新型換流變壓器配套濾波裝置的優(yōu)化設計

　　0 引言

　　在高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC）系統(tǒng)中，非線性換流器會在交直流系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的諧波電壓和諧波電流，對系統(tǒng)和用戶造成了較大的影響和危害為抑制交流系統(tǒng)諧波并進行無功補償，傳統(tǒng)的交流系統(tǒng)濾波方式是在換流變壓器網(wǎng)側母線上并聯(lián)濾波兼無功補償?shù)难b置，但這種方式并不能克服換流器無功功率和諧波對變壓器本身產(chǎn)生的影響。直流線路中，經(jīng)換流器回饋的交流電流通過換流變壓器的原副方繞組，其無功功率和諧波會增大變壓器繞組和鐵心中的附加發(fā)熱、噪音和振動。傳統(tǒng)的無源方式考慮了諧振過電壓、諧波放大等因素，在一定程度上限制了濾波器的濾波作用。

　　自耦補償與諧波屏蔽換流變壓器具有特有的繞組連接方式，該變壓器與必要的濾波裝置相配合，不僅能滿足交流系統(tǒng)濾波和無功補償?shù)囊?，而且能解決傳統(tǒng)換流變壓器直流輸電系統(tǒng)和傳統(tǒng)無源濾波器存在的問題。

　　本文將討論自耦補償和諧波屏蔽換流變壓器的工作機理，針對某實際HVDC模擬系統(tǒng)，提出新的變壓器繞組接線方法及其配套濾波裝置的接線方案，建立以初期投資最小為目標、滿足系統(tǒng)無功需求的濾波器優(yōu)化配置的數(shù)學模型。

　　1 新型換流變壓器配套濾波裝置的優(yōu)化模型

　　1.1 換流變壓器的工作原理

　　本文采用的濾波方式是不同于傳統(tǒng)無源濾波的新型濾波方式。單相新型換流變壓器繞組諧波電流的流通路徑如圖1 所示。圖中：Z1、Z2和Z3分別為原方繞組、副方延邊繞組和副方公共繞組的等值阻抗；Ih為諧波電流。由圖1 可知：當延邊繞組通過諧波電流時，公共繞組產(chǎn)生相應的諧波電流，二者的磁通方向相反；當延邊繞組和公共繞組的安匝平衡時，原方繞組中不產(chǎn)生諧波電流，從而達到屏蔽諧波的目的。采用本文的濾波方式，各濾波支路電流與公共繞組構成環(huán)路，流經(jīng)繞組的電流和支路電壓受到相關繞組的電磁制約，在動態(tài)過程中不能自由發(fā)展而產(chǎn)生過電壓和涌流。

圖1 單相新型換流變壓器繞組諧波電流的流通路徑

　　由于12脈波HVDC系統(tǒng)換流器單橋閥側（換流變壓器二次側）主要是5、7、11、13 次諧波，為了為這4種特征諧波提供諧波通道并對其諧波進行無功補償，本文在圖1 副方公共繞組上并聯(lián)4條濾波支路。各濾波支路的基波容抗x C1（n） 與基波感抗x L1（n）的關系為：

　　由式（1）可知：在基波頻率下，各濾波支路的合成電抗為容性，對負荷起無功補償?shù)淖饔茫辉诟鞔沃C波頻率下，容抗與串接的感抗相等，由公共繞組構成的回路短路。

　　1.2 濾波裝置接線方案

　　某 HVDC 模擬系統(tǒng)的新型換流變壓器副方繞組及其輔助濾波支路的接線方式見圖2。圖中：原方繞組采用普通的星形連接；副方繞組采用延邊三角形連接，其中延邊端點為換流變壓器的輸出端，與換流器交流閥側相連，中間三角形引出的抽頭a、b、c與濾波裝置連接。采用這種接線方式相當于將傳統(tǒng)換流變壓器原方網(wǎng)側的無源濾波裝置移到新型換流變壓器副方繞組中部，彌補了傳統(tǒng)濾波和無功補償裝置的不足。對于雙橋12脈波的HVDC系統(tǒng)，需布置2組副方繞組與圖2接線方式類似的新型換流變壓器，并通過不同的繞組接線方式實現(xiàn)移相，使移相角為30°。

圖2 副方繞組及其濾波裝置的接線方式

　　濾波支路的電壓相量圖如圖3所示。在濾波裝置的優(yōu)化設計中，為使新型換流變壓器副方的三相電流平衡，避免零序和負序電流，濾波支路上的電壓與變壓器副方公共繞組上的電壓 應滿足圖3 的相量關系，即

圖3 濾波支路的電壓相量圖