±800 kV特高压直流输电工程换流器谐波特性分析

李璟延，吴方劼，聂定珍

(国网北京经济技术研究院，北京市100052)

0 引言

我国能源资源主要分布在西部，而负荷中心则集中在东部，这种不平衡增加了远距离输电和电网互联的需求，需要在大范围内进行能源优化配置［1］。特高压输电具有远距离、大容量、低损耗和节约土地资源等优势，而直流输电具有损耗低、输送容量大、不易老化、寿命长、输送距离不受限制等优点，已经成为解决我国能源配置不均衡的最有效方式之一［2-3］。

换流站是交直流系统的连接端口，集中了换流所需的各种设备。换流器在运行过程中会产生各种谐波电流，通过换流变压器网侧注入交流系统［4-6］。大量的谐波电流涌入交流侧，必然对交直流系统的稳定运行产生严重影响。

换流器网侧谐波对系统的影响可以按频率划分。频率小于20 kHz的低次谐波对电气设备的影响主要是附加损耗增加引起设备过热、寿命缩短、谐波放大至谐振，危及电气设备及人员的安全，引起旋转设备机械振动加剧［7］。本文以某±800 kV特高压直流输电工程为例，分析了换流器在交流侧产生谐波的特性，提出的电流波形畸变率可作为后特高压直流输电工程换流站换流器网侧谐波特性分析的理论支持［8-10］。

1 换流器谐波分析

1.1 6脉动换流器

目前直流输电常用的换流器有6脉动和12脉动2种，由于12脉动换流器是由2个6脉动换流器串联而成，因此可用6脉动换流器来进行原理分析。6脉动整流器的接线原理如图1所示。

换流阀的换相电压Uuw由负变正的过零点为换流阀V1触发角计时零点。V1～V6为6脉动换流器的6个换流阀，导通顺序为1～6。在理想条件下可认为三相交流系统对称、触发等距、换流阀的触发角相等。从交流网络看，高压直流换流器是高内阻抗的电流源，该电流源产生的谐波主要是特征谐波、非特征谐波和通过穿透作用产生的谐波3种。

图1 6脉动整流器接线原理Fig.1 Schematic diagram of pulse rectifier connection

1.2 特征谐波

当换流器处于理想换流状态，即交流母线电压为恒定的理想正弦波，换流变压器各相阻抗变比完全相等，同1个12脉动换流器的Yy和Yd换流变压器组的阻抗和变比完全相等，每周期12个脉冲严格按30°的电角度等距触发，直流回路电流为理想直流的情况下，特征谐波是主回路参数和交流电压的函数，脉动数为p的换流器产生的特征谐波为

此时换流变压器组电流特征谐波分量包括12k±1(其中k为整数)次谐波，即11次、13次和23次等特征谐波。

换流器产生的特征谐波分量有如下特点:

(1)12k－1次谐波为负序，12k+1次谐波为正序。

(2)Yy和Yd型换流变压器绕组中各次谐波分量的幅值相等。

(3)Yy和Yd型换流变压器绕组中12k±1次谐波的相位相同，相互叠加;而6×(2k－1)±1次谐波的相位相反，相互抵消。

以Yy连接的换流器为例，忽略换向电抗，换流器产生的电流波形经傅里叶分解可得

式中Id为直流电流。

基波和n次谐波电流的有效值为

1.3 非特征谐波

实际直流输电工程运行工况不可能是理想的，不理想的因素主要有:直流电流中存在纹波;交流电压中存在谐波;交流基波电压不对称，即存在负序电压;换流变压器阻抗相间差异;Yy和Yd组换流器触发角差异;由于换流变压器变比不同造成Yy组换流器换相电压不同;Yy组换流变压器和Yd组换流变压器阻抗差异;触发脉冲不完全等距等。这些原因导致除产生特征谐波以外，换流器还会产生非特征谐波。

非特征谐波的幅值和相位都由上述不平衡发生的组合来决定，这些随机变化量的分布情况可由制造经验来假定。但是非特征谐波结果不可能遵循任何已知的统计分布，其谐波分布和非理想分布间的确切关系也不可能彻底分析出来。因此，需要使用统计方法来处理以上变量。非特性谐波的产生是随机的，遵循统计学分布原理。

2 特高压直流工程换流器谐波特性分析

2.1 换流器谐波计算

利用谐波分析程序来计算直流输电换流站中换流器产生的各次谐波。

换流器在实际运行中有多种运行工况，谐波电流需要在确定的运行工况下进行分析，即应结合功率变化来分析各次谐波电流。换流器产生的谐波电流结果有一致性和不一致性2种。一致性指各次谐波电流是从某一种运行工况下计算出来，不一致性指对于每1次谐波电流，均选取各运行工况下的最大值(选取的谐波电流不在1种工况下出现)。因此，不一致性谐波电流的负面作用更为严重。

2.2 换流器产生谐波电流时频域特性分析

以特高压直流工程为例，选取双极全压运行工况下，整流站交流侧换流器谐波电流的时频域特性为分析对象。为了更好地研究各次谐波电流的特性，取谐波电流畸变率Is为特征量，以百分数表示为

式中n为谐波次数，取前50次谐波为研究对象。

±800 kV特高压换流器在不同输送功率点下，交流侧各次谐波电流的畸变率如图2所示。整流站输送功率从0.1～1.3 pu按0.05 pu步长逐渐增加，共计25个功率点，对应25个直流电流点，由Id1到Id25逐渐增大。从图2可以看出，换流器产生的谐波主要是特征谐波。在直流电流最大为Id25时，11和13次特征谐波电流的畸变率最高，约为8%;23和25次以及35和37次谐波电流的畸变率均较小，为2%～4%。同一输送功率点下，各次谐波电流畸变率随着谐波次数的增加而逐渐减少。对于同次特征谐波电流，换流器输送的功率越大，电流谐波畸变率也越大;换流器输送的功率越大，直流电流也越大，相应交流侧对应的谐波电流畸变率也会增大。

图2 换流器交流侧典型特征谐波频谱Fig.2 Spectrum diagram of typical characteristic harmonic in converter AC side

换流器在交流侧产生的各次谐波电流畸变率不仅表示了各次谐波占基波的比例大小，也反映了换流器工作在不同输送功率点时，直流电流与交流侧谐波的关系。在同一输送功率点下，各次谐波电流畸变率Is会随着谐波次数的增加而逐渐减少;对同一次特征谐波电流，换流器输送的直流电流越大，交流侧谐波电流的畸变率也越大。

谐波电流畸变率的大小必定影响网侧系统运行的稳定性和可靠性，加装交流滤波器是减小网侧谐波危害的首选方案。交流侧谐波中，特征谐波所占的份额最多、影响也最大，研究选取换流器在交流侧产生的8个典型特征谐波，分析了特征谐波畸变率与换流器通过直流电流的关系。

8个典型特征谐波随直流电流变化的趋势如图3所示，图3中Id为实际直流电流与额定直流电流的比值。由图3可以看出，11次和13次特征谐波电流畸变率明显大于其他各次特征谐波，而且谐波次数越多，谐波电流畸变率越小。随着直流电流的增大，各特征谐波电流畸变率均呈下降趋势，即随着换流器输送直流电流的增大，交流侧谐波电流中基波的含量明显增大，其他各次谐波的含量则明显减小。由图3可以看出，在额定电流附近11和13次谐波电流畸变率约为5%;而其他高次谐波电流畸变率则始终保持在1%左右。综上所述，同一直流电流所对应的各次交流谐波，11、13次特征谐波电流畸变率最大，且谐波次数越多，电流畸变率越小;输送的直流电流越大，交流侧各次谐波电流畸变率越低，相应的基波含量越高。

图3 换流器交流侧特征谐波含量与直流电流Fig.3 Relationship between characteristic harmonic in converter AC side and DC current

将特征谐波电流畸变率、谐波次数以及换流器输送直流电流结合起来研究，如图4所示。此时换流器输送的直流电流与换流器的工作功率相对应，即换流器输送的功率越大，其通过的直流电流也越大，因此可以用直流电流来代表输送功率的大小。

由图4可以看出，换流器输送一定的直流电流Id，换流器交流侧会产生各次谐波，谐波次数越大，电流畸变率越小，基波含量逐渐增大;对于某次谐波，换流器输送直流越大，谐波电流畸变率越小，响应的基波含量也越大。

8个典型特征谐波实际幅值随直流电流变化的趋势如图5所示。图5中In为换流器在交流侧产生各次特征谐波的幅值。由图5可以看出，对于低次谐波，如11次和13次的谐波幅值基本随着直流电流的增加而增加，最大幅值出现在额定直流电流附近;当直流电流大于额定值后谐波幅值则明显减小。高次谐波幅值总体随直流电流的增大而增大，其最大幅值出现在额定直流附近，但总体幅值均在100 A以下。

对比图3、5可以看出，各次特征谐波幅值随着换流器通过直流电流的增大而增大，而各特征谐波电流畸变率则随着直流电流的增大而减小，即直流电流越大，交流侧各次谐波在基波中所占的比例越小，基波所占的比例就越大，交流电流波形则越接近基波;随着直流电流的增大，各次特征谐波实际幅值的增大速率明显小于基波幅值的增大速率，且在额定直流附近各次谐波的实际幅值达到最大值。

换流器交流侧产生的电流波形随直流电流的变化情况如图6所示。从图6中可以看出，当Id较小、换流器运行在小功率时，交流侧的电流波形畸变明显，波形中包含了大量的纹波。波形的变化对应了图2～4对特征量谐波电流畸变率特性的分析，即直流电流越小，其所含的谐波比例越大，基波所占的比例越小。

图6 换流器交流侧谐波时域波形与直流电流Fig.6 Time-domain waveforms of characteristic harmonics in the AC side and the direct currents

直流电流Id=0.1 pu时，交流侧特征谐波时域波形如图7所示。由图7可以看出换流器交流侧谐波电流出现了明显畸变，且畸变多发生在换流阀等距触发时。随着直流电流Id的增大，交流侧电流波形畸变减小，波形变得平滑。这表明电流中各特征谐波的含量减少、基波成分增加。电流波形的变化反应了谐波电流畸变率与直流电流的关系特性，即随着直流电流的增大，其各次谐波电流畸变率，尤其是特征谐波畸变率逐渐减小，基波在电流中所占的成分逐渐增加，因此波形变得越来越平滑。

图7 Id=0.1 pu时交流侧谐波的时域波形Fig.7 Waveform of characteristic harmonics in the AC side at Id=0.1 pu

3 结论

本文研究了换流器交流侧各次谐波与换流器输送功率、直流电流之间的关系，以谐波电流畸变率作为研究特征量，分析了谐波电流畸变率与直流电流之间的关系，得到以下结论:

(1)换流器变换的直流电流越大，相应的各次谐波电流畸变率越小，基波在电流中所占比例明显增大，电流波形越平滑。

(2)同一直流电流下，谐波次数越多、谐波电流畸变率越小，各次谐波在交流电流中所占的比例随谐波次数的增多而减少。

(3)在额定直流附近，11、13次谐波电流实际幅值达到最大，其他各次谐波幅值总体随直流电流的增大而增大，最大幅值也出现在额定直流附近，但总体幅值均在100 A以下。

(4)换流器在交流侧产生的谐波电流波形与特征量谐波电流畸变率关系密切，谐波畸变率越小，波形越平滑。

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