殷培峰，馬應(yīng)魁，馬莉

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060)

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家“西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”戰(zhàn)略方針的實(shí)施，加快建設(shè)以百萬(wàn)伏級(jí)交流和±800kV、±1 000kV級(jí)直流輸電系統(tǒng)為核心的電力網(wǎng)架。由于高壓直流輸電可適合遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能，適合大區(qū)電網(wǎng)非同步互聯(lián)，具有線路造價(jià)低，功率損耗小，功率調(diào)節(jié)迅速靈活等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)的輸電工程中的占比迅速上升。但由于換流器的非線性特性，在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，當(dāng)流入交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)后，會(huì)嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，對(duì)換流器產(chǎn)生的諧波要進(jìn)行準(zhǔn)確分析，并通過(guò)不同類型濾波器裝置的合理配置，有效處理諧波對(duì)供電系統(tǒng)、用戶和周圍電氣環(huán)境造成的危害，才能保證高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 換流器產(chǎn)生的諧波類型分析

目前，從我國(guó)已投入使用的特高壓直流輸電系統(tǒng)工程多采用12脈波換流器，并以雙極兩端中性點(diǎn)接地方式、單極大地回線方式和單極金屬回線方式(一端接地)運(yùn)行[1]。為便于分析換流器產(chǎn)生的特征諧波，通常假設(shè)換流變壓器網(wǎng)側(cè)提供的換相電壓為三相對(duì)稱的基波正序電壓，不含任何諧波分量，換流變壓器的三相結(jié)構(gòu)對(duì)稱，各相參數(shù)相同。各換流閥以等時(shí)間間隔的觸發(fā)脈沖依次觸發(fā)，且觸發(fā)角保持恒定。換流器直流側(cè)的電流不含任何諧波分量的恒定直流電流。

1.1 換流器交流側(cè)的特征諧波分析

圖1 變壓器接線方式不同時(shí)電力系統(tǒng)側(cè)電流波形

在12脈波換流器中，有兩個(gè)6脈動(dòng)橋，分別帶有一個(gè)換流變壓器，采用Yy0(或Dd0)和Yd11聯(lián)結(jié)。由于換流變壓器繞組聯(lián)結(jié)組別不同，其諧波電流波形也不同。對(duì)于變比為1∶1的 Yy0(或Dd0)聯(lián)結(jié)的換流變壓器，其一、二次電流相同，在忽略換相過(guò)程影響其諧波電流波形如圖1(a)所示，電流表達(dá)式如式(1)所示。對(duì)于變比為的Yd11聯(lián)結(jié)的換流變壓器，其相電流之比為，其諧波電流波形如圖1(b)所示，電流表達(dá)式如式(2)所示:

比較式(1)與式(2)可知，它們含有相同幅值的諧波分量，但第5、7、17、19等次諧波符號(hào)相反。將上述兩組不同的變壓器組合起來(lái)，其電網(wǎng)側(cè)的總電流中將不再含有這些次數(shù)的諧波，而只含有12 k±1次的諧波，12 k±1次諧波稱為12脈動(dòng)換流器交流側(cè)的特征諧波[2]。其諧波電流波形如圖2所示，電流表達(dá)式如式(3)所示。

圖2 12脈動(dòng)換流器電力系統(tǒng)側(cè)電流波形

1.2 換流器直流側(cè)的特征諧波分析

對(duì)于換流器直流側(cè)的諧波分析，假設(shè)直流電流中不含諧波的直流電流，因此只分析直流側(cè)電壓中的諧波分量。在理想條仵下，直流側(cè)的電壓波通過(guò)傅里葉分析，可求得各次諧波電壓的有效值為:

對(duì)于12脈波換流器，由直流端產(chǎn)生的特征諧波電壓主要是12次及其整數(shù)倍次分量，即h=12 k。與交流側(cè)的諧波電流不同，直流側(cè)的特征諧波電壓，即使 μ=0時(shí)，諧波的大小仍與α有關(guān)。

圖3 換流器直流側(cè)3脈動(dòng)諧波電壓源模型

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)由于受直流側(cè)接地方式不同，產(chǎn)生的諧波也不同，特別是當(dāng)直流接地極引線與直流線路同桿架設(shè)時(shí)，在同桿架設(shè)段直流側(cè)諧波超標(biāo)嚴(yán)重，且造成諧波超標(biāo)的主要諧波次數(shù)是18次諧波，而不是傳統(tǒng)的特征諧波[3]。為解決這一問(wèn)題，提出了12脈動(dòng)換流器3脈動(dòng)直流側(cè)諧波分析等效電路，即3脈動(dòng)諧波模型，如圖3所示。它采用了新的諧波電壓源，將一標(biāo)準(zhǔn)的12脈動(dòng)換流橋表示為4個(gè)串聯(lián)的3脈動(dòng)橋，電感 L的值為一個(gè)12脈動(dòng)換流器內(nèi)電感的1/4，電容Cs為等效換流變壓器及套管的對(duì)地雜散電容，其典型值10～20 nf。U3P(t)及U3p(t－T/6)表示相應(yīng)的兩個(gè)3脈動(dòng)模型中的諧波電壓源，其間有T/6的相移(T為基波頻率下的周期)。3脈動(dòng)換流器模型的諧波電壓源的計(jì)算如下:式中 δ=α+μ;α為觸發(fā)延遲角;μ為換相角。

1.3 換流器交、直流側(cè)的非特征諧波分析

在高壓直流輸電系統(tǒng)中，由于受換流變壓器變比不同造成Yy聯(lián)結(jié)換流器和Yd聯(lián)結(jié)換流器換相電壓不同、Yy聯(lián)結(jié)換流器和Yd聯(lián)結(jié)換流器觸發(fā)延遲角不同、Yy聯(lián)結(jié)換流變壓器和Yd聯(lián)結(jié)換流變壓器阻抗不同、觸發(fā)脈沖不完全等距等因素的影響，直流輸電工程中除包含特征諧波以外，還包含非特征諧波。由于它的存在，會(huì)引發(fā)諧波不穩(wěn)，諧波電流被放大幾倍甚至幾十倍，對(duì)電力系統(tǒng)的危害是非常嚴(yán)重的。

2 抑制諧波的方法研究

換流器直流側(cè)的諧波電壓將在直流線路上產(chǎn)生諧波電壓、諧波電流分布，使鄰近的通信線路受到干擾。特別是高壓直流輸電系統(tǒng)穿越人口相對(duì)集中的區(qū)域，對(duì)由諧波引起的污染受到社會(huì)的高度關(guān)注[4]，因此，必須采取有效措施抑制諧波電壓和諧波電流造成的危害。

2.1 增加換流器脈動(dòng)數(shù)抑制特征諧波

通過(guò)增加換流器的脈動(dòng)數(shù)可以減少特征諧波的組成成分，提高最低次特征諧波的次數(shù)，從而達(dá)到抑制諧波的目的。對(duì)于變流變壓器臺(tái)數(shù)較多的企業(yè)，建議根據(jù)換流變壓器的脈動(dòng)數(shù)以及移相角的關(guān)系，對(duì)6脈動(dòng)和12脈動(dòng)變流變壓器進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，以有效抑制諧波。如表1為12脈動(dòng)換流變壓器建議組合方式表。

目前高壓直流輸電系統(tǒng)的換流裝置大都采用12脈動(dòng)，并未采用更高的脈動(dòng)數(shù)。這是因?yàn)槿舨捎酶叩拿}波數(shù)，不僅使換流變壓器的結(jié)構(gòu)和接線變的非常復(fù)雜，而且增加設(shè)備制造的困難，增大了投資，與采用濾波裝置進(jìn)行諧波抑制相比，顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

2.2 合理配置濾波器類型，有效抑制諧波干擾

對(duì)于高壓直流輸電所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制的有效方法是采用濾波裝置和平波電抗器。由于平波電抗器的電感量通常是根據(jù)直流線路發(fā)生故障或逆變器發(fā)生顛覆時(shí)限制電流上升率以及保證在小電流下直流系統(tǒng)能正常運(yùn)行等要求來(lái)決定的，當(dāng)單靠平波電抗器不足以滿足諧波抑制要求，需要裝設(shè)濾波裝置。

表1 12脈動(dòng)換流變壓器建議組合方式表

2.2.1 無(wú)源諧波濾波裝置

無(wú)源濾波器由電容器、電抗器和電阻元件組合而成，分為無(wú)源交流濾波器和無(wú)源直流濾波器。分別并聯(lián)接于交、直流母線上，抑制換流器產(chǎn)生的注入交流系統(tǒng)或直流線路的諧波。目前，在高壓直流輸電系統(tǒng)中采用雙調(diào)諧濾波器和三調(diào)諧濾波器。如圖4所示。

雙調(diào)諧濾波器具有抗失諧能力強(qiáng)、較好的高通濾波性能、降低并聯(lián)諧振幅值和良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，同時(shí)可起到防止過(guò)電壓等優(yōu)點(diǎn)[5]。近年來(lái)，在高壓直流輸電工程中，雙調(diào)諧濾波器得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2.2 有源諧波濾波裝置

有源諧波濾波裝置是在無(wú)源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由電力電子元件組成。當(dāng)直流輸電線路穿越人口密集和廣泛采用明線通信的地區(qū)時(shí)，為防止諧波對(duì)通信線路的干擾，采用直流有源濾波器具有較好的經(jīng)濟(jì)性能。將直流有源濾波器串接或并接在主回路中，產(chǎn)生一個(gè)與系統(tǒng)諧波電壓幅值相等但相位相反的電壓，以抵消諧波電壓，從而起到減小諧波危害的作用[6]。有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是濾波頻率范圍寬，沒(méi)有失諧效應(yīng)，產(chǎn)生串、并聯(lián)諧振的可能性小，占地面積少。其缺點(diǎn)是性價(jià)比較低，還處于研究發(fā)展階段。

圖4 典型無(wú)源濾波器電路

2.3 采用中性點(diǎn)沖擊電容器抑制非特征諧波

在換流器的中性點(diǎn)與大地之間裝設(shè)中性點(diǎn)沖擊電容器，其目的是為直流側(cè)以3的倍次諧波為主要成分的電流提供低阻抗通道。使用該種電容器不僅對(duì)降低整個(gè)直流系統(tǒng)的諧波水平有較明顯的作用，還能緩沖接地極引線落雷時(shí)的過(guò)電壓。一般來(lái)說(shuō)，該電容器電容值的選擇范圍應(yīng)為十幾微法至數(shù)毫法，同時(shí)還應(yīng)避免與接地極線路的電感在臨界頻率上產(chǎn)生并聯(lián)諧振。

3 結(jié)束語(yǔ)

高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流器是一種電力電子裝置，由于受直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行方式不同，換流變壓器的聯(lián)結(jié)組別不同，換流器單元接線方式不同等因素的影響，在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同類型的諧波，引發(fā)諧波不穩(wěn)，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)換流器產(chǎn)生的諧波通過(guò)無(wú)源濾波器裝置、有源濾波器裝置、中性點(diǎn)沖擊電容器和平波電抗器等地合理配置，有效處理諧波對(duì)供電系統(tǒng)、用戶和周圍電氣環(huán)境造成的危害，才能保證高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

[1]徐政.交直流電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2004.

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[4]Ding Hui，Han Minxiao.Detailed Modeling of China － Russia Heihe Backto-Back HVDC Project Using PSCAD/EMTDC[C].The Proceedings of 3rd International Conference on DRPT NanJlng，2008.

[5]許德操，韓民曉，丁輝，等.基于 PSASP的直流系統(tǒng)用戶自定義建模[J].電力系統(tǒng)白動(dòng)化，2007，31(6):11－16.

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