CN103956739A - 一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，所述直流输电换流站包括晶闸管换流器、滤波器和两个换流变压器；每个换流变压器每相包含三个绕组，分别为网侧绕组、延边绕组和公共绕组；每个换流变压器的网侧绕组采用星形连接方式接入交流电网；每个换流变压器的延边绕组与公共绕组均采用延边三角形连接方式与晶闸管换流器连接；两个换流变压器的公共绕组并联后接滤波器。本发明能够消除直流输电中谐波及无功对换流变压器的不良影响；解决***阻抗对电力滤波效能的制约以及滤波器与***阻抗之间的串并联谐振等问题；保证高压直流输电***换流站高效安全稳定运行，改善电网的电能质量。

Description

一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法

技术领域

本发明涉及供电配电领域，具体涉及一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法。 

背景技术

高压直流输电***广泛应用于远距离大容量输电、区域电力联网和新能源并网等领域。目前，高压直流输电主要以12脉波***为基本单元，其换流站主要的接线方式如下：换流变压器包含网侧绕组(一次绕组)和阀侧绕组(二次绕组)两个绕组，网侧绕组接入交流电网，阀侧绕组接晶闸管换流器；两台换流变压器的网侧绕组采用星形连接，其中一台换流变压器的阀侧绕组采用星形连接，另外一台换流变压器的阀侧绕组采用三角形连接，从而满足12脉波晶闸管换流器所需要的换相电压；滤波器接入换流变压器网侧交流母线上，用来滤除非线性晶闸管换流器产生的谐波，并对基波进行无功补偿。但是现在的高压直流输电换流站的接线方式及滤波功补方法并不完善：首先，谐波和无功全部流经换流变压器的网侧和阀侧绕组，换流变压器的铁芯和结构件中通过较强的谐波磁通，使得变压器绝缘难度加大，损耗和发热增加，振动和噪声变大，从而影响***的运行效率及其稳定性。其次，为避免与***阻抗发生串并联谐振，无源滤波器常常进行偏调谐设计，从而影响滤波器的滤波效果。 

不难看出，现有技术还存在一定的缺陷。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，能够消除直流输电中谐波及无功对换流变 压器的不良影响；解决***阻抗对电力滤波效能的制约以及滤波器与***阻抗之间的串并联谐振等问题；保证高压直流输电***换流站高效安全稳定运行，改善电网的电能质量。 

为达到上述目的，本发明提供如下的技术方案： 

一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，所述直流输电换流站包括晶闸管换流器、滤波器和两个换流变压器；每个换流变压器每相包含三个绕组，分别为网侧绕组、延边绕组和公共绕组；每个换流变压器的网侧绕组采用星形连接方式接入交流电网；每个换流变压器的延边绕组与公共绕组均采用延边三角形连接方式与晶闸管换流器连接；两个换流变压器的公共绕组并联后接滤波器。 

进一步的，所述换流变压器的公共绕组为零等值阻抗设计的换流变压器。 

进一步的，所述滤波器为全调谐特征次滤波器。 

进一步的，所述滤波器在滤除谐波的同时进行无功补偿。 

进一步的，所述换流变压器的延边绕组与公共绕组的匝数比为 。

进一步的，换流变压器的绕组按照延边绕组靠近铁芯、网侧绕组离铁芯最远、公共绕组位于中间的排列进行布置，且绕组的结构和布局是可调整的，用于实现公共绕组的等值阻抗为零。 

进一步的，所述滤波器为单调谐滤波器、双调谐滤波器或三调谐滤波器。 

本发明的更具体技术效果是： 

(1)、换流变压器具有特殊的阻抗设计，滤波器为全调谐设计。换流变压器的公共绕组的等值阻抗设计为零，且在公共绕组上接新型的全调谐特征次滤波器，这就形成了对特征次谐波电流的零阻抗短路环，从而达到良好的谐波抑制效果。且受到换流变压器网侧绕组阻抗 的约束，全调谐滤波器不会与交流***阻抗发生串并联谐振，这能从根本上摆脱***阻抗对滤波效能的制约。 

(2)、换流变压器具有特殊的结构，其阀侧绕组采用延边三角形接线。采用在阀侧绕组接入滤波功补装置的方式，实现了无功功率的就近补偿和谐波的就近抑制，使得由晶闸管换流器产生的无功和谐波不会串扰至换流变压器的网侧绕组侧，以及交流电网侧。 

(3)、由于谐波和无功均在靠近换流器侧时就得到了就近抑制和补偿，这不仅降低了换流变压器的附加损耗、温升、振动与噪音，而且实现了整个换流站***的高功率因数和高效率稳定运行。 

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为本发明实施例提供的一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法的拓扑结构图； 

图2为图1实施例的详细接线图。 

图3为图1实施例的等值电路图。 

附图标记说明： 

1、交流电网；                   2、第一换流变压器； 

3、第二换流变压器；             4、滤波器； 

5、晶闸管换流器；               6、第一换流变压器的网侧绕组； 

7、第二换流变压器的网侧绕组；   8、滤波器； 

9、第一换流变压器的延边绕组；   10、第二换流变压器的延 边绕组； 

11、第一换流变压器的公共绕组；        12、第二换流变压器的公共绕组； 

13：交流***等值电路； 

14：换流变压器与滤波器的等值电路； 

15、晶闸管换流器的等值电路。 

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。 

实施例 

请参阅图1和图2，为一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，直流输电换流站包括两个换流变压器(第一换流变压器2和第二换流变压器3)、一个滤波器4和一个晶闸管换流器5；所述换流变压器每相均包含三个绕组，分别为网侧绕组、延边绕组和公共绕组；延边绕组与公共绕组构成换流变压器的阀侧绕组。其中，网侧绕组采用星形连接方式接入交流电网1；延边绕组与公共绕组均采用延边三角形接线进行移相后接晶闸管换流器5；第一换流变压器的公共绕组11和第二换流变压器的公共绕组12并联后接滤波器4。 

需要说明的是，在本实施例中，两个换流变压器的结构是一样的。 

所述换流变压器的公共绕组为零等值阻抗设计的换流变压器。换流变压器的绕组按照延边绕组靠近铁芯、网侧绕组离铁芯最远、公共 绕组位于中间的排列进行布置，且绕组的结构和布局是可调整的，通过调整绕组的结构和布局实现公共绕组的等值阻抗为零。 

所述换流变压器的延边绕组与公共绕组的匝数比均为；第一换流变压器的延边绕组9和第一换流变压器的公共绕组11采用延边三角形接线后使阀侧线电压移相+15°，第二换流变压器的延边绕组10和第二换流变压器的公共绕组12采用延边三角形接线后使阀侧的线电压移相-15°，从而保证两个换流变压器阀侧绕组线电压有30度的移相，从而满足12脉波晶闸管换流器5所需要的换相电压。 

两个换流变压器公共绕组的电压矢量对应相等，两个换流变压器的公共绕组并联后连接滤波器4；所述滤波器滤除谐波的同时对基波进行无功补偿，实现了在换流变压器的阀侧进行谐波与无功的就近抑制与补偿。 

所述滤波器4为全调谐特征次滤波器。请参阅图2，为图1实施例的详细接线图，两个换流变压器公共绕组并联后接入滤波器8。滤波器8对特征次谐波(11、13、23、25等)进行全调谐设计，可采用单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器等。 

请参阅图3，以下综合图3来解释图1、2中描述的接线方式下的滤波功补原理： 

由多绕组变压器理论，可以得到如下等式： 

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Ag}1-h}-\frac{N_1}{N_3}{\stackrel{\·}{U}}_{a1-c1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}1-h}{Z}_{h13}-\frac{N_1{N}_2}{N_3^2}{\stackrel{\·}{I}}_{A1-a1-h}{Z}_{3h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Bg}1-h}-\frac{N_1}{N_3}{\stackrel{\·}{U}}_{b1-a1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}1-h}{Z}_{h13}-\frac{N_1{N}_2}{N_3^2}{\stackrel{\·}{I}}_{B1-b1-h}{Z}_{3h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Cg}1-h}-\frac{N_1}{N_3}{\stackrel{\·}{U}}_{c1-b1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}1-h}{Z}_{h13}-\frac{N_1{N}_2}{N_3^2}{\stackrel{\·}{I}}_{C1-c1-h}{Z}_{3h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Ag}2-h}-\frac{N_1}{N_3}{\stackrel{\·}{U}}_{b2-a2-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}2-h}{Z}_{h13}-\frac{N_1{N}_2}{N_3^2}{\stackrel{\·}{I}}_{a2-A2-h}{Z}_{3h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Bg}2-h}-\frac{N_1}{N_3}{\stackrel{\·}{U}}_{c2-b2-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}2-h}{Z}_{h13}-\frac{N_1{N}_2}{N_3^2}{\stackrel{\·}{I}}_{b2-B2-h}{Z}_{3h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{Cg}2-h}-\frac{N_1}{N_3}{\stackrel{\·}{U}}_{a2-c2-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}2-h}{Z}_{h13}-\frac{N_1{N}_2}{N_3^2}{\stackrel{\·}{I}}_{c2-C2-h}{Z}_{3h}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式中，h为谐波次数；N₁、N₂、N₃分别为网侧绕组、延边绕组和公共绕组的匝数；Z_h12为网侧绕组和延边绕组之间的短路阻抗；Z_h13为网侧绕组和公共绕组之间的短路阻抗；Z_h23为延边绕组和公共绕组之间的短路阻抗。Z_h3为公共绕组的等值阻抗，其值设计为零。即： 

$Z_{h3}=\frac{(Z_{h13}/N_1^2+Z_{h23}/N_2^2-Z_{h12}-N_1^2)N_3^2}{2}=0---\left(2\right)$

忽略励磁电流，可以得到换流变压器的磁势平衡方程： 

$\left\{\begin{array}{c}{N}_1{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}1-h}+N_2{\stackrel{\·}{I}}_{A1-a1-h}+N_3{\stackrel{\·}{I}}_{a1-c1-h}=0\\ N_1{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}1-h}+N_2{\stackrel{\·}{I}}_{B1-b1-h}+N_3{\stackrel{\·}{I}}_{b1-a1-h}=0\\ N_1{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}1-h}+N_2{\stackrel{\·}{I}}_{C1-c1-h}+N_3{\stackrel{\·}{I}}_{c1-b1-h}=0\\ N_1{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}2-h}+N_2{\stackrel{\·}{I}}_{a2-A2-h}+N_3{\stackrel{\·}{I}}_{b2-a2-h}=0\\ N_1{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}2-h}+N_2{\stackrel{\·}{I}}_{b2-B2-h}+N_3{\stackrel{\·}{I}}_{c2-b2-h}=0\\ N_1{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}2-h}+N_2{\stackrel{\·}{I}}_{c2-C2-h}+N_3{\stackrel{\·}{I}}_{a2-c2-h}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

由基尔霍夫电流定律可以得到如下等式： 

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{A1-a1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{A1L-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{B1-b1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{B1L-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{C1-c1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{C1L-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{a1-x-h}={\stackrel{\·}{I}}_{A1-a1-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{b1-a1-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{a1-c1-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{b1-y-h}={\stackrel{\·}{I}}_{B1-b1-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{c1-b1-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{b1-a1-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{c1-z-h}={\stackrel{\·}{I}}_{C1-c1-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{a1-c1-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{c1-b1-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{a1-c1-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{c1-b1-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{b1-a1-h}=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{a2-A2-h}=-{\stackrel{\·}{I}}_{A2L-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{b2-B2-h}=-{\stackrel{\·}{I}}_{B2L-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{c2-C2-h}=-{\stackrel{\·}{I}}_{C2L-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{a2-z-h}={\stackrel{\·}{I}}_{b2-a2-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{a2-A2-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{a2-c2-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{b2-x-h}={\stackrel{\·}{I}}_{c2-b2-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{b2-B2-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{b2-a2-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{c2-y-h}={\stackrel{\·}{I}}_{a2-c2-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{c2-C2-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{c2-b2-h}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{a2-c2-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{c2-b2-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{a2-c2-h}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

由基尔霍夫电压定律可以得到如下等式： 

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_{a1-c1-h}={\stackrel{\·}{U}}_{b2-a2-h}={\stackrel{\·}{U}}_{x-o-h}-{\stackrel{\·}{U}}_{z-o-h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{c1-b1-h}={\stackrel{\·}{U}}_{a2-c2-h}={\stackrel{\·}{U}}_{z-o-h}-{\stackrel{\·}{U}}_{y-o-h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{b1-a1-h}={\stackrel{\·}{U}}_{c2-b2-h}={\stackrel{\·}{U}}_{y-o-h}-{\stackrel{\·}{U}}_{x-o-h}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{x-o-h}=({\stackrel{\·}{I}}_{a1-x-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{b2-x-h})Z_{\mathrm{fh}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{y-o-h}=({\stackrel{\·}{I}}_{b1-y-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{c2-y-h})Z_{\mathrm{fh}}\\ {\stackrel{\·}{U}}_{z-o-h}=({\stackrel{\·}{I}}_{c1-z-h}+{\stackrel{\·}{I}}_{a2-z-h})Z_{\mathrm{fh}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

公式中，Z_fh为滤波器的阻抗。 

联合公式(1)-(5)可以得到换流变压器的网侧绕组的电流表达式如下： 

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}2-h}=\frac{N_1{N}_3({\stackrel{\·}{I}}_{C1L-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{B2L-h})Z_{\mathrm{fh}}}{N_3^2{Z}_{h13}+6N_1^2{Z}_{\mathrm{fh}}}\\ -\frac{N_1({3N}_2+N_3)({\stackrel{\·}{I}}_{A1L-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{A2L-h})Z_{\mathrm{fh}}}{N_3^2{Z}_{h13}+6N_1^2{Z}_{\mathrm{fh}}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}2-h}=\frac{N_1{N}_3({\stackrel{\·}{I}}_{A1L-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{C2L-h})Z_{\mathrm{fh}}}{N_3^2{Z}_{h13}+6N_1^2{Z}_{\mathrm{fh}}}\\ -\frac{N_1({3N}_2+N_3)({\stackrel{\·}{I}}_{B1L-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{B2L-h})Z_{\mathrm{fh}}}{N_3^2{Z}_{h13}+6N_1^2{Z}_{\mathrm{fh}}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}2-h}=\frac{N_1{N}_3({\stackrel{\·}{I}}_{B1L-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{A2L-h})Z_{\mathrm{fh}}}{N_3^2{Z}_{h13}+6N_1^2{Z}_{\mathrm{fh}}}\\ -\frac{N_1(3N_2+N_3)({\stackrel{\·}{I}}_{C1L-h}-{\stackrel{\·}{I}}_{C2L-h})Z_{\mathrm{fh}}}{N_3^2{Z}_{h13}+6N_1^2{Z}_{\mathrm{fh}}}\end{array}\right.---\left(6\right)$

又因为滤波器对特征次谐波为全调谐滤波器，所以对于特征次谐波有： 

Z_fh＝0    (7) 

结合(6)、(7)等式，可以得出对于特征次谐波下面等式成立： 

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Ag}2-h}=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Bg}2-h}=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}1-h}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{Cg}2-h}=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

也就是说，投入滤波器后，消除了换流变压器的网侧绕组的谐波电流，减小谐波对换流变压器的不良影响。另外，高次特征次谐波的阻抗对于基波成容性，全调谐滤波器滤除谐波的同时对基波进行了无功补偿。 

本发明提供的一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，能够消除直流输电中谐波及无功对换流变压器的不良影响；解决***阻抗对电力滤波效能的制约以及滤波器与***阻抗之间的串并联谐振等问题；保证高压直流输电***换流站高效安全稳定运行，改善电网的电能质量。 

本发明的更具体技术效果是： 

(1)、换流变压器具有特殊的阻抗设计，滤波器为全调谐设计。换流变压器的公共绕组的等值阻抗设计为零，且在公共绕组上接新型的全调谐特征次滤波器，这就形成了对特征次谐波电流的零阻抗短路环，从而达到良好的谐波抑制效果。且受到换流变压器网侧绕组阻抗的约束，全调谐滤波器不会与交流***阻抗发生串并联谐振，这能从根本上摆脱***阻抗对滤波效能的制约。 

(2)、换流变压器具有特殊的结构，其阀侧绕组采用延边三角形接线。采用在阀侧绕组接入滤波功补装置的方式，实现了无功功率的就近补偿和谐波的就近抑制，使得由晶闸管换流器5产生的无功和谐波不会串扰至换流变压器的网侧绕组侧以及交流电网侧。 

(3)、由于谐波和无功均在靠近换流器侧就得到了就近抑制和补偿，这不仅降低了换流变压器的附加损耗、温升、振动与噪音，而且实现了整个换流站***的高功率因数和高效率稳定运行。 

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 

Claims (7)

1.一种直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，所述直流输电换流站包括晶闸管换流器、滤波器和两个换流变压器；每个换流变压器每相包含三个绕组，分别为网侧绕组、延边绕组和公共绕组；其特征在于：

每个换流变压器的网侧绕组采用星形连接方式接入交流电网；

每个换流变压器的延边绕组与公共绕组均采用延边三角形连接方式与晶闸管换流器连接；

两个换流变压器的公共绕组并联后接滤波器。

2.根据权利要求1所述的直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，其特征在于：

所述换流变压器的公共绕组为零等值阻抗设计的换流变压器。

3.根据权利要求1所述的直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，其特征在于：

所述滤波器为全调谐特征次滤波器。

4.根据权利要求3所述的直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，其特征在于：

所述滤波器在滤除谐波的同时进行无功补偿。

5.根据权利要求1所述的直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，其特征在于：

所述换流变压器的延边绕组与公共绕组的匝数比为

6.根据权利要求2所述的直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，其特征在于：

换流变压器的绕组按照延边绕组靠近铁芯、网侧绕组离铁芯最远、公共绕组位于中间的排列进行布置，且绕组的结构和布局是可调整的，用于实现公共绕组的等值阻抗为零。

7.根据权利要求3所述的直流输电换流站的电力滤波及无功补偿的实现方法，其特征在于：

所述滤波器为单调谐滤波器、双调谐滤波器或三调谐滤波器。