換流變壓器高壓網(wǎng)側(cè)繞組匝數(shù)；W2為換流變壓器二次低壓閥側(cè)延邊繞組匝數(shù)；W3為換流變壓器二次低壓閥側(cè)公共繞組的匝數(shù).

由以上繞組間的匝數(shù)比可以提供均勻的12脈波電流.圖2所示為變壓器感應(yīng)濾波器的接線圖.

圖2 變壓器感應(yīng)濾波器接線圖

在直流偏磁導(dǎo)致勵(lì)磁電流畸變嚴(yán)重情況下的交流側(cè)主要諧波為2次諧波，為了實(shí)現(xiàn)FCC（濾波換相換流器）系統(tǒng)對(duì)交流系統(tǒng)的諧波屏蔽作用，在新型換流變壓器的閥側(cè)的公共繞組處接入非特征諧波濾波器，通過(guò)將非特征諧波濾波器對(duì)換流變壓器繞組中的2次諧波進(jìn)行抑制，從而抑制HVDC系統(tǒng)中的諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象.

1.2 感應(yīng)濾波裝置濾波機(jī)理

圖3為感應(yīng)濾波諧波源電路模型.其中，Z1為一次側(cè)繞組等值阻抗，Z2為延邊繞組等值阻抗，Z3為公共繞組等值阻抗，Zf為非特征諧波濾波器等值阻抗，ZS為交流線路等值阻抗，In為諧波電流源.

圖3 感應(yīng)濾波諧波源電路模型

由等值電路可知：

化簡(jiǎn)得：

由于公共繞組在設(shè)計(jì)時(shí)采用特殊的零阻抗設(shè)計(jì)，可認(rèn)為Z3=0，又由于Zf為非特征諧波濾波器，對(duì)于某一次的諧波阻抗為0.所以在加裝2次諧波濾波器時(shí)，式（5）可以化簡(jiǎn)為：

因此有：

由此可見2次諧波由公共繞組經(jīng)非特征諧波濾波器濾除，并不對(duì)換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組造成影響，從而不在電網(wǎng)側(cè)感應(yīng)2次諧波，以防止諧波不穩(wěn)定.

2 仿真分析

2.1 仿真系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)文獻(xiàn)［3］高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生諧波不穩(wěn)定的應(yīng)滿足兩個(gè)條件：（1）交流側(cè)2次諧波阻抗很大，直流側(cè)基波阻抗很小；（2）系統(tǒng)換流變壓器的鐵芯飽和，引入大量諧波.為分析并揭示感應(yīng)濾波技術(shù)在抑制直流輸電諧波不穩(wěn)定方面的工作機(jī)理，構(gòu)建PSCAD/EMTDC軟件仿真模型，并與傳統(tǒng)換流變壓器進(jìn)行對(duì)比.交流側(cè)電壓等級(jí)為200 kV，直流側(cè)電流折算到標(biāo)幺值.其中交流側(cè)的阻抗頻率和直流側(cè)的阻抗頻率分別如圖4（a）、圖4（b）所示.

圖4 交、直流側(cè)阻抗頻率

2.2 系統(tǒng)仿真

對(duì)傳統(tǒng)換流變壓器，在滿足（1）交流側(cè)2次諧波阻抗很大，直流側(cè)基波阻抗很小；（2）系統(tǒng)換流變壓器直流偏磁導(dǎo)致鐵芯飽和的條件下進(jìn)行仿真.直流側(cè)電流如圖5所示.

圖5 傳統(tǒng)HVDC換流變壓器直流側(cè)電流

由圖5可知,4.0 s時(shí)在換流變壓器鐵芯中通入大小為20 A的直流電流，換流變壓器鐵芯發(fā)生直流偏磁導(dǎo)致鐵芯飽和，4.0 s時(shí)刻開始直流側(cè)電流諧波緩慢增加，產(chǎn)生諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象.

對(duì)加入感應(yīng)濾波繞組及其濾波器支路后的新型換流變壓器在同樣條件下進(jìn)行仿真.獲得直流側(cè)電流如圖6所示.

圖6 加入感應(yīng)濾波繞組及其濾波器支路的新型換流變壓器直流側(cè)電流

由圖6可知，在感應(yīng)濾波繞組以及濾波支路未投入的情況下，新型換流變壓器在鐵芯飽和的情況下同樣存在諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象.在5.0 s時(shí)刻諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，在10.0 s時(shí)刻投入2次感應(yīng)諧波濾波器后，直流側(cè)諧波迅速衰減，諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象逐漸消除，直流側(cè)電流逐漸恢復(fù)穩(wěn)定.

2.3 仿真結(jié)果分析

如圖7所示為感應(yīng)濾波投入前后，即未采用感應(yīng)濾波和采用了感應(yīng)濾波的直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)阻抗頻率.由圖可知在未投入感應(yīng)濾波二次諧波濾波器的情況下，交流側(cè)二次諧波阻抗為693 Ω；投入感應(yīng)濾波二次諧波濾波器的情況下，交流側(cè)二次諧波阻抗減小為9.88 Ω.可見感應(yīng)濾波改變了系統(tǒng)阻抗頻率，使得HVDC系統(tǒng)不滿足發(fā)生諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的條件.

圖7 感應(yīng)濾波投入前后的直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)阻抗頻率

表1為直流偏磁導(dǎo)致鐵芯飽和情況下，感應(yīng)濾波裝置投入前后的交、直流側(cè)諧波含量.

表1 感應(yīng)濾波裝置投入前后的交、直流側(cè)諧波成分

由表1可見，感應(yīng)濾波裝置大大減少了系統(tǒng)在鐵芯飽和時(shí)系統(tǒng)的諧波含量，使本已發(fā)生諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的HVDC系統(tǒng)重新趨于穩(wěn)定.

3 結(jié)論

本文詳細(xì)敘述了感應(yīng)濾波技術(shù)通過(guò)減小系統(tǒng)諧波注入，改變系統(tǒng)阻抗頻率，從而抑制諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的方法.

從理論上闡述了在換流變壓器中引入感應(yīng)濾波技術(shù)，對(duì)換流變壓器中的2次諧波進(jìn)行濾除的方法.通過(guò)對(duì)感應(yīng)濾波、諧波源模型進(jìn)行分析可知，感應(yīng)濾波技術(shù)對(duì)HVDC系統(tǒng)中由換流變壓器鐵芯飽和引起的以2次為主要成分的諧波有良好的抑制作用.通過(guò)感應(yīng)濾波技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)2次諧波由公共繞組經(jīng)非特征諧波濾波器濾除，并不對(duì)換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞組造成影響，從而減小換流變壓器對(duì)HVDC系統(tǒng)的諧波注入.

文章構(gòu)建傳統(tǒng)HVDC系統(tǒng)與加入感應(yīng)濾波技術(shù)的新型HVDC系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比仿真，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)HVDC系統(tǒng)與加入感應(yīng)濾波技術(shù)的新型HVDC系統(tǒng)交流側(cè)阻抗頻率進(jìn)行對(duì)比，由仿真結(jié)果可見投入感應(yīng)濾波裝置的新型HVDC系統(tǒng)交流側(cè)2次阻抗頻率大大減小.由此可見感應(yīng)濾波技術(shù)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)阻抗頻率的改變，破壞了HVDC系統(tǒng)發(fā)生諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象的條件，從而減小諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生的概率.