高压换流站交流侧滤波装置设计研究

王 邕

(杭州余杭城市建设集团有限公司，浙江 杭州 310000)

随着工业和科技的不断发展，电力需求也越来越大，特高压输电应运而生，不仅能够减少成本损耗，还能提高输电效率[1]。随着越来越多的分布式发电效率不断提高，风电、光伏等不同的发电形式实现并网，其通过交直流混联的方式展开特高压输电，成为目前电力供应的发展方向[2-3]。然而，换流装置或光伏发电设备在运行过程中会引起大量的谐波电压和谐波电流，进而对电网以及用户造成严重的影响[4]。因此，需要针对抑制交流系统谐波以及无功补偿展开进一步研究。

换流站作为特高压输电的重要环节，承担了交直流转换的工作，然而其也是一个重要的谐波源。在转换过程中，换流器将引起大量的谐波，造成其交流侧以及直流侧都会出现严重的电压畸变[5]。针对12脉动的换流器系统，当以理想情况下运行时，在系统的交流侧会出现12k±1次的特征谐波，在其直流侧会出现12k次的特征谐波[6]。现实中不存在理想情况下运行，其换流站的换流阀触发延迟角不同或者触发脉冲间隔距离不一致、各相阻抗以及变比也不完全相等，将会引起交流侧以及直流侧出现非特征谐波[7-9]。因此，需要在换流站的谐波源处进行相关且有效的滤波处理。

传统的在交流侧采取滤波的方法为在换流器网侧母线上并联滤波装置，能够在一定程度上抑制谐波，起到滤波作用[10-11]。然而，在对滤波器进行设计时，需要展开其稳态定值计算，即得到各部件将会产生的最大电压和电流，进而分别获得交流系统阻抗和滤波器阻抗的相匹配，否则将无法克服换流器的无功功率以及谐波对自身造成的影响[12-14]。传统的滤波器采用无源的方式，但由于交流系统的电阻和电抗取值不是互相独立的，造成其参数匹配不足，在一定程度上限制了滤波器的滤波作用[15-16]。因此，亟待对既可以有效地抑制谐波、还可以提供部分无功补偿的换流站交流侧滤波器进行研究。

为了提高换流站交流侧的谐波抑制效果，本文对高压换流站交流侧滤波装置进行了深入研究与设计。首先针对无源滤波器的结构及原理展开详细分析，并构建滤波器阻抗的目标函数，进而对其阻抗进行匹配。根据直流输电检修状态时谐波特性，设计无源滤波器的配置方案和参数设定，并搭建仿真模型，进而对滤波器的品质因数进行选择，验证该滤波器对换流站交流侧谐波抑制效果，其结果具有一定的工程实际意义。

1 无源滤波器原理及设计

高压换流站交流侧受谐波影响较大，造成其波形发生严重畸变，从而对交流系统引起不可忽视的影响，在谐波产生处需要进行滤波处理。无源滤波器是一种具有较易控制、可靠性高等优势的交流滤波器，在工程应用中得到了广泛的应用。其结构主要由电容、电感以及电阻组成，将此3种元件通过不同组成形式能够得到不同的无源滤波器结构，装设交流滤波器能够有效滤除谐波，还能够给换流器自身进行部分无功功率补偿。

相对有源滤波器，无源滤波器具有结构简单、成本低廉、可靠性高、运行维护简单等优点，其主要有调谐滤波器以及高通滤波器2种形式。其中调谐滤波器又分为单调谐滤波器和由2个单调谐滤波器组成的双调谐滤波器[17]。

单调谐滤波器主要由电感L、电阻R以及电容C串联组成。系统在第h次谐波的阻抗被定义为：

(1)

式中，fh和ωh分别为系统第h次单调谐滤波器的频率以及角频率；ω1为工频角频率。

根据阻抗频率特性，频率f值为：

(2)

此时，单调谐滤波器的滤波效果最佳。因此在针对消除某次谐波时，应调整单调谐滤波器谐振频率满足式(2)，进而使得谐波的阻抗值为0，能够有效进行谐波滤除，否则无法达到预期的滤波效果。

双调谐滤波器类似由2个单调谐滤波器并联构成，因此其能够针对2种不同频率的谐波进行治理，其第h次谐波的阻抗被定义为：

(3)

双调谐滤波器通过谐振原理对谐波进行治理，与单调谐滤波器相比，双调谐滤波器具有能够降低设备成本、便于维护等特点。但是由于其结构较为复杂、调谐不易，容易引起滤波支路并联谐振，造成母线谐波放大或者滤波器出现过电压。

高通谐滤波器主要有一阶高通谐滤波器、二阶高通谐滤波器、三阶高通谐滤波器以及C型高通谐滤波器，其由电容、电阻以及电感以不同形式构成，结构如图1所示。

从图1(b)的二阶高通滤波器结构能够得到，将电感L和电阻R并联，进而可以得到一个较低的阻抗频率范围。设定一个临界频率fr，若系统频率较低于该临界频率，则滤波器的阻抗将会有显著增大，进而阻碍低次谐波电流流通。反之，若系统频率较高于该临界频率，阻抗较小，总阻抗基本保持稳定，阻抗特性曲线如图2所示。

图1 高通谐滤波器结构

图2 二阶高通谐滤波器阻抗特性曲线

该临界频率fr即为截止频率，具体表达式为：

(4)

其高通滤波器的谐波阻抗被定义为：

(5)

在滤波装置设计时，需要对滤波器的阻抗与交流侧阻抗进行稳态计算，进而获得滤波器的定值结果。其系统阻抗区域可以通过图3进行判断。其中，Zmax和Zmin分别为最大阻抗以及最小阻抗；φmax和φmin分别为最大阻抗角和最小阻抗角；rmin为最小电阻限制。

图3 交流侧系统阻抗区域

根据阻抗区域在其中选择一个阻抗值Zn，该值与滤波器串联后得到的阻抗ZS值最小，进而将会得到谐波电压在滤波器高压端产生的谐波电压值最大。其阻抗幅值表示为：

|ZS|=|Zf+Zn|

(6)

其中，参数Zf与Zn分别被定义为：

(7)

将式(6)、式(7)进行简化，进而得到：

|Zf+Zn|2=(Ra+Rb)2+(Xa+Xb)2

(8)

因此，阻抗稳定计算的目标函数变化为：

(9)

式中，Ra和Xa分别为滤波器的电阻值以及电抗值；而Rb和Xb分别为交流侧系统阻抗的电阻值和电抗值；A为阻抗区域。

由于二阶高通滤波器在4种滤波器中具有滤波效果佳、阻抗稳定受频率变化影响小、配置方案灵活且成本低等优点，在工程中得到广泛应用。

将交流滤波器设置在交流侧中无法阻碍换流站谐波对系统的影响，针对换流站受到大量的特征以及非特征谐波对交流侧的影响，设计其滤波器需装设在谐波源处。依据换流原理能够得到换流器所需的无功功率为[18]：

(10)

式中，Qd为换流器所需的无功功率；Ud与Id分别为直流侧的电压以及电流大小；cosφ为换流站的功率因数；δ为换流器的触发角；θ为换流器的换相角。

换流站中的无功补偿总容量Qt需要符合：

(11)

式中，Qa、Qd和Qs分别为换流站交流系统所产生的无功功率、换流站所需要的无功功率以及换流站所备用的无功容量；Ua为换流站里交流母线电压的标幺值，在设计过程中通常取值1.0。

2 滤波装置仿真模型建立

无源交流滤波器主要起到了滤波以及在基频中实现对无功功率的补偿效果。本文设计双极双12脉动换流器，主要使用单调谐滤波器与高通无源滤波器。系统运行时，滤波器将会从交流侧吸纳很多的无功功率，并且在稳定状态下，所消耗的无功功率大致是传输功率的一半。

在双极全压运行的情况下，换流站母线的奇次谐波含量最多，其中第3、11、13、23以及25等奇次谐波含量较为严重。通常临界频率fr的取值为滤波器中最高调谐次数基础上再加1，因此，在主要为奇次谐波出现波形畸变情况下，其临界频率fr的值设定为750 Hz。换流站无功配置分配：无功总量为6 000 Mvar；并联电容器组容量8×380 Mvar；大组最大容量4×1 540 Mvar；交流滤波器组容量12×260 Mvar；小组最大容量20×350 Mvar。

为了避免交流滤波器出现断路器故障进而引发母线故障，在其接入方式选择利用由多个交流滤波器小组组成一个大组，通过单母线的方式对接至换流站母线。每组换流站交流滤波器的配置方案如图4所示。其中各部分表示滤波器类型，所标数字表示此滤波器主要抑制几次谐波。根据换流站无功分配参数进行计算分析，得到滤波器有关参数的设置见表1。

图4 交流滤波器的配置方案

表1 换流站内交流滤波器参数设定

滤波器的品质因数能够表达其调谐效果的有效程度。调谐滤波器中，品质因数K的计算表达式为：

(12)

品质因数为在出现谐振时，电抗大小X与电阻值R的比例关系。通常在低次谐波中，主要使用品质因数高的滤波器，一般取值30～60；而在高次谐波中，主要使用质因数低的滤波器，一般取值0.5～5.0。

3 仿真结果分析

3.1 品质因数仿真结果

选择某330 kV发电厂在夏季大负荷情况下运行进行计算分析，在ETAP软件中搭建出等值模型如图5所示。控制方式设为电压控制方式。

图5 发电厂仿真等值模型

发电机组等值成2台容量为300 MW的发电机，各自通过一台变比为20 kV/330 kV、容量为360 MVA的双绕组变压器和母线进行连接。在“负载”界面对负荷数据进行相关设置，现有功率因数以及期望功率因数分别设定为0.90和0.92。

为了能够让电容器安全运行，电容器的额定电压设定为比母线额定电压高10%，即设定额定电压为363 kV，最大电流为200 A。在交流侧的12个谐波源处设置滤波器，由于该滤波器由单调谐滤波器与高通无源滤波器构成，综合考虑2种滤波器的品质因数典型取值后，令调谐谐波滤波器的品质因数K分别设定为30和50。装设滤波器前后的谐波电压谐波电压波形如图6所示。从图6中可以看出，当未加装滤波器时，其受谐波影响较为严重，主要谐波次数为3、5、7、9以及11次。加装了品质因数设定为30或50的滤波器后，其滤波效果明显。针对谐波次数3、5、7、9以及11次的情况，品质因数为50的滤波器效果略优于品质因数为30的滤波器，因此，将调谐滤波器的品质因数均设定成50。

图6 不同品质因数仿真结果

3.2 母线谐波仿真结果

在直流输电进行检修情况下，换流站母线处将会引起大量谐波。为了使交流侧电流不影响换流站，在其12个谐波源处装置滤波器，并采用单调谐无源滤波器以及高通无源滤波器的形式，其滤波器参数设置见表2。

表2 换流站无功分配参数设定

在交流侧谐波源处加装12个滤波器装置前后，换流站母线谐波电压含有率仿真结果如图7所示。从图7中可以看出，在加装滤波器前，母线谐波电压含有率较高，尤其是奇次谐波中，其谐波总畸变率达到1.8%；在加装滤波器后，其滤波效果显著，针对谐波次数高的第3、5、7、9次谐波也有明显的抑制效果，其谐波电压含有率均在0.1%以下，谐波总畸变率大幅度下降，仅为0.14%。因此，表明所设计滤波器可以对各次谐波，尤其是奇次谐波起到较显著的抑制效果。

图7 母线谐波电压含有率仿真结果

3.3 直流双极全压下仿真结果

当系统直流双极在全压情况下运行时，高压换流站交流侧会产生大量特征或非特征谐波，因此，需要在换流站交流侧加装滤波器。装设滤波器前，交流母线处各次谐波电压畸变率频谱图和电压波形图仿真结果如图8所示。从图8中能够看出，在直流双极在全压情况下运行时，未装滤波器的换流站母线处出现较为严重的谐波畸变，尤其是11、13、21以及23等次谐波畸变幅度最大，在第11次谐波畸变幅度达到5.71%。对比电压频谱和电压波形能够得到，当谐波畸变率越大，谐波电压的波形也越不光滑，波动越大，因此电压波形受到特征量的谐波电压畸变率的影响大。

图8 装设滤波器前谐波电压频谱及波形仿真结果

装设滤波器后，交流母线处各次谐波电压畸变率频谱图和电压波形仿真结果如图9所示。从图9中可以看出，在滤波器作用下，系统的谐波电压含有率得到有效抑制，其结果仍表现为对第11次谐波畸变幅度达到最大，该次谐波电压含有率已由原来的5.71%下降至0.19%，该次谐波电压含有率抑制效果最为显著。其余各次谐波电压含有率也有不同程度的降低。对比电压频谱和电压波形得到，由于谐波得到了有效抑制，因此其谐波电压含有率也大大降低，使得电压波形变得较为光滑，电压波动大大减小。进而表明设计的滤波器的滤波效果显著，能够保障系统的稳定运行。

图9 装设滤波器后谐波电压频谱及波形仿真结果

3.4 不同滤波装置对比

为了进一步验证所提滤波器的效果，选择典型的有源滤波器进行换流站母线谐波抑制效果对比，其滤波电感设定为1.3 H，其余系统电压等参数与前设置一致。治理后谐波电压含有率结果见表3。从表3中可以得出，在直流输电进行检修和直流双极全压情况下，本文所设计的滤波装置滤波效果略优于有源滤波装置，且具有成本低廉的优势，该结果对未来谐波抑制的研究具有重要意义。

表3 不同滤波装置母线谐波抑制效果

4 结论

本文研究了高压换流站交流侧滤波装置设计。针对直流输电检修状态时谐波源及谐波特性，对无源滤波器的结构及原理进行了分析，提出稳态计算的目标函数，并在交流侧谐波源处设计滤波器。通过仿真表明：在330 kV发电厂在夏季大负荷运行情况下，加装品质因数K为30或50的滤波器后，能够有效对奇次谐波进行抑制，且K为50时滤波效果更为显著；在直流输电进行检修情况下，换流站交流侧谐波源处加装12个滤波器装置后，能够有效抑制谐波，尤其针对第3、5、7、9次谐波抑制效果显著，其谐波总畸变率从1.750%降至0.135%。当系统直流双极在全压情况下运行时，换流站母线处产生严重的谐波畸变，尤其在第11次谐波畸变幅度达到5.71%，且谐波畸变率越大，其电压波形畸变也越大；加装滤波器后，能够有效抑制系统的谐波电压含有率，第11次谐波畸变降至0.19%，且电压波形也变得光滑。结果表明设计的滤波器方案能够对换流站产生的谐波起到很好的抑制作用。此外，所设计的高压滤波装置与有源滤波装置进行对比，其谐波抑制效果略优于有源滤波器，且具有成本较低的优势。因此，该结果对未来谐波抑制的研究具有重要参考意义。