高压直流换流站谐波研究

许志兵，徐海滨，张豹，王骏强，陈鹏

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

高压直流换流站谐波研究

许志兵，徐海滨，张豹，王骏强，陈鹏

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

21世纪以来，高压直流输电在跨区域输电中的角色日趋重要。换流站作为直流输电核心，谐波是影响换流站能否输出高质量电能的主要因素，因此换流站谐波的研究尤为重要。本文从换流站的结构入手，分别分析了换流站交直流侧的特征谐波和非特征谐波的产生机理，介绍了特征谐波和非特征谐波的计算方法，并且借用PSCAD/EMTDC平台分析了谐波在整个基波中占有的比重，通过占有比重的分析为换流站的设计和滤波装置的选择提供一定的参考。

换流站；特征谐波；非特征谐波；谐波占有率

1 引言

近年来，高压直流输电日趋成熟，换流站阀厅是整个结构的核心部位，阀厅的稳定正常运行在直流输电技术中发挥着至关重要的作用。特高压直流阀厅电磁场的研究近几年来得到了应有的重视，同时也有了质的飞跃。继中国电力科学院研制出具有完全自主产权的±800kV/4750A高压直流转换阀(ultra high voltage direct current,UHVDC )之后，我国具有自主产权的±1100kV/5000A特高压直流换流阀诞生，其中±800kV/4750A高压直流转换阀已经投入使用[1]。后者的研发主要是由中电普瑞电力所负责，是在淮东到成都特高压直流工程的基础上研发的。随着之而来的不仅仅是电压等级的飞跃，还有电磁干扰的研究。特高压换流阀电气应力高，阶跃性能量大，电磁干扰强度高，强弱电装置近距离、紧密耦合系统，电磁干扰耦合机制复杂[2]。另外，在电力系统的保护系统中存在着大量的自动化控制器件(电子和微电子器件)，往往这些器件都是具有较低水平的抗干扰能力。因此对于换流站谐波的研究成为了发展特高压直流道路上的重要课题之一。

换流站主要结构包括阀厅、换流变压器、交流开关厂、平波电抗器、滤波器、无功补偿设备等。

阀厅的主要作用就是输入交流输出直流，主要结构包括有晶闸管组成的换流桥和抽头变压器。平波电抗器具有抑制直流纹波的功能，因此它在整流电路后扮演者重要角色。换流器在交流和直流两侧均产生谐波电压和谐波电流，那么滤波器就是对除指定的波形外的杂波谐波进行最大程度的过滤，从而得到相对优质的直流[3]。无功是换流器在交直转换的过程中所必不可少的，那么无疑无功补偿设备在此过程中必不可少，它为此过程提供必要的无功功率。从交流输入到直流输出整个交变过程都会有复杂的电磁波产生，并相互影响。

2 交流侧谐波分析

换流阀一般采用的是12脉动阀组，由于换流阀工作过程中伴随着开关阀的快速转换，因此，将伴随产生大量的谐波，这对于供电的质量影响重大。6脉动换流器内部结构如图1所示，12脉动换流阀结构原理图如图2所示，由于12脉动换流阀组是由两个6脉动换流器串联而成，本文将以分析6脉动换流阀为例进行研究。

换流器的功能决定了换流的过程中将会产生大量的谐波，谐波的种类大致可分为特征谐波、非特征谐波、传导谐波三类。

图1 6脉换流器示意图

图2 12脉换流器连接图

2.1 交流侧特征谐波

在理想的状态下可用以下公式计算特征谐波的电流的幅值[4]：

(1)

(2)

式中，In指交流输入端谐波电流最大值；n为谐波次数；In为六脉动换流器数；Uv指阀侧电压；U1为换流变压器实际抽头位置系统侧电压；Udion为额定直流空载电压；Udio为实际空载直流电压；Idn为额定直流电流；Id为实际直流电流；Fn指换向过程中换相角致使的谐波减少系数；ε指在换向过程中造成的相对电压降落；dxn指在换向过程中造成的额定相对电压降落；α为实际触发角或关断角；μ实际换相角。

根据公式，可计算出各次特征谐波的含有率[5]，为方便分析将结果绘制成曲线图，分别为5次、7次、11次和13次谐波电流含有率。通过分析，触发角的差异和换向角角的差异都会影响谐波电流的含有率。另外，在实际换相角为0时，触发角不再起作用，它的变化将不再会改变谐波电流的含有率。

对于6脉波换流器，特征谐波ia的常用计算式为：

(3)

对于12脉波换流器，特征谐波iA常用计算式为：

(4)

通过以上公式的对比可以得出：6×(2K-1)±1次谐波由于Y/y和Y/d型换流变压器的各次谐波分量幅值相等和12K+1次谐波相位相同而相互抵消。因此6脉动谐波仅存的特征谐波，其中6k+1次为正序特征波，6K-1次为负序特征波。因此，12脉波换流变器在交流侧只存在12K+1次谐波[6]。

2.2 交流侧非特征谐波

在工程运行过程中，直流输电工程的运行是和理论模拟状态有着一定的差距的。因此，伴随着特征谐波还有另外的一些纹波的产生，称之为非特征谐波。这类谐波往往是由于在非理想状态下产生的。比如触发脉冲周期不是绝对相等、母线电压不严格对称或者换相电抗不平衡等因素都可能导致非特征谐波的产生[7]。由于非特征谐波的诱因多而复杂，并且在实际的设备制造过程中，生产厂家会特别的进行设计最大化抑制非特征谐波的产生，使得非特征谐波在直流输电过程中影响并不是非常明显。对于非特征谐波的分析往往都是采用忽略其他诱因，针对某一诱因进行分析的方法。

考虑直流侧纹波影响，高次谐波的幅值通常较大，在交流侧产生的谐波往往忽略，真正影响交流侧谐波的是低次纹波。当直流换流器中流过低次谐波电流时，考虑在谐波电流与交流电压相对相位最不利的情况下，谐波电流往往会产生最大的谐波电流值，最大幅值必定存在于交流测的某一相中，对于交直流两侧的幅值和谐波次数的具体分析如表1所示。

对于交流侧非特征谐波的研究便只针对不平衡因素所产生的谐波进行。设换流器的正极换流阀触发角超前φ，负极换流阀触发角滞后φ，其他均在理想状态下运行，则换流器将产生所有偶次谐波。偶次和基次谐波的关系为：

表1 交直流两侧的幅值和谐波次数分析

(5)

计算可得，当φ为0.1度时，偶次谐波和基波电流幅值的相对关系始终不变，偶次谐波幅值总是基波幅值的0.1739%。

如果只有一相两阀的触发出现时间差，其余均同步触发，那么产生3次倍频谐波，当ε很小时，非特征谐波的幅值为:

(6)

计算可得，当φ为0.1度时，所有3次倍频谐波和基波的关系也相对稳定，前者幅值均约为基波幅值的0.1%。在实际的运行过程中可同时假设两种模式都存在，因为实际运行中是不能精确的确定失衡状态。

3 直流侧谐波分析

在变换的过程中产生纹波传导至直流线路中，便成为了直流侧谐波。如果忽略其中的电流谐波，而只分析电压谐波的话，经傅里叶分析可得各次谐波电压的有效值为：

(7)

对于6脉波换流器，h=6k，其中k=1,2,3,…，同理对于12脉波的h=12k，其中k=1,2,3,…。

如图2所示，在换相前直流电压正极m点电位等于Uc,负极b相导通，电位和Ub电位相同，所以直流电压Ud=1/2(Uc+Ub)；换相时期，正极V1V5同时导通，m点电位为Um=1/2(Ua+Uc)，所以直流电压m、n点电位的差值Ud=1/2(Uab+Ucb)。之后的Ud波形每隔π/3重复一次。

Ud实际上是一个以π/3为周期的波形，因此，如果仍以交流基波周期为带纹波Ud计算周期，可见Ud的频率为交流基波频率的6倍，在Ud中只有6倍频的谐波分量，Ud的傅里叶级数分解系数可简化为[8]。

(8)

由上可得各次谐波电压的复数表达式：

(9)

4 结论

通过分析和分析，交流测6×(2K-1)±1次谐波相互抵消。6脉动谐波仅存的特征谐波，12脉波换流变器在交流侧只存在12K+1次谐波。非特征谐波在φ为0.1度的前提下偶次和奇次谐波幅值相对基波幅值的比例是相对不变的。直流侧电压纹波频率为交流基波频率的6倍。

[1] 张文亮，周孝信，郭剑波，等.±1000kV特高压直流在我国电网应用的可行性研究[J].中国电机工程学报,2007(28):1-5.

[2] 曹均正，汤广福，王高勇，等.±1100kV特高压直流输电换流阀研制及型式试验[J].南方电网技术,2012(6):67-71.

[3] 高冲，查鲲鹏，汤广福，等.±1100kV特高压直流输电换流阀运行试验研究[J].智能电网,2013(1):79-83.

[4] 马俊民，黄永瑞，何青连.±800kV特高压直流输电系统谐波研究[J].电力系统保护与控制,2013(21):33-37.

[5] 李雅洁，谭建成.基于PSCAD/EMTDC仿真平台的特高压直流输电控制系统研究[J].电气开关,2014(6):54-57.

[6] 王刘拴.±800kV特高压直流输电谐波特性的研究[D].广东工业大学电力工程，2014.

[7] 刘酩，张博.德阳换流站谐波稳定性分析[J].华中电力,2011(4):68-71.[Ming Liu，Bo Zhang,2011(4)：68-71.]

[8] 黄莹，黎小林，朱光友，等.换流站非特征谐波电流时域分段蒙特卡洛算法[J].高压电器,2007，43(5):325-328,332.

Research on Harmonics of HVDC Converter Station

XUZhi-bing,XUHai-bin,ZHANGBao,WANGJun-qiang,CHENPeng

(School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

The 21st century,the high-voltage direct current transmission has played increasingly important role in the cross-regional transmission.As the core of DC transmission,harmonic research of converter station is particularly important,because harmonic is the main influencing factors for that if the converter station can output high quality power.This paper analyzed harmonics and the generating mechanism and the calculation of harmonics on the base of researching the structure of the converter station.And this paper analyzed the harmonic proportion in the whole fundamental wave using the PSCAD/EMTDC.Through the analysis of occupies proportion of converter station,this paper provide certain reference for the design of converter station and the selection of filtering device.

converter station;characteristic harmonics;non characteristic harmonics;harmonic proportion

1004-289X(2016)06-0083-04

TM72

B

2015-09-28