特高压直流输电系统新型谐波抑制方法研究

姜广鑫

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站）

特高压直流输电系统新型谐波抑制方法研究

姜广鑫

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司伊敏换流站）

本文主要以750kV为研究对象，研究750kV直接接入特高直流电压的谐波治理方案。基于现有的感应滤波技术，提出一种新型的换流变压器接线方案，并以我国当前在建的某个特高直流输电工程为例对新型方案的可行性进行分析和研究，通过建立本工程750kV交流电网的仿真模型验证结果发现，新型换流变压器具有良好的谐波治理效果，能够解决有源、无源滤波的一系列问题，有助于特高电网稳定、可靠、安全地运行。

特高压；谐波；抑制；并联感应

0 引言

直接在换流变网一侧接入特高电压电流系统将会增加电力设备的研制难度，同时要求电力系统具有更高的可靠性和稳定性，因此需要针对这一问题重新制定解决方案，以保证电力建设工程能够如期完成。同时还需要研究网侧直接接入特高电压和高电压交流系统技术方案的不同及影响。本文主要以750kV为研究对象，研究750kV直接接入特高直流电压的谐波治理方案。基于现有的感应滤波技术，提出一种新型的换流变压器接线方案，并以我国当前在建的某个特高直流输电工程为例对新型方案的可行性进行分析和研究，通过建立本工程750kV交流电网的仿真模型验证结果发现，新型换流变压器具有良好的谐波治理效果，能够解决有源、无源滤波的一系列问题，有助于特高电网稳定、可靠、安全的运行。

1 新型技术方案和原理分析

感应滤波技术的基本原理是换流变压器的安匝平衡和电磁潜能。基于该原理设计一组能够就近抑制谐波的特殊滤波绕组，能够有效防止阀侧绕组谐波流入电网，减轻谐波对电网的危害，有助于谐波污染范围的缩小。联接在感应滤波换流变压器中的绕组有一个明显的特点：零阻抗设计，为谐波提供的环路次数为3次及其倍数次以上，将无源滤波器接入滤波绕组中能够有效地滤除特征谐波。

根据特高直流输电系统的相关特征，本文基于现有的感应滤波技术，提出了一种新型方案——滤波绕组并联型方案，如图1所示。图1中接线方案的具体设计包含两个方面：使用三角形联接形式作为三相变压器的接线方式；使用并联方式连接12变压器中的两个滤波绕组。

图 1 并联形式的滤波绕组接线方案

图2所示的是常规方案中谐波的抑制作用。常规方案中常采用并联方式连接12脉动换流变压器中高压绕组，由于汇流过程中两个绕组的相反相位能够抵消各自形成环流的5次和7次谐波，从而对脉动换流器中的5、7次谐波产生较好的抑制作用，但是这种传统的接线方案存在一些不足：由于缺乏对3次谐波的一直作用，铁心饱和等原因造成的3次谐波将会增大绕组的磁通量，进而引入3次谐波进入网侧，还有可能产生铁心振动噪声等问题。

图 2 常规方案中5、7次谐波的抑制机理

本文针对12脉冲换流器设计的新型接线方案如图2所示。对某个变压器来说，3次谐波和3次谐波磁通不会同时存在，因此不会在网侧引入3次谐波。当Y-Y联接的换流器处于工作状态时，其铁心必然会存在3次谐波磁通，进而在网侧产生对应的电势，导致一次侧出现3次谐波电流；而Y-△联接的换流器，由于存在回路，所以铁心中产生的3次谐波磁通将小于Y-Y联接的换流器，原因是Y-Y联接换流器中缺乏3次谐波的流通回路，而Y-△联接换流器中自带3次谐波的流通回路，能够对3次谐波磁通产生有效的抑制作用，于是一次侧中3次谐波的含量将会显著减小，对3次谐波产生的铁心振动噪声具有明显的改善作用。采用互联并联的方式对变流器中的绕组进行联接，为5、7次谐波的电流提供了回流环路，从而能够实现相互抵消，因此5、7次谐波在换流器网侧电流回流之前便被有效地消除掉。同样汇流能够整流系统中5、7次谐波的含量，而本文设计的新方案包含了3、5、7次谐波的回路，因此对铁心中谐波磁通的减少具有明显的效果：一方面网侧中流入的谐波将会减少；另一方面由于谐波产生的铁心振动噪声将会明显较少。此外，和传统的单独连接方式相比，并联的接线方式能够减少滤波器和电容器的分组，有助于设备占用空间的节省。

2 输电系统的电磁暂态模型

图3 新型换流器接线方案及工作原理

本研究以我国某在建的特高压直流输电工程作为研究对象，提出了一种新型的谐波治理技术方案，根据工程的实际参数，使用PSCAD/EMTDC作为本次研究的仿真软件，建立了750kV电网输入特高压直流电压后的电磁暂态仿真模型，如图4所示。通过对常规模型和本文提出的新模型进行比较，新模型使用的是并联型滤波绕组750kV侧接入换流器，对新技术方案下输电系统的谐波特性进行了详细描述。

2.1 仿真模型参数

2.1.1 交流系统参数

送电端：额定电压为770kV， 额定容量 为10000MVA，稳态电压范围为750～800kV；

受电端：额定电压为525kV， 额定容量 为10000MVA，稳态电压范围为500～550kV。

2.1.2 交流滤波电路及并联电容器

（1）常规滤波电路模型

送电端：接入交流滤波器在交流母线处，表1所示的是并联电容参数。

表1 送电端并联电容参数

受电端：接入交流滤波器在交流母线处，表2所示的是并联电容参数。

图4 新型输电系统中主电路的结构

表 2 发电端并联电容参数

（2）新型滤波电路模型

因为引入了感应滤波技术在送电端，因此在换流器的滤波绕组上接入滤波电路和并联电容器，由于滤波绕组的联接方式是△型，所以能够实现滤波的谐波是3次或其倍数次的谐波，因此没有必要引入HP3滤波器。为了平衡系统的无功部分，需要适当增大并联电容器，表3所示的是相关的参数。

表3 并联式滤波绕组的无功配置参数

因为送电端只是增加了感应滤波急速，因此受电端接入元件的相关参数仍然如表2所示。

2.1.3 直流滤波器

根据实际工程中滤波器的型号及相关的参数模型确定直流滤波器的参数，每个换流器中有12/24和2/39两台直流谐波滤波器，具体参数如表4所示。

表4 直流滤波器参数

2.1.4 换流器

换流器的阀组采用的是换流单元串接的方式，每个脉动阀组的串接电压分配400kV的电压。

2.1.5 换流变压器

（1）常规模型

实际工程中：送电端换流器是单相双绕组变压器，采用Y/Y和Y/△两种方式进行接线，每台的容量为412.3MVA，等效阻抗为0.23。网侧绕组的额定电压为444.56kV，使用Y/Y联接型换流器阀侧的绕组使用的额定功率为100.99kV，使用Y/△联接型换流器阀侧的绕组额定功率为174.92kV。受电端换流器类型也为单相双绕组，每台的容量为378.56MAV，同样采用两种联接方式：Y/Y和Y/△，该换流器的等效阻抗为0.18，其网侧绕组的额定电压为3030.11kV，使用Y/Y联接型换流器阀侧的绕组使用的额定功率为92.73kV，使用Y/△联接型换流器阀侧的绕组额定功率为160.61kV。

仿真模型中：使用三相双绕组作为送电端的换流器，每台的容量为1236.9MAV，采用的接线方式有两种：Y/ Y和Y/△，其等效阻抗为0.23，网侧绕组的额定电压为770kV，阀侧绕组的额定电压为174.92kV；以三相双绕组变压器作为受电端换流器，每台容量为1135.68MVA，网侧绕组的额定电压为525kV，阀侧绕组额定电压为160.61kV。

（2）新型模型

新型仿真模型中，以三相三绕组作为送电端换流器，每台的容量为1236.9MVA，采用Y/Y/△和Y/△/△两种联接方式，网侧-阀侧的等效阻抗为0.23，网侧绕组和发侧绕组的额定电压为770kV，滤波绕组的额定电压为500kV。受电端的配置和参数与常规模型一致。

2.1.6 直流输电线路

仿真模型中，直流输电线路的长度为2361.39km，电阻为8.92Ω。额定电压为800kV。额定电流为5000A。额定电压为8000MW。换流站采用1Ω的接地电阻。

2.2 方案对比分析

2.2.1 无功平衡效果对比分析

由于新的谐波抑制模型中需要再装设3次谐波滤波器，所以需要加大原来设计方案中并联电容器的容量，同时相对于交流滤波器，并联电容器组的占地面积比较小，所以比较节省占地面积，并联电容器组和交流滤波器组能够进行更为灵活的分组，基于系统稳态角度，无论是常规模型还是新型模型都具有良好的无功平衡状态，具体如图5和图6所示。

图5 常规网侧的滤波方案

图6 感应滤波方案

2.2.2 谐波抑制效果对比分析

送电端滤波效果分析的测试点，分别测量总交流电和每个换流变压器的一次侧电流。图7～9所示的是无滤波器、常规滤波和感应滤波3种方案的电流波形图。图7显示，两种方案对750kV总交流具有良好的滤波效果，但对单个的换流器，常规的滤波电路较感应滤波电路效果相差甚远。

为了进一步对其进行对比分析，将3种方案下谐波的相关参数进行列表分析。根据表5可以计算出常规滤波和感应滤波中750kV交流侧的谐波滤除率。

图7 750kV交流侧三相电波形

图8 单个变流器（Y/△）一次侧电流波形

图9 单个变流器（Y/Y）一次侧电流波形

表5 3种方案下交流侧总谐波含量对比表

表6 3种方案下单个变流器（Y/△）一次侧谐波含量对比表

表7 3种方案下单个变流器（Y/Y）一次侧谐波含量对比表

根据表5～表7对比分析可知，本文涉及的感应滤波方法增加了500kV的滤波绕组在原有的双绕组换流器中，并采用并联的方式连接750kV的两个感应换流器，然后在此基础上接入500kV的滤波器。这种情况下，750kV交流侧的谐波总含量见表5中的第4行，单个换流器一次侧的谐波含量见表6和表7的第4行。仿真结果表示，相对于常规的滤波方案，并联型感应滤波方案不需要安装3次谐波滤波电路便能够滤除掉接近90%以上的3次谐波。另外并联感应滤波具有更高的滤波率，所以无论从哪个角度看来，本文提出的并联感应滤波方案拥有更多的优势。

3 结束语

本文以我国某在建的特高压直流输电工程作为研究对象，分析了并联感应滤波方案的可行性，通过PSCAD/ EMTDC仿真结果表明，本文提出的新型并联感应滤波技术相对于常规滤波方案具有如下优势：

1）因为本研究接入的滤波绕组采用的是500kV的电压，而常规滤波方案中采用的电压为750kV，能够在很大程度上节省成本。

2）基于安匝平衡原理，换流器能够在内部消除谐波磁通，对谐波产生的危害具有明显的抑制作用，同时还能够降低谐波引起的损耗和噪声。

3）采用三角形连接方式，为3次谐波提供了回路，该回路能够对交流电网侧的3次谐波产生有效的抑制作用，因为能够节省3次谐波滤除方案，节省了成本和占地面积。

[1]许加柱,罗隆福,王桂华,等.新型交直流输电系统谐波抑制的机理[J].高电压技术, 2007, 33(12)：118-123.

[2]许加柱,罗隆福,李季,等.基于新型换流变压器的HVDC输电系统谐波抑制的机理研究[C].中国高等学校电力系统及其自动化专业学术年会,2006.

[3]刘晓晶,周力行,彭杰,等.基于Matlab的直流输电系统谐波抑制仿真研究[J]. 电力学报, 2014(4)：306-308.

[4]赵芫萍.直流输电系统的谐波危害及抑制措施[J].广西电业, 2000(2)：56-58.

[5]赵芫萍.直流输电系统的谐波危害及抑制措施[C].广西电机工程学会青年学术交流会. 2002：56-58.

[6]张翔.高压直流(HVDC)输电系统交流侧的谐波抑制[D].广西大学, 2004.

[7]许加柱,董欣晓,梁崇淦,等.特高压直流输电系统新型谐波抑制方法研究[J].湖南大学学报：自然科学版, 2016, 43(10)：79-86.

[8]王大为,徐洋波,臧云峰,等.具有谐波抑制功能的充放电机的研究[J].电气技术, 2014, 15(12)：45-47.

[9]孟庆波,张志军.基于复合控制策略的有源电力滤波器APF的研究[J].电气技术, 2013, 14(11)：28-31.

[10]刘博,贲洪奇,白银龙,等. PWM整流器轻载条件下网侧电流谐波分析与抑制[J].电工技术学报, 2016, 31(C00)：162-168.

[11]孙孝峰,王伟强,沈虹,等.基于双阻性有源滤波器的背景谐波抑制策略[J].电工技术学报, 2016, 31(16)：145-153.

2017-05-22）