特高压直流输电系统新型谐波抑制方法研究

许加柱+董欣晓+梁崇淦+罗隆福+付颖+梅念+罗志平

摘 要：传统的特高压直流输电系统一般在换流站交流网侧布置滤波兼无功补偿装置.为了避免谐波对换流变压器的不良影响，本文提出了一种滤波绕组并联的感应滤波换流变压器的谐波抑制方法，文中描述了其接线方案，解释了其滤波机理，并与传统的滤波方案进行了对比分析.以酒泉湖南的±800 kV特高压直流输电的工程参数为依据，搭建了所提滤波方案和传统方案的仿真模型.两个模型的阀侧和网侧电流的对比分析证明，新型谐波抑制方法效果良好.

关键词：新型换流变压器；特高压直流输电；感应滤波技术；谐波抑制；无功补偿

中图分类号：TM4 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）10-0079-08

Abstract： In traditional UHVDC transmission systems， the filtering and reactive power compensation devices are generally installed at the power grid side of the converter stations. In order to reduce the negative effects caused by harmonic currents on the converter transformers， a harmonic suppression method of inductive filtering converter transformers with parallel filtering windings was proposed. This paper described the corresponding detailed wiring schemes， explained the filtering mechanism and compared it with the traditional filtering solution. Referring to the engineering parameters of the Jiuquan-Hunan ±800 kv UHVDC transmission project， the simulation models of the proposed harmonic filtering scheme and the traditional schemes were established respectively. Based on the comparative analysis of the currents at the grid and valve sides of the two models， it can come to the conclusion that the proposed harmonic suppression scheme has a better operational performance in contrast with the traditional one.

Key words：novel converter transformer； UHVDC transmission； inductive filtering technology； harmonic suppression； reactive power compensation

在换流变网侧直接接入750 kV交流系统的条件下，设备研制的难度进一步加大，对系统运行可靠性的要求也更高，针对不同技术路线换流变接入同一换流器以及降低双极停运率等课题需要提出新的解决方案，以确保工程建设的顺利推进[1-5].同时，须针对网侧直接接入750 kV交流系统成套设计关键技术方案与接入常规500 kV交流系统时的差异及其带来的影响进行研究.本文主要是依据特高压直流以及750 kV交流电网的特性，对特高压直流接入750 kV交流电网的无功平衡和谐波抑制技术进行研究[6-9]，在已有感应滤波技术方案的基础上提出滤波绕组并联型感应滤波换流变压器接线方案[10-15]，并以酒泉湖南在建的特高压直流输电工程为案例进行实施新方案的可行性研究，基于酒泉湖南±800 kV特高压直流输电工程而建立的特高压直流接入750 kV交流电网的PSCAD/EMTDC仿真模型进行验证，揭示基于新型换流变压器的直流输电系统所具有的独特的谐波抑制机理，能有效地解决上述无源滤波、有源滤波所面临的种种问题.为特高压电网运行的可靠性、安全性和稳定性提供参考.

1 新型接线方案和机理分析

感应滤波技术是利用换流变压器的电磁潜能和安匝平衡原理，设计了一种特殊的滤波绕组对谐波进行就近抑制，可有效隔离阀侧绕组谐波对电网的危害，从而缩小谐波的污染范围[10-15].感应滤波换流变压器Δ联接的滤波绕组具有零阻抗设计的特点，不仅能够为3次及其倍数次谐波提供环路，且通过在滤波绕组处接入无源滤波器，实现对特征谐波的滤除.

结合特高压直流输电系统的特点，本文在已有感应滤波技术方案的基础上，提出滤波绕组并联型感应滤波换流变压器接线方案，如图1所示.图1中的滤波绕组并联型感应滤波换流变压器接线方案为：（ⅰ）三相换流变压器组的滤波绕组为三角形联接形式.（ⅱ）12脉动换流变压器组的两个滤波绕组采用并联连接方式.

如图2所示，常规方案的12脉动换流变压器通常为高压绕组并联方式，在汇流时由于相位刚好相反，因而5，7次谐波各自形成环流而相互抵消，从而可抑制两个6脉动换流器产生的5，7次谐波电流.然而，该接法却存在不足之处，由铁芯饱和等原因引起3次谐波由于绕组中没有3次谐波电流流通回路，因而铁芯中谐波磁通较大，从而引起网侧的3次谐波及变压器铁芯振动噪音问题.

新型12脉波感应滤波换流变压器及工作机理如图3所示.对于某一变压器本体来说，若有3次谐波电流则无3次谐波磁通，若有3次谐波磁通则无3次谐波电流.因此对于Y-Y联接的换流变压器，其工作时铁芯中必有3次谐波磁通，因而会在一次侧引起3次谐波电势，从而形成一次侧流通的3次谐波电流.对于Y-△联接的换流变压器，由于其本身已具有3次谐波电流回路，因此其变压器铁芯中的3次谐波磁通会小于Y-Y联接的换流变压器.相对于传统Y-Y联接的换流变压器，感应滤波换流变压器增加了3次谐波电流流通回路，能有效削弱铁芯中的3次谐波磁通，这样既降低了一次侧的3次谐波含量，又降低了由3次谐波引起的铁芯振动噪声.而感应滤波换流变压器采用滤波绕组相互并联的方式，让5，7次谐波电流在各相并联线路之间形成环流而相互抵消，因此可以在12脉动变压器网侧电流汇流之前便能有效地消除5，7次谐波电流，而汇流后可更进一步降低12脉动整流系统中所引起的5，7次谐波.由于新型方案为3，5，7次等谐波电流提供回路，因此能有效地降低换流变压器铁芯中相应的谐波磁通，一方面可阻止这些谐波流通变压器而进入网侧，另一方面还可降低由这些谐波引起的换流变压器铁芯振动噪音.此外，相比于滤波绕组单独连接的方式，采用滤波绕组并联的接线方案还可以减少交流滤波器和并联电容器的分组，以节省设备的占地面积.

2 特高压直流输电系统电磁暂态模型

本文以酒泉湖南±800 kV的特高压直流输电工程为案例，揭示基于新型换流变压器的直流输电系统所具有的独特的谐波抑制机理.根据酒泉湖南±800 kV特高压直流输电工程的实际参数，采用PSCAD/EMTDC仿真软件并参照CIGRE HVDC标准模型，建立了±800 kV特高压直流接入750 kV交流电网的电磁暂态仿真模型，如图4所示.采用网侧滤波功补方案的常规模型及采用感应滤波技术的新型模型进行比较，其中新型模型仅对750 kV侧采用新型滤波绕组并联型换流变压器，揭示基于新型换流变压器的特高压直流输电系统所具有的独特的谐波特性.

2.1 仿真模型参数

1）交流系统参数

送电端额定容量10 000 MVA，额定电压为770 kV，稳态电压范围750～800 kV；受电端额定容量为10 000 MVA，额定电压为525 kV，稳态电压范围500～550 kV.

2）交流滤波器及并联电容器

①常规模型

送电端交流母线处接入的交流滤波器及并联电容器参数如表1所示.

受电端交流母线处接入的交流滤波器及并联电容器参数如表2所示.

②新型模型

由于送电端采用了感应滤波技术，因而交流滤波器及并联电容器连接在换流变压器500 kV等级滤波绕组上，且由于采用的Δ接滤波绕组可对3次及其倍数次的谐波有滤除作用而不必投入HP3滤波器，因此为保证系统无功平衡，并联电容器需适当增大，相关的参数如表3所示.

由于只对送电端采用感应滤波技术，因此受电端交流母线处接入的交流滤波器及并联电容器参数基本维持不变，仍如表2所示.

3）直流滤波器

仿真模型按实际工程采用的直流滤波器型式及参数建模，即每个换流站装设12/24和2/39双调直流谐滤波器各一台，参数如表4所示.

4）换流阀

换流站的阀组均采用每极2个12脉动换流单元串联接线的接线方式，2个12脉动阀组串联电压按±（400+400） kV分配.

5）换流变压器

①常规模型

实际工程设计中，送电端换流变压器为单相双绕组变压器，单台容量412.3 MVA，联接成Y/Y和Y/△两种接线形式，等效阻抗均为0.23，网侧绕组额定电压444.56 kV，Y/Y接变压器阀侧绕组额定电压100.99 kV，Y/△接阀侧绕组额定电压174.92 kV；受电端换流变压器也为单相双绕组变压器，单台容量378.56 MVA，联接成Y/Y及Y/△两种接线形式，等效阻抗为0.18，网侧绕组额定电压303.11 kV，Y/Y接变压器阀侧绕组额定电压92.73 kV，Y/△接阀侧绕组额定电压160.61 kV.

仿真模型中，送电端换流变压器为三相双绕组变压器，单台容量为1 236.9 MVA，分为Y/Y和Y/△两种，等效阻抗0.23，网侧绕组额定电压770 kV，阀侧绕组额定电压均为174.92 kV；受电端换流变压器为三相双绕组变压器，单台容量1 135.68 MVA，接线形式分Y/Y和Y/△两种，等效阻抗0.18，网侧绕组额定电压525 kV，阀侧绕组额定电压均为160.61 kV.

②新型模型

在新型仿真模型中，送电端换流变压器为三相三绕组变压器，单台容量为1 236.9 MVA，分为Y/Y/△和Y/△/△两种，网侧阀侧等效阻抗0.23，网侧绕组额定电压770 kV，阀侧绕组额定电压为174.92 kV，滤波绕组额定电压500 kV；受电端换流变压器不变，与常规模型的一样.

6）直流输电线路

仿真模型的直流输电线路额定功率8 000 MW，额定电压±800 kV，额定电流5 000 A，线路长度为2 381.93 km，直流线路电阻为8.92 Ω，换流站接地电阻均为1 Ω.

2.2 方案对比与分析

2.2.1 无功平衡效果对比及分析

对于新型模型，由于3次谐波滤波器已不需要装设，因此原方案的并联电容器组的容量需加大，又由于并联电容器组的占地面积比交流滤波器的要小，因此在节省3次滤波器总占地面积的基础上，BP11/13，HP24/36交流滤波器组和并联电容器组在实际工程中的分组可以更加灵活.从系统稳态的角度，常规模型和新型模型均能较好地实现系统的无功平衡，分别如图5和图6所示.

2.2.2 谐波抑制效果对比及分析

对于滤波效果的分析，两个平列，测试点均位于送电端，分别检测750 kV总交流电流及单个换流变压器一次侧电流.无滤波器投入、采用常规网侧滤波和采用感应滤波3种方案下的电流波形如图7～图9所示.由图7可看出，两种方案均对750 kV总交流电流滤波产生较好的效果.但是从单个6脉动换流变压器一次侧电流波形来看，可知常规网侧滤波效果很差，而感应滤波取得良好的谐波抑制效果，如图8和图9.

为便于分析与对照，将3种方案下的电流谐波含量相关数据列于表5～表7中.根据表5可求得采用常规滤波与采用感应滤波方案情况下的750 kV交流侧总电流谐波滤除率，见表8.并作出柱状图进行对比，如图7～图10所示.

在不投入任何交流滤波器的情况下，750 kV交流侧总电流的谐波成分如表5中第2行所示，该电流含少量3次非特征谐波及较多的11，13，23，25次等12脉动特征谐波；单个换流变压器一次侧的电流的谐波成分如表6和表7中第2行所示，含较大量的5，7，11，13次等6脉动特征次谐波.本文以不投入交流滤波器和并联电容器的情况为参考基础，对采用常规网侧滤波功补方案与采用感应滤波方案进行对比，主要关注两种方案对上述谐波的滤除率.

在750 kV交流母线处投入常规设计的750 kV电压等级的滤波器情况下，750 kV交流侧总电流的谐波成分如表5中第3行所示；单个换流变压器一次侧电流的谐波成分如表6和表7中第3行所示.因此，对于常规设计的滤波方案，除3次谐波无较明显滤除效果外（该HP3设计在150 Hz的阻抗较大，滤波效果受到一定影响），该方案对750 kV交流侧总电流的各次谐波的滤除率见表8第2行，显示出较好的谐波抑制效果.然而，对于单个换流变压器一次侧的谐波电流滤除情况，常规方案则基本没有滤除效果.这说明了虽然在交流网侧母线处安装滤波器能够取得良好的谐波抑制效果，但是由换流阀产生的谐波电流却能完全经换流变压器而流至交流母线处，这样换流变压器就完全遭受到了谐波对它的不良影响，包括其损耗增大和铁芯振动噪音增大等.

本文所提感应滤波技术的方案，在原有双绕组换流变压器的基础上增加电压等级为500 kV的感应滤波绕组，并将750 kV侧的每个12脉动单元的两个感应滤波换流变压器的感应滤波绕组连接成并联的形式后，接入500 kV电压等级的滤波器及并联电容器.在此情形下，750 kV交流侧总电流谐波含量如表5中第4行所示；单个换流变压器一次侧的电流谐波含量如表6和表7中第4行所示.与不采取任何谐波抑制方法情况相比较，采用感应滤波绕组并联方案对750 kV交流侧总电流的各次谐波的滤除率见表8第3行.与常规网侧滤波方案相比，仿真结果表明：采用并联型感应滤波绕组方案在无需安装3次滤波器的情况下就能滤除750 kV侧总电流近90%的3次谐波电流.此外，本滤波方案对各特征谐波的滤除率要比常规方案的高（参见表8及图10和图11），分别为：11次谐波滤除率提高9.27%，13次提高7.73%，23次提高28.88%，25次提高34.39%，35次提高22.61%，37次提高30.65%.而在改善每个换流变压器一次侧电流质量方面，图12和图13更是清楚地说明了感应滤波绕组并联滤波方案具有常规网侧滤波方案所不具备的优势.

3 结 论

本文以酒泉湖南在建的特高压直流输电工程为案例进行实施新方案的可行性研究，基于酒泉湖南±800 kV特高压直流输电工程案例而建立的特高压直流接入750 kV交流电网的PSCAD/EMTDC仿真模型，采用新型滤波绕组并联的感应滤波技术与常规网侧滤波及功补相比显示出如下的优势：

1）感应滤波换流变压器的滤波绕组电压等级为500 kV，接入的交流滤波器及并联电容器的500 kV电压等级比常规方案的750 kV要低，可节省滤波器及并联电容器的投资成本.

2）感应滤波技术利用换流变压器的电磁潜能和安匝平衡原理，在换流变压器内部对谐波磁通进行清除，可有效地抑制谐波电流对换流变压器本体的危害，降低换流变压器因谐波而引起的损耗和振动噪音.

3）感应滤波技术在原换流变压器的基础上增加三角形联接的滤波绕组，为3次谐波电流提供回路，不需要3次滤波器组就能有效清除交流电网侧的三次谐波，节省了常规网侧滤波方案的三次滤波器组的投资成本和占地面积.

4）采用最新的滤波绕组并联方式，一方面，可以为每个6脉动单元换流变压器一次绕组的5，7，17，19次等谐波电流提供环流回路，在汇流之前便能清除上述谐波电流，特别是为Y/Y型换流变压器一次绕组的3次谐波电流提供回路；另一方面，每个12脉动单元只需一个大组的交流滤波器和并联电容器，克服了传统滤波绕组不并联方式下需要单独两组的缺点.

5）由于不再需要HP3交流滤波器，因而BP11/13，HP24/36交流滤波器和并联电容器的分组容量可以更加灵活.

6）新型滤波绕组并联的感应滤波技术显示出比常规网侧滤波方案更好的谐波抑制优势.

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