基于直流输电系统换流器谐波的分析与处理

殷培峰，马应魁，马莉

(兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060)

0 引言

近年来，随着国家“西电东送、南北互供、全国联网”战略方针的实施，加快建设以百万伏级交流和±800kV、±1 000kV级直流输电系统为核心的电力网架。由于高压直流输电可适合远距离、大容量传输电能，适合大区电网非同步互联，具有线路造价低，功率损耗小，功率调节迅速灵活等优点，在我国的输电工程中的占比迅速上升。但由于换流器的非线性特性，在工作过程中会产生大量的谐波，当流入交流系统和直流系统后，会严重危害电力系统的安全、优质、经济运行。因此，对换流器产生的谐波要进行准确分析，并通过不同类型滤波器装置的合理配置，有效处理谐波对供电系统、用户和周围电气环境造成的危害，才能保证高压直流输电系统的正常运行。

1 换流器产生的谐波类型分析

目前，从我国已投入使用的特高压直流输电系统工程多采用12脉波换流器，并以双极两端中性点接地方式、单极大地回线方式和单极金属回线方式(一端接地)运行[1]。为便于分析换流器产生的特征谐波，通常假设换流变压器网侧提供的换相电压为三相对称的基波正序电压，不含任何谐波分量，换流变压器的三相结构对称，各相参数相同。各换流阀以等时间间隔的触发脉冲依次触发，且触发角保持恒定。换流器直流侧的电流不含任何谐波分量的恒定直流电流。

1.1 换流器交流侧的特征谐波分析

图1 变压器接线方式不同时电力系统侧电流波形

在12脉波换流器中，有两个6脉动桥，分别带有一个换流变压器，采用Yy0(或Dd0)和Yd11联结。由于换流变压器绕组联结组别不同，其谐波电流波形也不同。对于变比为1∶1的 Yy0(或Dd0)联结的换流变压器，其一、二次电流相同，在忽略换相过程影响其谐波电流波形如图1(a)所示，电流表达式如式(1)所示。对于变比为的Yd11联结的换流变压器，其相电流之比为，其谐波电流波形如图1(b)所示，电流表达式如式(2)所示:

比较式(1)与式(2)可知，它们含有相同幅值的谐波分量，但第5、7、17、19等次谐波符号相反。将上述两组不同的变压器组合起来，其电网侧的总电流中将不再含有这些次数的谐波，而只含有12 k±1次的谐波，12 k±1次谐波称为12脉动换流器交流侧的特征谐波[2]。其谐波电流波形如图2所示，电流表达式如式(3)所示。

图2 12脉动换流器电力系统侧电流波形

1.2 换流器直流侧的特征谐波分析

对于换流器直流侧的谐波分析，假设直流电流中不含谐波的直流电流，因此只分析直流侧电压中的谐波分量。在理想条仵下，直流侧的电压波通过傅里叶分析，可求得各次谐波电压的有效值为:

对于12脉波换流器，由直流端产生的特征谐波电压主要是12次及其整数倍次分量，即h=12 k。与交流侧的谐波电流不同，直流侧的特征谐波电压，即使 μ=0时，谐波的大小仍与α有关。

图3 换流器直流侧3脉动谐波电压源模型

在实际应用中发现由于受直流侧接地方式不同，产生的谐波也不同，特别是当直流接地极引线与直流线路同杆架设时，在同杆架设段直流侧谐波超标严重，且造成谐波超标的主要谐波次数是18次谐波，而不是传统的特征谐波[3]。为解决这一问题，提出了12脉动换流器3脉动直流侧谐波分析等效电路，即3脉动谐波模型，如图3所示。它采用了新的谐波电压源，将一标准的12脉动换流桥表示为4个串联的3脉动桥，电感 L的值为一个12脉动换流器内电感的1/4，电容Cs为等效换流变压器及套管的对地杂散电容，其典型值10～20 nf。U3P(t)及U3p(t－T/6)表示相应的两个3脉动模型中的谐波电压源，其间有T/6的相移(T为基波频率下的周期)。3脉动换流器模型的谐波电压源的计算如下:式中 δ=α+μ;α为触发延迟角;μ为换相角。

1.3 换流器交、直流侧的非特征谐波分析

在高压直流输电系统中，由于受换流变压器变比不同造成Yy联结换流器和Yd联结换流器换相电压不同、Yy联结换流器和Yd联结换流器触发延迟角不同、Yy联结换流变压器和Yd联结换流变压器阻抗不同、触发脉冲不完全等距等因素的影响，直流输电工程中除包含特征谐波以外，还包含非特征谐波。由于它的存在，会引发谐波不稳，谐波电流被放大几倍甚至几十倍，对电力系统的危害是非常严重的。

2 抑制谐波的方法研究

换流器直流侧的谐波电压将在直流线路上产生谐波电压、谐波电流分布，使邻近的通信线路受到干扰。特别是高压直流输电系统穿越人口相对集中的区域，对由谐波引起的污染受到社会的高度关注[4]，因此，必须采取有效措施抑制谐波电压和谐波电流造成的危害。

2.1 增加换流器脉动数抑制特征谐波

通过增加换流器的脉动数可以减少特征谐波的组成成分，提高最低次特征谐波的次数，从而达到抑制谐波的目的。对于变流变压器台数较多的企业，建议根据换流变压器的脉动数以及移相角的关系，对6脉动和12脉动变流变压器进行适当的组合，以有效抑制谐波。如表1为12脉动换流变压器建议组合方式表。

目前高压直流输电系统的换流装置大都采用12脉动，并未采用更高的脉动数。这是因为若采用更高的脉波数，不仅使换流变压器的结构和接线变的非常复杂，而且增加设备制造的困难，增大了投资，与采用滤波装置进行谐波抑制相比，显然是不经济的。

2.2 合理配置滤波器类型，有效抑制谐波干扰

对于高压直流输电所产生的谐波进行抑制的有效方法是采用滤波装置和平波电抗器。由于平波电抗器的电感量通常是根据直流线路发生故障或逆变器发生颠覆时限制电流上升率以及保证在小电流下直流系统能正常运行等要求来决定的，当单靠平波电抗器不足以满足谐波抑制要求，需要装设滤波装置。

表1 12脉动换流变压器建议组合方式表

2.2.1 无源谐波滤波装置

无源滤波器由电容器、电抗器和电阻元件组合而成，分为无源交流滤波器和无源直流滤波器。分别并联接于交、直流母线上，抑制换流器产生的注入交流系统或直流线路的谐波。目前，在高压直流输电系统中采用双调谐滤波器和三调谐滤波器。如图4所示。

双调谐滤波器具有抗失谐能力强、较好的高通滤波性能、降低并联谐振幅值和良好的经济效应，同时可起到防止过电压等优点[5]。近年来，在高压直流输电工程中，双调谐滤波器得到了广泛的应用。

2.2.2 有源谐波滤波装置

有源谐波滤波装置是在无源滤波的基础上发展起来的，由电力电子元件组成。当直流输电线路穿越人口密集和广泛采用明线通信的地区时，为防止谐波对通信线路的干扰，采用直流有源滤波器具有较好的经济性能。将直流有源滤波器串接或并接在主回路中，产生一个与系统谐波电压幅值相等但相位相反的电压，以抵消谐波电压，从而起到减小谐波危害的作用[6]。有源滤波器的优点是滤波频率范围宽，没有失谐效应，产生串、并联谐振的可能性小，占地面积少。其缺点是性价比较低，还处于研究发展阶段。

图4 典型无源滤波器电路

2.3 采用中性点冲击电容器抑制非特征谐波

在换流器的中性点与大地之间装设中性点冲击电容器，其目的是为直流侧以3的倍次谐波为主要成分的电流提供低阻抗通道。使用该种电容器不仅对降低整个直流系统的谐波水平有较明显的作用，还能缓冲接地极引线落雷时的过电压。一般来说，该电容器电容值的选择范围应为十几微法至数毫法，同时还应避免与接地极线路的电感在临界频率上产生并联谐振。

3 结束语

高压直流输电系统中的换流器是一种电力电子装置，由于受直流输电系统运行方式不同，换流变压器的联结组别不同，换流器单元接线方式不同等因素的影响，在工作过程中会产生不同类型的谐波，引发谐波不稳，严重危害电力系统的安全运行。因此，对换流器产生的谐波通过无源滤波器装置、有源滤波器装置、中性点冲击电容器和平波电抗器等地合理配置，有效处理谐波对供电系统、用户和周围电气环境造成的危害，才能保证高压直流输电系统的正常运行。

[1]徐政.交直流电力系统动态行为分析[M].北京:机械工业出版社，2004.

[2]赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京:中国电力出版社，2004.

[3]Ding Hui，Han Minxiao .User-defined HYDC Reactive Power Control Modeling for System Stability Studies In PSASP[C].Proceedings of IEE APSC0M2006 .Hongkong，2006.

[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]许德操，韩民晓，丁辉，等.基于 PSASP的直流系统用户自定义建模[J].电力系统白动化，2007，31(6):11－16.

[6]马玉龙，肖湘宁，姜旭.交流系统接地故障对HVDC的影响分析[J].中国电机工程学报，2006，26(11):144－149.