新型换流变压器的谐波电流分析与计算

Ｖｏｌ．４３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２００７
成 １２ 脉波的换流输出。 为了满足 １２ 脉动换流器的要求， 副边两组延边
三角形绕组的线电压相角差必须为 π／６。按照参考 电压相量图图 ２ 所示， 可得 π／３－ !－ !＝π／６， 求得偏移 角 !＝π／１２， 根据正弦定理求得匝数比 ｗ１／ｗ２＝０．５７７ ３， ｗ１ 与 ｗ２ 之间的比值由原、副边电压比决定。与传统 的换流变压器线电压相量对比发现， 新型换流变压 器要求两组延边三角形绕组的线电压分别左偏移 π／１２， 右偏移 π／１２。
２２．１ １２０ ２１．０ １２０ １５．８ － １２０ １４．５ － １２１ １０．０ １２０ ８．２４ １１９．９ ８．４８ － １２０ ６．１５ － １２１
２２．１ － １２０ ２１．１ － １２０ １５．８ １２０ １４．４ １１９ １０．０ － １２０ ８．３４ － １２０ ８．４８ １２０ ６．０４ １１９．８
ｐｅｎｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｅｎ， ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ
ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｂｒｉｅｆｌｙ ａｎａ－
ｌｙｚｅｄ． Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ
系统中谐波分布的特点， 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计算， 通
过对比仿真结果， 表明了谐波电流理论分析计算的正确性，
为新型换流变压器绕组线规的选择及滤波器参数设计提供
了科学数据。
关键词： 新型换流变压器； 无功补偿； 谐波屏蔽； 谐波分布
中图分类号： ＴＭ４０
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ ＨＶＤＣ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒ－
ｒｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ ｂｒａｎｃｈｅｓ ｏｆ ｎｏｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ， ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒ－
ｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ． Ｉｔ ａｌｓｏ ｈａｓ ｏｆｆｅｒｅｄ ｓｃｉｅｎ－
ｔｉｆｉｃ ｄａｔａ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒ．
参照图 ６ 的谐波电流流通图，
（ ２） 根据基尔霍夫电
流定律可求得流入滤波支路的谐波电流：
Ｉ&
$ $
ｎａ＋Ｉ
ｎａ′－ Ｉ
ｎｂ′－ Ｉ
ｎｆａ′＝０
Ｉ$$
# $
ｎｂ＋Ｉ
ｎｂ′－ Ｉ
ｎｃ′－ Ｉ
ｎｆａ′＝０
（ ３）
$
Ｉ$$
%
ｎｃ＋Ｉ
ｎｃ′－ Ｉ
ｎａ′－ Ｉ
ｎｆｃ′＝０
三绕组变压器的等值电路见图 ４。ｒ１′， ｒ２′和 ｒ３ 分 别 为 对 应 于 绕 组 １， ２ 和 ３ 的 等 值 电 阻 ； ｘ１′， ｘ２′和 ｘ３ 分别为对应于绕组 １， ２ 和 ３ 的等值电抗； 其中 “上 撇”表示折算到 ３ 绕组侧。在结构设计中， 按图 ５ 所 示的绕组布置方式， 通过调整变压器绕组尺寸等参 数， 即可使 ２ 绕组的等值电抗接近于零［３ ， １４］。根据图 ４ 的等值电路分析， 如果绕组 ３ 为谐波源， 由于中间 绕组 ２ 的等值阻抗接近于零， 则大部分谐波电流从 绕组 ２ 中流过， 通过滤波支路短路， 这样在绕组 １ 中 流过的谐波电流很小， 从而达到谐波屏蔽的目的。
第 ４３ 卷 第 １ 期 ２００７ 年 ２ 月
高压电器
Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ
抗 Ｚ１＝０．４３７ ２ Ω； 二次侧公共绕组电压 Ｕ２＝１９６．７０ Ｖ， 等值电抗 Ｚ２＝０．０００ ５３２ Ω； 二次侧廷伸绕组电压 Ｕ３＝ １１３．５７ Ｖ， Ｚ３＝０．１１３ ５ Ω。因此， 公共绕组的等值电抗 满足谐波屏蔽的要求。
１．２ 无功补偿和滤波新方案 根据新型换流变压器绕组接线的特点， 在延边
绕组和公共绕组的公共抽头处接入 ５， ７， １１ 和 １３ 次 滤波支路， 为换流器产生的谐波电流提供短路通道， 同时兼作无功补偿， 见图 ３。与传统的无功补偿和滤 波方案相比， 新方案可大大降低电容器电压等级， 使 得电容器成本显著减少， 具有良好的经济效益［１３］。
１／６ 周期； &#流窜至网侧的谐波电流为零。在如上假
设条件下， 由换流器产生的基波和谐波电流有效值
可按式（ １） 计算［１５－ １６］：
"
$
$$Ｉ１＝
$ $
!６ π
Ｉｄ
#
$
$
Ｉ ＝ $
$ $
ｎ
%
!６ ｎπ
Ｉｄ
（ ｎ＝６ｋ±１， ｋ＝１， ２， ３， …）
采用新型换流变压器的直流输电系统中，
（ １） 换流
现 象 可 从 两 个 方 面 来 解 释 ： "#谐 波 电 流 理 论 计 算 时， 忽略了换相过程。但是仿真过程中， 换相过程 是存在的， 由于换相角的存在使得谐波电流降低； $# 在 计 算 阀 侧 的 公 共 绕 组 感 生 的 反 谐 波 电 流 时 ， 假设了新型换流变压器谐波完全屏蔽于阀侧。但 由于公共绕组等值阻抗不完全为零， 因此仍有小 部 分 谐 波 电 流 流 窜 至 网 侧 。从 总 体 上 看 ， 计 算 结 果 与仿真结果能很好地吻合， 说明了理论分析的正 确性， 可以应用在工程中。
３ 谐波电流的分析计算与仿真
３．１ 谐波电流的分析计算 基于上一节的谐波屏蔽原理， 将新型换流变压
联立求解式（ ２） ， 式（ ３） ， 即可计算出阀侧绕组及 滤波支路中谐波电流的大小和相位关系。 ３．２ 算例仿真
以基于新型换流变压器直流输电平台的整流侧
为例， 基 本 参 数 为 ： "#单 极 输 送 功 率 Ｐｄ 为 １００ ｋＷ， 单极直流电压 Ｕｄ 为 １ ０００ Ｖ， 直流电流为 １００Ａ。$#整 流器为 ６ 脉动， 双桥、单极运行， 触发角 α＝１５°。%#新 型换流变压器一次侧额定相电压 Ｕ１＝２２０ Ｖ， 等值电
文献标识码： Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａ ｎｏｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｉｓ ｉｎ－
ｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄｉｎｇｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ
ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍ－
收稿日期： ２００６ －０５ －２４ 作者简介： 许加柱（ １９８０－ ） ， 男， 博士研究生， 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
变压器的研制及高压直流输电理论研究工作。
·４６·
第 ４３ 卷 第 １ 期 ２００７ 年 ２ 月
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２ 谐波屏蔽原理
器的原边绕组、公共绕组和延边绕组分别与图 ５ 中
的 １， ２， ３ 相对应。在变压器设计时， 将公共绕组的等
值阻抗设计为零， 滤波器接入方式见图 ３。这时， 网
源自文库
侧的谐波分量接近于零。分析计算新型换流变压器
谐波时假设： "#忽略换相过程； $#整流器逆变器各桥
臂的参数平衡； %#６ 阀以等间隔依次轮流触发相隔
题［１－ ２，５－ ６］， 提出了如图 １ 所示的新型换流变压器的 绕组改进方案， 以 Ａ 相电压为基准电压， 新型换流 变压器的电压相量图见图 ２， 其中原边、公共边和延 伸边绕组匝数分 别为： ｗ１， ｗ２， ｗ３， 其特点 是将传统换 流变压器的副边绕组改进为两个外延三角形绕组， 延伸边绕组引出线分别与两组换流器连接， 共同构
根 据 上 面 的 直 流 输 电 平 台 参 数 ， 在 Ｍａｔｌａｂ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 下建立了基于新型换流变压器直流输电系 统整流侧仿真模型， 见图 ７。新型换流变压器仿真模 块见图 ８。
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在直流输电系统中， 以 ５， ７， １１ 和 １３ 次谐波含 量最为严重。因此， 在计算和仿真中， 主要提取这 ４ 种谐波电流的大小和相位关系， 结果见表 １。计 算过程中应注意各次谐波的相序关系。从表 １ 中 可以看出谐波电流理论计算值都比仿真值大， 该
影响并留出相应的安全裕度［１－ ６］。近年来， 随着直流 输电技术的新发展， 串联电容器换相换流器 ＣＣＣ 和 可控串联电容器的换流器 ＣＳＣＣ 技术以其良好的工 作性能在工程中得到了应用［７－ １２］。然而传统的补偿 方式。包括并联补偿加滤波器、ＣＣＣ 和 ＣＳＣＣ 技术等 都不能在阀侧同时实现无功补偿和滤波。
第 ４３ 卷 第 １ 期 ２００７ 年 ２ 月
文章编号： １００１ －１６０９（ ２００７） ０１ －００４５ －０４
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Ｖｏｌ．４３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． ２００７
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新型换流变压器的谐波电流分析与计算
许加柱，
罗隆福， 刘福生， 张志文， 李 季，
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｎｏｖｅｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ； ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ
ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ； ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ；
ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
０ 引言
换流变压器是整个直流输电系统中的重要设 备。在传统的直流输电系统中， 换流器产生的大量 谐波电流通过换流变压器的原、副边绕组， 而系统只 能在网侧进行无功补偿和滤波。这些谐波的存在显 著增加了变压器绕组、铁心和钢结构件中的杂散损 耗， 因此在换流变压器的设计过程中， 必须考虑这些
器产生的谐波电流流入延边绕组， 见图 ６。以 Ａ 相电
流为基准电流， 谐波电流通过延边绕组时， 会产生谐
波磁势。该谐波磁势主要被公共绕组中感生的反谐
波磁势平衡， 因此根据谐波磁势安匝平衡可得：
Ｉ&
$ $
ｎａｗ３＝Ｉ
ｎａ′ｗ２＝０
Ｉ$$
# $
ｎｂｗ３＝Ｉ
ｎｂ′ｗ２＝０
$
Ｉ$$
%
ｎｃｗ３＝Ｉ
ｎｃ′ｗ２＝０
（ 湖南大学电气与信息工程学院， 湖南 长沙 ４１００８２）
李勇
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｒ ｍｏｎｉｃ Ｃｕｒ ｒ ｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｎｏｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒ ｔｅｒ Ｔｒ ａｎｓｆｏｒ ｍｅｒ ＸＵ Ｊｉａ－ｚｈｕ， ＬＵＯ Ｌｏｎｇ－ｆｕ， ＬＩＵ Ｆｕ－ｓｈｅｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ－ｗｅｎ， ＬＩ Ｊｉ， ＬＩ Ｙｏｎｇ
谐波次数
计算类型
延 ａ相
边 绕
ｂ相
组 ｃ相
公 ａ相
共 绕
ｂ相
组 ｃ相
滤 ａ相
波 支
ｂ相
路 ｃ相
表 １ 谐波电流计算结果和仿真结果
５
７
１１
１３
计算值
仿真值
计算值
仿真值
计算值
仿真值
计算值
仿真值
幅值 相角 幅值 相角 幅值 相角 幅值 相角 幅值 相角 幅值 相角 幅值 相角 幅值 相角
２２．１ ０ ２１．０ ０．６１ １５．８ ０ １４．５ － ０．５８ １０．０ ０ ８．２４ － ０．０５ ８．４８ ０ ６．１３ ０．５５
（ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２， Ｃｈｉｎａ）
摘要： 介绍了一种新型换流变压器， 利用新型换流变压器绕
组接线的特点， 提出了一种全新的滤波和无功补偿方案。简
要 分 析 了 新 型 换 流 变 压 器 谐 波 屏 蔽 原 理 。针 对 高 压 直 流 输 电
１２．７ ０ １２．１ ２．３７ ９．１０ ０ ８．３３ ０．８９ ５．７９ ０ ４．７３ １．１５ ４．９０ ０ ３．５５ １．２５
笔者介绍一种新型换流变压器， 并提出一种全 新的滤波和无功补偿方案， 简要分析了新型换流变 压器的谐波屏蔽原理。根据直流输电系统中谐波分 布的特点， 对基于新型换流变压器的直流输电系统 中绕组及滤波支路的谐波电流进行了分析计算， 并 进行了仿真对比研究。
１ 新型换流变压器及无功补偿和滤波 新方案
１．１ 绕组接线方案 针 对 传 统 的 Ｙ／Ｙ／Ｄ１ 换 流 变 压 器 存 在 的 问