LCL 型高压直流输电系统中换流变压器损耗的仿真研究

杨志栋， 倪晴， 罗隆福

(1.国家电网有限公司， 北京100031；2.湖南大学， 湖南 长沙410082)

0 引言

我国国土面积非常广阔， 用电负荷与能源资源的分布相距很远， 为了使得资源得以合理利用， 在电力建设过程中逐渐形成了“西电东送” “北电南送” 的局面[1-2]， 在这种距离远、 容量大的输电工程中高压直流输电技术有很大的优势[3]， 如远距离输电中高压直流输电线路的造价低、 损耗较小等。 但是传统的LCC-HVDC 系统中存在着一些问题， 例如换相失败是直流输电系统发生概率较高的故障[4]， 其主要原因是交流系统故障使得逆变侧换流母线电压下降； 高压直流输电系统中的换流变压器存在严重的噪声问题[5]， 影响着人民的生产生活和身心健康。

在高压直流输电系统中， 换流变压器是其核心设备[6]， 本文研究LCL-HVDC 系统中换流变压器的负载损耗问题。 普通变压器在运行过程中只承受交流电压， 而换流变压器除了承受交流电压， 还需承受直流电压， 其工作环境更加恶劣[7]。 在高压直流输电工程的实际运行中， 换流阀是一种非线性结构， 是高压直流系统中的主要谐波源[8]， 其产生的谐波将会使得换流变压器谐波电流增大、 震动加剧、 铁芯损耗增加等问题。 一般来说， 换流站中71%～88%损耗都是由换流变压器和晶闸管换流阀引起的[9]， 所以对于换流变压器损耗的计算是非常关键的。 本文以逆变侧为例， 在PSCAD 中建立了LCL 型HVDC 系统的仿真模型， 在该模型中研究换流变压器的负载损耗问题， 并与LCC-HVDC系统进行对比。

1 LCL 型换流器介绍

1.1 拓扑结构介绍

图1 和图2 分别是LCC 和LCL 型换流器的拓扑结构图。

图1 LCC 型换流器拓扑结构图

图2 逆变侧LCL 型换流器拓扑结构

与LCC 型换流器拓扑结构相比， LCL 型换流器在换流变压器T 和12 脉波换流器之间加入了并联电容C 和限流电感L， 并去掉了原来交流侧的滤波器和无功补偿电容。 其中， 限流电感L 可以限制换流阀的di/dt 值， 并联电容C 可以起到滤波和无功补偿的作用。

经过原理样机实验和仿真研究， 发现LCL 型HVDC 系统不仅可以有效降低换流变压器的噪声，而且可以减小逆变器换相失败的发生概率。

1.2 L 和C 的取值介绍

限流电感的取值会影响换向角的大小， 相比于LCC 系统， LCL 系统中因变压器阻抗不变， LCL 系统可不考虑对于阀短路电流的限制， 因此换向角可适当减小， 即可减小换流器的无功消耗， 同时减小电感体积与本身损耗， 但换向角不宜过小， 否则将会导致谐波电流增大， 同时di/dt 的增大将会使得阀应力增加。 因此， 限流电感的取值应限制di/dt在换流阀可承受范围之内。

并联电容的功能除了提供直流电压与换向电压， 还要承担无功补偿与谐波抑制的功能， 理想的电容值应满足交流母线谐波限制和与交流系统较低的无功交换。 因此， 并联电容线电压应与变压器低压侧额定线电压接近。 对于并联电容的取值根据无功补偿的原理来计算， 并联电容所需要提供的无功与换流器和变压器所消耗的无功相平衡， 由此计算并联电容取值， 最后根据其他条件进行微小调整。

2 换流变压器的损耗

2.1 损耗介绍

换流变压器损耗由励磁损耗、 负载损耗、 电介质损耗和杂散损耗构成， 后两种损耗的数值相比励磁损耗和负载损耗来说很小， 一般可以忽略不计[10]。 负载损耗包括基波损耗和谐波损耗， 当换流变压器的谐波畸变率越大时， 相应的谐波损耗来说也就越大。 一般来说， 计算换流变压器的负载损耗的方法有以下三种[11-12]:

1) IEEE1158 方法1。 通过测量和计算得到换流变压器在基波和各次谐波下的有效电阻和谐波电流， 然后将基波损耗和各次谐波损耗相加得到总的负载损耗。

2) IEEE1158 方法2。 这是一种近似计算的方法， 直接利用同类型换流变压器用方法1 测量的已有数据， 推出各次谐波下的有效电阻， 并按方法1的步骤进行计算。

3) IEC61803 方法。 假定绕组中的涡流损耗与频率的平方成正比， 金属构件中的杂散损耗与频率的0.8 次方成正比， 通过在工频和一个倍频下测量换流变压器的负载损耗， 计算变压器绕组的工频下的涡流损耗及结构的杂散损耗， 然后用公式计算出总的负载损耗。

2.2 损耗计算

本文提出的损耗计算方法中， 选用第二种方法(IEEE1158 方法2) 进行计算， 该方法的具体计算过程如下[13]:

2) 计算其他谐波情况下的等效电阻Rn= knR1(kn为相对电阻系数， 见表1)。

表1 各特征谐波次数下的相对电阻系数

3) 将基波下的负载损耗和其他谐波下的负载损耗相加， 得到总的负载损耗:

忽略变压器磁饱和的影响和非线性因素时， 总电源可以看成是由不同谐波分量的独立源的叠加所构成的[14]。 图3 是第n 次谐波作用下变压器的等效电路图， 其中， In(1)、 In(2)为一、 二次侧的谐波电流； Rn(1)、 Rn(2)为一、 二次侧电阻； Xn(1)、 Xn(2)为一、 二次侧电抗； Rn(m)、 Xn(m)为励磁绕组等效电阻和电抗。

图3 n 次谐波下换流变压器的等效电路

通过叠加原理可知， n 次谐波下变压器所产生的损耗Pn如下所示:

变压器的总负载损耗P 为:

式中， P1为单相变压器的基波损耗。

3 仿真与计算

3.1 PSCAD 仿真模型介绍

LCL-HVDC 系统的仿真模型是在PSCAD 中根据荆门—上海±500 kV 直流输电工程建立的， 该工程的容量为3 000 MW， 直流额定电压为±500 kV，额定电流为3 000 A， 整流侧和逆变侧均采用12 脉波换流器。 图4 和图5 分别是在PSCAD 中建立的LCC-HVDC 和LCL-HVDC 系统逆变侧换流器的仿真模型图。

图4 LCC-HVDC 系统中逆变器的仿真图

图5 LCL-HVDC 系统中逆变器的仿真图

仿真模型中， 逆变侧换流变压器(单相Yy)的具体数据见表2。

表2 换流变压器部分参数

3.2 PSCAD 仿真数据

在LCC 和LCL 型HVDC 仿真模型中， 测量了逆变侧换流变压器阀侧绕组的电流波形， 如图6所示。

图6 逆变侧换流变压器阀侧绕组的电流波形

在PSCAD 中利用FFT 分析， 得到了换流变压器阀侧绕组的基波电流和谐波电流值， 见表3。

表3 换流变压器(Yy) 阀侧绕组谐波电流 A

从表3 中可以看出， 相较于LCC-HVDC 系统，LCL-HVDC 系统中基波电流值减小， 这是由于并联电容吸收了大量无功电流， 导致流入换流变压器的无功电流减小， 有功电流值基本不变， 因而电流的有效值减少。 除此以外， 高次谐波电流值也大大降低。

3.3 换流变压器负载损耗计算

根据表3 中得到的电流数据， 利用IEEE1158方法2 计算原系统和新系统中逆变侧换流变压器的负载损耗， 计算结果见表4。

4 结语

本文在PSCAD 中建立了荆门—上海的LCCHVDC 和LCL-HVDC 系统的仿真模型， 研究了逆变侧换流变压器的负载损耗问题。 通过仿真研究发现， 与LCC-HVDC 系统相比较， LCL-HVDC 系统中换流变压器阀侧绕组的谐波电流降低， 换流变压器的谐波损耗降低， 总的负载损耗降低约38.1%。