高壓換流站交流側(cè)濾波裝置設(shè)計研究

王 邕

(杭州余杭城市建設(shè)集團有限公司，浙江 杭州 310000)

隨著工業(yè)和科技的不斷發(fā)展，電力需求也越來越大，特高壓輸電應(yīng)運而生，不僅能夠減少成本損耗，還能提高輸電效率[1]。隨著越來越多的分布式發(fā)電效率不斷提高，風(fēng)電、光伏等不同的發(fā)電形式實現(xiàn)并網(wǎng)，其通過交直流混聯(lián)的方式展開特高壓輸電，成為目前電力供應(yīng)的發(fā)展方向[2-3]。然而，換流裝置或光伏發(fā)電設(shè)備在運行過程中會引起大量的諧波電壓和諧波電流，進而對電網(wǎng)以及用戶造成嚴重的影響[4]。因此，需要針對抑制交流系統(tǒng)諧波以及無功補償展開進一步研究。

換流站作為特高壓輸電的重要環(huán)節(jié)，承擔(dān)了交直流轉(zhuǎn)換的工作，然而其也是一個重要的諧波源。在轉(zhuǎn)換過程中，換流器將引起大量的諧波，造成其交流側(cè)以及直流側(cè)都會出現(xiàn)嚴重的電壓畸變[5]。針對12脈動的換流器系統(tǒng)，當(dāng)以理想情況下運行時，在系統(tǒng)的交流側(cè)會出現(xiàn)12k±1次的特征諧波，在其直流側(cè)會出現(xiàn)12k次的特征諧波[6]?，F(xiàn)實中不存在理想情況下運行，其換流站的換流閥觸發(fā)延遲角不同或者觸發(fā)脈沖間隔距離不一致、各相阻抗以及變比也不完全相等，將會引起交流側(cè)以及直流側(cè)出現(xiàn)非特征諧波[7-9]。因此，需要在換流站的諧波源處進行相關(guān)且有效的濾波處理。

傳統(tǒng)的在交流側(cè)采取濾波的方法為在換流器網(wǎng)側(cè)母線上并聯(lián)濾波裝置，能夠在一定程度上抑制諧波，起到濾波作用[10-11]。然而，在對濾波器進行設(shè)計時，需要展開其穩(wěn)態(tài)定值計算，即得到各部件將會產(chǎn)生的最大電壓和電流，進而分別獲得交流系統(tǒng)阻抗和濾波器阻抗的相匹配，否則將無法克服換流器的無功功率以及諧波對自身造成的影響[12-14]。傳統(tǒng)的濾波器采用無源的方式，但由于交流系統(tǒng)的電阻和電抗取值不是互相獨立的，造成其參數(shù)匹配不足，在一定程度上限制了濾波器的濾波作用[15-16]。因此，亟待對既可以有效地抑制諧波、還可以提供部分無功補償?shù)膿Q流站交流側(cè)濾波器進行研究。

為了提高換流站交流側(cè)的諧波抑制效果，本文對高壓換流站交流側(cè)濾波裝置進行了深入研究與設(shè)計。首先針對無源濾波器的結(jié)構(gòu)及原理展開詳細分析，并構(gòu)建濾波器阻抗的目標函數(shù)，進而對其阻抗進行匹配。根據(jù)直流輸電檢修狀態(tài)時諧波特性，設(shè)計無源濾波器的配置方案和參數(shù)設(shè)定，并搭建仿真模型，進而對濾波器的品質(zhì)因數(shù)進行選擇，驗證該濾波器對換流站交流側(cè)諧波抑制效果，其結(jié)果具有一定的工程實際意義。

1 無源濾波器原理及設(shè)計

高壓換流站交流側(cè)受諧波影響較大，造成其波形發(fā)生嚴重畸變，從而對交流系統(tǒng)引起不可忽視的影響，在諧波產(chǎn)生處需要進行濾波處理。無源濾波器是一種具有較易控制、可靠性高等優(yōu)勢的交流濾波器，在工程應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)主要由電容、電感以及電阻組成，將此3種元件通過不同組成形式能夠得到不同的無源濾波器結(jié)構(gòu)，裝設(shè)交流濾波器能夠有效濾除諧波，還能夠給換流器自身進行部分無功功率補償。

相對有源濾波器，無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可靠性高、運行維護簡單等優(yōu)點，其主要有調(diào)諧濾波器以及高通濾波器2種形式。其中調(diào)諧濾波器又分為單調(diào)諧濾波器和由2個單調(diào)諧濾波器組成的雙調(diào)諧濾波器[17]。

單調(diào)諧濾波器主要由電感L、電阻R以及電容C串聯(lián)組成。系統(tǒng)在第h次諧波的阻抗被定義為：

(1)

式中，fh和ωh分別為系統(tǒng)第h次單調(diào)諧濾波器的頻率以及角頻率；ω1為工頻角頻率。

根據(jù)阻抗頻率特性，頻率f值為：

(2)

此時，單調(diào)諧濾波器的濾波效果最佳。因此在針對消除某次諧波時，應(yīng)調(diào)整單調(diào)諧濾波器諧振頻率滿足式(2)，進而使得諧波的阻抗值為0，能夠有效進行諧波濾除，否則無法達到預(yù)期的濾波效果。

雙調(diào)諧濾波器類似由2個單調(diào)諧濾波器并聯(lián)構(gòu)成，因此其能夠針對2種不同頻率的諧波進行治理，其第h次諧波的阻抗被定義為：

(3)

雙調(diào)諧濾波器通過諧振原理對諧波進行治理，與單調(diào)諧濾波器相比，雙調(diào)諧濾波器具有能夠降低設(shè)備成本、便于維護等特點。但是由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、調(diào)諧不易，容易引起濾波支路并聯(lián)諧振，造成母線諧波放大或者濾波器出現(xiàn)過電壓。

高通諧濾波器主要有一階高通諧濾波器、二階高通諧濾波器、三階高通諧濾波器以及C型高通諧濾波器，其由電容、電阻以及電感以不同形式構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1(b)的二階高通濾波器結(jié)構(gòu)能夠得到，將電感L和電阻R并聯(lián)，進而可以得到一個較低的阻抗頻率范圍。設(shè)定一個臨界頻率fr，若系統(tǒng)頻率較低于該臨界頻率，則濾波器的阻抗將會有顯著增大，進而阻礙低次諧波電流流通。反之，若系統(tǒng)頻率較高于該臨界頻率，阻抗較小，總阻抗基本保持穩(wěn)定，阻抗特性曲線如圖2所示。

圖1 高通諧濾波器結(jié)構(gòu)

圖2 二階高通諧濾波器阻抗特性曲線

該臨界頻率fr即為截止頻率，具體表達式為：

(4)

其高通濾波器的諧波阻抗被定義為：

(5)

在濾波裝置設(shè)計時，需要對濾波器的阻抗與交流側(cè)阻抗進行穩(wěn)態(tài)計算，進而獲得濾波器的定值結(jié)果。其系統(tǒng)阻抗區(qū)域可以通過圖3進行判斷。其中，Zmax和Zmin分別為最大阻抗以及最小阻抗；φmax和φmin分別為最大阻抗角和最小阻抗角；rmin為最小電阻限制。

圖3 交流側(cè)系統(tǒng)阻抗區(qū)域

根據(jù)阻抗區(qū)域在其中選擇一個阻抗值Zn，該值與濾波器串聯(lián)后得到的阻抗ZS值最小，進而將會得到諧波電壓在濾波器高壓端產(chǎn)生的諧波電壓值最大。其阻抗幅值表示為：

|ZS|=|Zf+Zn|

(6)

其中，參數(shù)Zf與Zn分別被定義為：

(7)

將式(6)、式(7)進行簡化，進而得到：

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

(8)

因此，阻抗穩(wěn)定計算的目標函數(shù)變化為：

(9)

式中，Ra和Xa分別為濾波器的電阻值以及電抗值；而Rb和Xb分別為交流側(cè)系統(tǒng)阻抗的電阻值和電抗值；A為阻抗區(qū)域。

由于二階高通濾波器在4種濾波器中具有濾波效果佳、阻抗穩(wěn)定受頻率變化影響小、配置方案靈活且成本低等優(yōu)點，在工程中得到廣泛應(yīng)用。

將交流濾波器設(shè)置在交流側(cè)中無法阻礙換流站諧波對系統(tǒng)的影響，針對換流站受到大量的特征以及非特征諧波對交流側(cè)的影響，設(shè)計其濾波器需裝設(shè)在諧波源處。依據(jù)換流原理能夠得到換流器所需的無功功率為[18]：

(10)

式中，Qd為換流器所需的無功功率；Ud與Id分別為直流側(cè)的電壓以及電流大??；cosφ為換流站的功率因數(shù)；δ為換流器的觸發(fā)角；θ為換流器的換相角。

換流站中的無功補償總?cè)萘縌t需要符合：

(11)

式中，Qa、Qd和Qs分別為換流站交流系統(tǒng)所產(chǎn)生的無功功率、換流站所需要的無功功率以及換流站所備用的無功容量；Ua為換流站里交流母線電壓的標幺值，在設(shè)計過程中通常取值1.0。

2 濾波裝置仿真模型建立

無源交流濾波器主要起到了濾波以及在基頻中實現(xiàn)對無功功率的補償效果。本文設(shè)計雙極雙12脈動換流器，主要使用單調(diào)諧濾波器與高通無源濾波器。系統(tǒng)運行時，濾波器將會從交流側(cè)吸納很多的無功功率，并且在穩(wěn)定狀態(tài)下，所消耗的無功功率大致是傳輸功率的一半。

在雙極全壓運行的情況下，換流站母線的奇次諧波含量最多，其中第3、11、13、23以及25等奇次諧波含量較為嚴重。通常臨界頻率fr的取值為濾波器中最高調(diào)諧次數(shù)基礎(chǔ)上再加1，因此，在主要為奇次諧波出現(xiàn)波形畸變情況下，其臨界頻率fr的值設(shè)定為750 Hz。換流站無功配置分配：無功總量為6 000 Mvar；并聯(lián)電容器組容量8×380 Mvar；大組最大容量4×1 540 Mvar；交流濾波器組容量12×260 Mvar；小組最大容量20×350 Mvar。

為了避免交流濾波器出現(xiàn)斷路器故障進而引發(fā)母線故障，在其接入方式選擇利用由多個交流濾波器小組組成一個大組，通過單母線的方式對接至換流站母線。每組換流站交流濾波器的配置方案如圖4所示。其中各部分表示濾波器類型，所標數(shù)字表示此濾波器主要抑制幾次諧波。根據(jù)換流站無功分配參數(shù)進行計算分析，得到濾波器有關(guān)參數(shù)的設(shè)置見表1。

圖4 交流濾波器的配置方案

表1 換流站內(nèi)交流濾波器參數(shù)設(shè)定

濾波器的品質(zhì)因數(shù)能夠表達其調(diào)諧效果的有效程度。調(diào)諧濾波器中，品質(zhì)因數(shù)K的計算表達式為：

(12)

品質(zhì)因數(shù)為在出現(xiàn)諧振時，電抗大小X與電阻值R的比例關(guān)系。通常在低次諧波中，主要使用品質(zhì)因數(shù)高的濾波器，一般取值30～60；而在高次諧波中，主要使用質(zhì)因數(shù)低的濾波器，一般取值0.5～5.0。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果

選擇某330 kV發(fā)電廠在夏季大負荷情況下運行進行計算分析，在ETAP軟件中搭建出等值模型如圖5所示?？刂品绞皆O(shè)為電壓控制方式。

圖5 發(fā)電廠仿真等值模型

發(fā)電機組等值成2臺容量為300 MW的發(fā)電機，各自通過一臺變比為20 kV/330 kV、容量為360 MVA的雙繞組變壓器和母線進行連接。在“負載”界面對負荷數(shù)據(jù)進行相關(guān)設(shè)置，現(xiàn)有功率因數(shù)以及期望功率因數(shù)分別設(shè)定為0.90和0.92。

為了能夠讓電容器安全運行，電容器的額定電壓設(shè)定為比母線額定電壓高10%，即設(shè)定額定電壓為363 kV，最大電流為200 A。在交流側(cè)的12個諧波源處設(shè)置濾波器，由于該濾波器由單調(diào)諧濾波器與高通無源濾波器構(gòu)成，綜合考慮2種濾波器的品質(zhì)因數(shù)典型取值后，令調(diào)諧諧波濾波器的品質(zhì)因數(shù)K分別設(shè)定為30和50。裝設(shè)濾波器前后的諧波電壓諧波電壓波形如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)未加裝濾波器時，其受諧波影響較為嚴重，主要諧波次數(shù)為3、5、7、9以及11次。加裝了品質(zhì)因數(shù)設(shè)定為30或50的濾波器后，其濾波效果明顯。針對諧波次數(shù)3、5、7、9以及11次的情況，品質(zhì)因數(shù)為50的濾波器效果略優(yōu)于品質(zhì)因數(shù)為30的濾波器，因此，將調(diào)諧濾波器的品質(zhì)因數(shù)均設(shè)定成50。

圖6 不同品質(zhì)因數(shù)仿真結(jié)果

3.2 母線諧波仿真結(jié)果

在直流輸電進行檢修情況下，換流站母線處將會引起大量諧波。為了使交流側(cè)電流不影響換流站，在其12個諧波源處裝置濾波器，并采用單調(diào)諧無源濾波器以及高通無源濾波器的形式，其濾波器參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 換流站無功分配參數(shù)設(shè)定

在交流側(cè)諧波源處加裝12個濾波器裝置前后，換流站母線諧波電壓含有率仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，在加裝濾波器前，母線諧波電壓含有率較高，尤其是奇次諧波中，其諧波總畸變率達到1.8%；在加裝濾波器后，其濾波效果顯著，針對諧波次數(shù)高的第3、5、7、9次諧波也有明顯的抑制效果，其諧波電壓含有率均在0.1%以下，諧波總畸變率大幅度下降，僅為0.14%。因此，表明所設(shè)計濾波器可以對各次諧波，尤其是奇次諧波起到較顯著的抑制效果。

圖7 母線諧波電壓含有率仿真結(jié)果

3.3 直流雙極全壓下仿真結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)直流雙極在全壓情況下運行時，高壓換流站交流側(cè)會產(chǎn)生大量特征或非特征諧波，因此，需要在換流站交流側(cè)加裝濾波器。裝設(shè)濾波器前，交流母線處各次諧波電壓畸變率頻譜圖和電壓波形圖仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8中能夠看出，在直流雙極在全壓情況下運行時，未裝濾波器的換流站母線處出現(xiàn)較為嚴重的諧波畸變，尤其是11、13、21以及23等次諧波畸變幅度最大，在第11次諧波畸變幅度達到5.71%。對比電壓頻譜和電壓波形能夠得到，當(dāng)諧波畸變率越大，諧波電壓的波形也越不光滑，波動越大，因此電壓波形受到特征量的諧波電壓畸變率的影響大。

圖8 裝設(shè)濾波器前諧波電壓頻譜及波形仿真結(jié)果

裝設(shè)濾波器后，交流母線處各次諧波電壓畸變率頻譜圖和電壓波形仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，在濾波器作用下，系統(tǒng)的諧波電壓含有率得到有效抑制，其結(jié)果仍表現(xiàn)為對第11次諧波畸變幅度達到最大，該次諧波電壓含有率已由原來的5.71%下降至0.19%，該次諧波電壓含有率抑制效果最為顯著。其余各次諧波電壓含有率也有不同程度的降低。對比電壓頻譜和電壓波形得到，由于諧波得到了有效抑制，因此其諧波電壓含有率也大大降低，使得電壓波形變得較為光滑，電壓波動大大減小。進而表明設(shè)計的濾波器的濾波效果顯著，能夠保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

圖9 裝設(shè)濾波器后諧波電壓頻譜及波形仿真結(jié)果

3.4 不同濾波裝置對比

為了進一步驗證所提濾波器的效果，選擇典型的有源濾波器進行換流站母線諧波抑制效果對比，其濾波電感設(shè)定為1.3 H，其余系統(tǒng)電壓等參數(shù)與前設(shè)置一致。治理后諧波電壓含有率結(jié)果見表3。從表3中可以得出，在直流輸電進行檢修和直流雙極全壓情況下，本文所設(shè)計的濾波裝置濾波效果略優(yōu)于有源濾波裝置，且具有成本低廉的優(yōu)勢，該結(jié)果對未來諧波抑制的研究具有重要意義。

表3 不同濾波裝置母線諧波抑制效果

4 結(jié)論

本文研究了高壓換流站交流側(cè)濾波裝置設(shè)計。針對直流輸電檢修狀態(tài)時諧波源及諧波特性，對無源濾波器的結(jié)構(gòu)及原理進行了分析，提出穩(wěn)態(tài)計算的目標函數(shù)，并在交流側(cè)諧波源處設(shè)計濾波器。通過仿真表明：在330 kV發(fā)電廠在夏季大負荷運行情況下，加裝品質(zhì)因數(shù)K為30或50的濾波器后，能夠有效對奇次諧波進行抑制，且K為50時濾波效果更為顯著；在直流輸電進行檢修情況下，換流站交流側(cè)諧波源處加裝12個濾波器裝置后，能夠有效抑制諧波，尤其針對第3、5、7、9次諧波抑制效果顯著，其諧波總畸變率從1.750%降至0.135%。當(dāng)系統(tǒng)直流雙極在全壓情況下運行時，換流站母線處產(chǎn)生嚴重的諧波畸變，尤其在第11次諧波畸變幅度達到5.71%，且諧波畸變率越大，其電壓波形畸變也越大；加裝濾波器后，能夠有效抑制系統(tǒng)的諧波電壓含有率，第11次諧波畸變降至0.19%，且電壓波形也變得光滑。結(jié)果表明設(shè)計的濾波器方案能夠?qū)Q流站產(chǎn)生的諧波起到很好的抑制作用。此外，所設(shè)計的高壓濾波裝置與有源濾波裝置進行對比，其諧波抑制效果略優(yōu)于有源濾波器，且具有成本較低的優(yōu)勢。因此，該結(jié)果對未來諧波抑制的研究具有重要參考意義。