CN103151792A - 特高压直流输电***中谐波电流抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了特高压直流输电***中谐波电流抑制装置，包括：一交流***，一侧交流***的功率流向另一侧交流***，所述一侧交流***连接工作在整流状态的换流站，通过换流变压器升压后与换流器相连，将交流电变换为直流电，然后通过直流输电线路将直流电传输至换流站后，工作在逆变状态的换流站将直流电逆变为交流电，并通过换流变压器降压后与另一侧交流***相连。能够有效的消除11、13次谐波，大大降低特高压直流输电***交流侧的谐波电流THD，并且能够同时对直流侧电压、电流谐波进行一定抑制。

Description

特高压直流输电***中谐波电流抑制装置

技术领域

本发明属于特高压直流输电领域，尤其是移相变压器在特高压直流输电***中谐波电流的抑制装置。

背景技术

特高压直流输电***以其功率调节的快速灵活、不增加***短路容量、可协助***的暂态稳定性、损耗低和占地省等特性，近年来在远距离大容量输电、异步联网、海底电缆输电等方面获得了广泛的应用。由于直流输电***中换流器的非线性特征，交流***和直流***中都不可避免的产生大量的谐波电压和谐波电流，对用户和电力***本身都造成影响和危害。

因此，在特高压直流输电***中，交流滤波器和直流滤波器是不可或缺的元件。对于交流***的滤波，一般在换流变压器网侧母线上并联滤波器装置，兼作无功补偿设备。这种方式虽能较好的解决交流***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；并且在现有的特高压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。

目前特高压直流输电***多采用单级双12脉、双极12脉以及双极双12脉的结构，交流侧的谐波主要为11、13次（12n±1次）谐波。相较于6脉波电路，12脉波电路的谐波得到了较大的抑制，但是其谐波含量仍然较大，11、13次谐波频率较低，对于滤波器的设计来说成本较高。因此，需要在不大幅增加成本的情况下进一步抑制谐波电流的含量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供特高压直流输电***中谐波电流抑制装置，该装置既适用于双极12脉结构的特高压直流输电***，也适用于单级和双极的双12脉特高压直流输电***，能够有效的消除11、13次谐波，大大降低特高压直流输电***交流侧的谐波电流THD，并且能够同时对直流侧电压、电流谐波进行一定抑制。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

特高压直流输电***中谐波电流抑制装置，包括：

一交流***，

一侧交流***的功率流向另一侧交流***，

所述一侧交流***连接工作在整流状态的换流站，通过换流变压器升压后与换流器相连，将交流电变换为直流电，

然后通过直流输电线路将直流电传输至换流站后，工作在逆变状态的换流站将直流电逆变为交流电，并通过换流变压器降压后与另一侧交流***相连。

本发明的一个优选实施例中，所述换流站中的换流器采用4桥串联并分成两组，第一组的换流变压器采用普通三绕组变压器，联结组号为YYD11；第二组的换流变压器采用移相变压器，其移相角分别是-15°、-45°。

本发明的一个优选实施例中，所述三绕组变压器和移相变压器，它们的等值阻抗、电压和功率损耗相同。

本发明的一个优选实施例中，所述换流站中的两组换流变压器的原边并接到一交流***，副边分别接到一个换流桥上。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

1．本特高压直流输电***的谐波电流抑制方法在原有的双极12脉高压直流输电***结构基础上，用移相变压器替换其中一极的普通三绕组变压器。通过引入移相变压器，正极和负极变压器的二次侧绕组输出电压与电网电压相角差分别为：0°、-30、-15°、-45°，这样正负极之间实际上构成了24脉波电路。由于二次侧输出电压互差了一定角度，各换流单元的输入电流折算到变压器一次侧后11、13次和35、37次等特定次数的谐波相位互差180°，它们互相叠加形成交流侧总输入电流时相互消除，从而降低了总THD。

2．本特高压直流输电***的谐波电流抑制方法中的移相变压器采用延边三角形结构，虽然其成本较普通三绕组变压器要高，但应用移相变压器后谐波含量大幅降低，滤波装置的费用可以大幅降低，滤波器的体积也大大减小。

3．本发明具有设计合理、电路简单、性能稳定可靠的特点，在不大幅增加成本的情况下可以有效降低输入电流的谐波含量，可广泛应用于包含超过两个12脉单元结构的直流输电***。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用移相变压器的特高压直流输电***；

图2为直流输电***其中一侧的电路原理图；

图3为采用移相变压器前交流侧输入电压电路波形；

图4为采用移相变压器后交流侧输入电压电流波形；

图5为采用移相变压器前交流侧输入电流的频谱分析；

图6为采用移相变压器后交流侧输入电流的频谱分析。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

双极12脉波特高压直流输电***如图1所示，主要由整流站，直流输电线路和逆变站三部分构成。

假设图中交流***1的功率流向交流***2，则交流***1一侧的换流站工作在整流状态，交流***2一侧的换流站工作在逆变状态。

换流站中的换流器采用4桥串联并分成两组，第一组的换流变压器采用普通三绕组变压器，联结组号为YYD₁₁；第二组的换流变压器采用移相变压器，其移相角分别是-15°、-45°；

选择合适的三绕组变压器和移相变压器，使得其等值阻抗、电压和功率损耗相同；将两组换流变压器的原边并接到交流***1，副边分别接到一个换流桥上，这样，四个副边绕组电压幅值相同、相角在60°内均分，分别为0°、-30、-15°、-45°。

交流***1通过换流变压器升压后与换流器相连，将交流变换为直流，通过远距离的直流输电线路将电能输送到远方。电能输送到逆变站后，换流器将直流逆变为交流，通过换流变压器降压后与交流***2相连。

交流***1和2通过换流站和直流输电线路联结在一起，能够互相提供电能支持，提高了交流***的稳定性。

参照图2，先分析正极12脉电路的输入电流谐波，对于6脉波电路，其谐波主要为6n±1次，令：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=\underset{n=\mathrm{1,5,7,11,13}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n)\\ i_{\tilde{a}}=\underset{n=\mathrm{1,5,7,11,13}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (n(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\δ})+{\mathrm{\φ}}_n)\end{array}\right.$

其中δ＝-30°为二次绕组超前一次绕组的角度。为方便计算，设三相变压器匝比N₁/N₂＝2，

计算出每个二次绕组电流在一次绕组中对应的电流：

${i_a}^{\′}=\frac{1}{2}\underset{n=\mathrm{1,5,7,11,13}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n)$

${i_{\tilde{a}}}^{\′}=\frac{1}{2}(\underset{n=\mathrm{1,7,13}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n+\mathrm{n\δ}+\frac{\mathrm{\π}}{6})+\underset{n=\mathrm{5,11}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n+\mathrm{n\δ}-\frac{\mathrm{\π}}{6}))$

又

n=7时， $\mathrm{n\δ}+\frac{\mathrm{\π}}{6}=-\mathrm{\π};$ n=5时， $\mathrm{n\δ}-\frac{\mathrm{\π}}{6}=-\mathrm{\π}.$

这样5、7次，17、19次等次数的谐波得到消除，得到：

$i_{A1}=\underset{n=\mathrm{1,11,13,23,25}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n)$

对于负极12脉电路，设定合适的变比，两个副边绕组相对于三相电源，电压相角差分别为﹣15°和﹣45°，即输出电压相角与输入电压相角的差值。为便于分析计算，可以看成是在正极的普通三绕组变压器前面加了一级联结组号为DZ₁、移相角为δ=﹣15°、损耗为0的理想移相变压器。根据移相变压器原理，计算可得

$i_{A2}=\underset{n=\mathrm{1,13,25,37}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n-\frac{(n-1)\mathrm{\π}}{12})+\underset{n=\mathrm{11,23,35}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n-\frac{(n+1)\mathrm{\π}}{12})$

n=13时， $\frac{(n-1)\mathrm{\π}}{12}=\mathrm{\π};$ n=11时， $\frac{(n+1)\mathrm{\π}}{12}=\mathrm{\π};$ n=23和25时， $\frac{(n\±1)\mathrm{\π}}{12}=2\mathrm{\π}.$

总电流： $i_A=i_{A1}+i_{A2}=2\underset{n=\mathrm{1,23,25,47,49}...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{I}}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\φ}}_n)$

可以看到，采用移相变压器后的交流电流谐波频率为24n±1次，11、13次谐波得到了消除，从而进一步降低了输入电流的THD。

在Matlab/Simulink平台上建立了双极12脉高压直流输电***仿真模型，并将移相变压器应用于仿真模型中替代负极的三相三绕组变压器。采用移相变压器前交流侧输入电流波形如图3所示，采用移相变压器后交流侧输入电流波形如图4所示，可以看到电流波形有明显的改善。对应用移相变压器前后的电流进行频谱分析，结果分别如图5和图6所示，可见输入电流的THD得到大幅的降低，50次以内的谐波只剩下23、25次和47、49次，这些次的谐波由于频率较高，可以较为方便的采用滤波装置滤除，可以大大降低滤波成本和滤波器体积。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.特高压直流输电***中谐波电流抑制装置，其特征在于,包括：

一交流***，

一侧交流***的功率流向另一侧交流***，

所述一侧交流***连接工作在整流状态的换流站，通过换流变压器升压后与换流器相连，将交流电变换为直流电，

然后通过直流输电线路将直流电传输至换流站后，工作在逆变状态的换流站将直流电逆变为交流电，并通过换流变压器降压后与另一侧交流***相连。

2.根据权利要求1所述的特高压直流输电***中谐波电流抑制装置，其特征在于：所述换流站中的换流器采用4桥串联并分成两组，第一组的换流变压器采用普通三绕组变压器，联结组号为YYD₁₁；第二组的换流变压器采用移相变压器，其移相角分别是-15°、-45°。

3.根据权利要求2所述的特高压直流输电***中谐波电流抑制装置，其特征在于：所述三绕组变压器和移相变压器，它们的等值阻抗、电压和功率损耗相同。

4.根据权利要求2所述的特高压直流输电***中谐波电流抑制装置，其特征在于：所述换流站中的两组换流变压器的原边并接到一交流***，副边分别接到一个换流桥上。

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