HVDC谐波分析

cos

1 2
[cos

cos(


)]
Pd Ud I d
Qc Pd tan

（5）
式中 为触发角， 为换相角。
3 算例分析
以在建的基于新型换流变压器的直流输电系
统实验平台的整流侧为例，
（1）换流器为 12 脉动，触发角 15 ，换相角 20 ， 并 以 单 极 方 式 运 行 ， 直 流 侧 输 出 为
3
4结论
（1）在解决高压直流输电交流侧的谐波抑制 和无功补偿问题，提出了一种新颖的滤波方案。通 过将传统安置于网侧滤波设备移至新型换变压器 副方绕组抽头上，使谐波从传统的调谐分流到隔离 屏蔽，传送到网侧的谐波含量大为减少。
（2）建立了基于新型换流变压器的 HVDC 输 电系统模型，设计出配套的滤波装置。算例分析表 明应用该滤波装置的新型换流变压器能够有效的 滤除 HVDC 交流侧的谐波。
5
5.7958
537.4012
30.4374
6
7
2.9570
537.4012
21.9503
6
11
1.1975
537.4012
14.3606
6
13
0.85736 537.4012
12.3676
6
HP2
0.1005
537.4012
19.079
6
表 4 新系统谐波分析比较
5
7
11
13
谐波源电流/A
13.72 8.6589 3.6507 2.2483
致谢
作者感谢湖南省科技厅, 特变电工衡阳变压 器有限公司, 湖南大学, 变流技术国家工程研究中 心给予的大力支持和帮助。
参考文献
[1] 赵东元，金春莲等. 高压直流输电系统中的滤波装置[J]. 国际 电力，2002，6（2）：38-40
[2] 张秀才. 500kVHVDC 南桥换流站交直流滤波器分析[J]. 电力电容 器，1997，（1）：22-34
关键词：高压直流输电; 换流变压器; 滤波装置; 谐波屏蔽; 自耦补偿1
1 引言
在高压直流输电系统(HVDC)中，由于换流器 的非线性特征，在交流系统和直流系统中不可避免 的产生大量的谐波电压和谐波电流，对系统本身和 用户都会造成影响和危害。对于交流系统的滤波来 说，传统的滤波方式一般是在换流变压器网侧的母 线上并联滤波器装置，兼作无功补偿设备。该种方 式虽能较好的解决交流系统的谐波抑制和无功补 偿问题，但并未克服通过换流变压器的无功和谐波 对变压器本身所带来的影响；并且在现有的直流输 电工程运行中仍然大量出现交直流侧谐波超标的 现象，因此有必要采取更加有效的滤波设计[1-2]。
谐滤波器各元件参数：
A1
C
B
A2
w0 wh1wh2
h0

w0 2f
（3）
VC1A1
VA1B1
VC 2 A2
VA2B2
B1 C2
C1
VB1C1
VB2C 2
B2
图 2 绕组电压相量图
2.2 谐波抑制方案
新型换流变压器副方绕组及其配套滤波装置
单相模型如图 3 所示，即将传统换流变压器的副方
5
1.9319
537.4012 31.0448
6
7
0.98567
537.4012 22.7851
6
11
0.39916
537.4012 15.6068
6
13
0.26579
537.4012 13.7951
6
HP2
0.03515
537.4012 31.6222
6
表 3 滤波器 型联结相应电抗器参数
调谐次数 电感量 mH 峰值电压/V 有效电流/A 个数
基于新型换流变压器 HVDC 谐波分析与仿真计算
李 季, 罗隆福, 许加柱，李 勇, 刘福生
（湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082）
摘 要：在构成高压直流输电系统一系列关键技术中，滤波 装置占据十分重要的地位。本文提出了一种具有内部三角形 绕组新颖的自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器，将传统交流滤 波装置移至绕组内部即在换流变压器副方公共绕组串接 5、 7、11、13 次滤波支路的接线方案，让谐波源无法流窜到高 压网络中，有效的抑制了直流输电系统中的谐波成分。最后 以新型换流变压器及相关的直流系统技术参数为依据，结合 滤波装置为新型换流变压器的自补滤波提供谐波通道及满 足换流器无功需求的特点，对基于新型换流变压器的直流输 电系统中绕组及滤波支路谐波电流进行了详细的分析和仿 真计算, 仿真结果表明, 本文提出的新兴换流变压器原理正 确，参数选择合理，滤波效果好，总谐波含量低，具有良好 的应用前景。
自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器通过特有的 绕组连接方式，辅之以必要的滤波装置，不仅能满 足交流系统的滤波及无功需求，而且能解决上述传 统换流变压器以及直流输电系统中存在的问题，较 之传统换流变压器及无源滤波装置有诸多优点。本 文以新型换流变压器原理机及相关换流直流系统 的技术参数为依据，对基新型换流变压器的 HVDC 交流侧的滤波装置进行分析设计,各次谐波泄露量 均能达到谐波国家标准，从而达到理想的综合补偿 效果。
而网侧绕组与之平衡的谐波将会很小接近于零，相
当于谐波得到了滤除和屏蔽；
（2）要求电容器的电压等级降低，电容器容量得
到充分利用；
（3）滤波器即可以为谐波电流提供短路通道，起
到滤波之用；又兼作基波的无功补偿，起到双重功
效。
图 3 变压器单相谐波抑制方案
2.3 滤波装置设计 新型换流变压器配套滤波装置采用在副方公
（3）由 n 次谐波电流与换相角 、触发角 之
间的函数关系，可以得到换流器交流阀侧 n 次谐波 电流与基波电流之比。5 次、7 次、11 次、13 次谐 波电流与基波电流之比如表 1 所示。
表 1 阀侧谐波与基波电流之比
基波或谐波次数 1
5
7
11 13
次谐波含有率% 100 17.682 11.159 4.7048 2.8975
共绕组出线端接入抽头滤波器, 包括双调谐滤波器 DT5/7 和 DT11/13 进行滤波, 如图 3 所示。
基于新型换流变压器的谐波抑制基理, 双调谐 滤波器参数可完全按照全调谐要求进行设计设。双 调谐并联谐振频次为 h0 ，滤波器提供的无功为 QS(1) ，滤波器装设处母线电压为 V ，基波角频率为
基波或谐波电流/A 77.595 13.72 8.6589 3.6507 2.2433
（4）系统所需的无功容量由式（7）公式求得。 （5）计算通过（2）-（6）式分别计算得出的新 型换流变压器抽头处单调谐滤波器设计参数见表 2、3 所示。
2
表 2 滤波器 Y 型联结相应电抗器参数
调谐次数 电感量 mH 峰值电压/V 有效电流/A 个数
绕组改为图示的延边三角形连接。延边端点引出作
为换流变压器的输出端，与换流器连接；中间三角
形引出的抽头 a2 与针对 5、7、11、13 次四种特征
谐波滤波装置连接。本方案有以下特点：
（1）根据变压器同一铁芯柱上个绕组电流安匝平
衡原理，利用滤波器使副方的延边绕组与公共绕组
谐波电流所产生的安匝数相互抵消或大大减少，从
罗隆福 (1962-), 男，湖南常德人，汉族,教授，博士生导师， 主要从现代电器装备新技术研究及其优化设计工作，高压直 流输电新理论研究工作
4
考电压相量图 2 所示，根据正弦定理,可计算求得
kc
W2 W1
0.8966
（1）
ke
W3 W1
0.5176
（2）
其中,W1 、W2 和W3 分别为变压器网侧绕组, 延 边绕组和公共绕组的匝数; kc 和 ke 分别为延边绕
组与网侧绕组、公共绕组与网侧绕组之间的匝比。
d1
I

I 1
1000V/100A。 （2）单相新型换流变压器一次侧绕组电压 U1 =
220V，等值电抗 X1 =0.4292 ，二次侧公共绕组电 压U2 =196.7025V，等值电抗 X 2 =0.002111 ，二次 侧 延 边 绕 组 电 压 U3 =113.5662V ， 等 值 电 抗 X3 =0.1304 。
这在接线方式上相当于将传统变压器原方网侧的
无源滤波装置移到副方绕组的中部，以利发挥自补
滤波的作用，改善与消除传统滤波与无功补偿的不
足 [3] 。
新型换流变压器要满足 12 脉波换相要求时，I 桥和 II 桥相电压分别左移 15 ，右移 15 。设变压
器网侧，阀侧线电压比为 1。原边匝数为 1p.u; 参
流入交流网侧谐波电流/A 0.3337 0.1397 0.0310 0.0155
国家允许谐波电流/A 0.66638 0.47291 0.30095 0.25795
为了进一步验证采用该种滤波装置的自耦补 偿与谐波屏蔽换流变压器对谐波的屏蔽效果，以及 形象地描述带滤波装置的新型换流变压器滤波原 理，本文采用 MATLAB 电力系统仿真模块 PSB 对 该新型换流变压器带滤波装置的等值电路建模，其 滤波效果的仿真结果如下图所示。
w0 为中心频率
L1

1 w0 2C1
L2


wh1 w0
2
2 1

w12C1
C1

V
QS (1)
2 w1
h0 2 h0 2 1

C
2

1 w0 2 L2
（4）
其中滤波装置的无功容量必须满足换流器本身的
无功消耗, 所以按照设计时的运行条件,换流器的 无功功率由下式确定:
2 新型换流变压器工作机理
2.1 接线方案
与传统换流变压器相比，新型换流变压器副边
绕组有抽头引出接辅助滤波装置，这势必改变绕组
间的电磁关系。图 1 所示为用于 12 脉动 HVDC 的
新型换流变压器绕组接线与辅助滤波兼无功补偿
设备布置图。由图可知，新型换流变压器副方采用
延边三角形连接，中间引出抽头接辅助滤波装置，
由图 4、5 副方延边绕组与公共绕组的电流与 频谱可知，由于滤波装置的合理配置，在各自频率 下，谐波绝大部分被引流到滤波装置，在延边绕组 通过谐波电流影响下，公共绕组产生相应的谐波电 流，两者的作用磁通相反。而与此同时，在工频下， 滤波装置呈容性，对基波加以无功补偿，公共绕组
的基波分量与延边绕组相比变小，故公共绕组的谐 波畸变率会相应变大。这正体现了采用滤波装置的 新型换流变压器对谐波屏蔽，对基波补偿的特点。 由图 6 可知，原方绕组的电流畸变率很低，采用滤 波装置的新型换流变压器对谐波有很好的滤波效 果。由原边注入交流网侧系统的谐波电流见表 4。
[3] 赵畹君. 高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社 2004.
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[6] 李群湛，贺建闽. 单调谐滤波器优化设计及滤波效果[J].铁道学 报 1995,17(4):15-21.
A

IA
a( y)

I
c( )

I

Iby b(z)
I

e1
I cz

I2
o
f1

d2
I3
C
ຫໍສະໝຸດ Baidu

IOU

IB B
a( y)
c( )
f2
b(z)
b2
e2
图 1 新型换流变压器接线方案
湖南省重大科技攻关项目(05GK1002-1)
A
w1 。滤波器设计时 wh1 、 wh2 已知，推导可得双调
[7] 任震，曾坚永，张勇军. 基于遗传算法的直流输电系统中混合交 流滤波器的优化设计 [J].电网技术 2004,28(21):22-25.
作者简介:
李季 (1981-)，男,湖南衡阳人, 汉族,本科毕业于西安交通大 学, 现于湖南大学攻读博士学位, 主要从事现代电器设备的 设计、优化及仿真研究，自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器的 研 制 及 对 应 的 高 压 直 流 输 电 新 理 论 研 究 工 作 。 Email: edisonjep@hotmail.com