摘要：在直流输电系统中,直流系统自身以及交直流系统的谐波问题是理论分析和设备运行中值得关注的问题,而±800kV特高压直流输电比±500kV直流输电系统的电压等级更高、输电容量更大、输电距离更远,因此,其产生的谐波不稳定问题更加不容忽视。本文主要针对换流变压器铁芯饱和引起的谐波不稳定进行研究，提出抑制谐波不稳定的措施，并通过仿真验证可行。
关键词：特高压；直流输电；铁芯饱和；谐波不稳定
一、引言
基于我国电网发展的总方针——西电东送、南北互供、全国联网,我国提出建设由1000kV交流和±800kV直流输电系统构成的特高压电网发展目标。研究表明,采用±800kV特高压直流输电(UHVDC)技术,不仅有利于加大输电规模、节约输电走廊,还可以限制负荷中心的短路容量,提高电网的安全稳定水平。
二、谐波不稳定概述
多个直流输电工程都曾出现谐波不稳定问题。直流输电系统中,当在整流站或逆变站附近有扰动时,谐波不断振荡且不易衰减甚至会放大的现象称为谐波不稳定。这主要是由于交、直流侧的电压和电流通过换流器非线性环节的调制作用导致谐波在交、直流系统中被放大,最终导致换流站的交流母线电压严重畸变。 当谐波不稳定发生时,电力系统将受到极其严重的危害。 谐波电流放大可达几倍甚至几十倍,使得系统中的换流变压器、电容器及与其串联的电抗器等元件过压或者过流而造成损坏,而交流母线电压的严重畸变很容易造成系统谐波超标、换相困难甚至直流系统闭锁停运。谐波不稳定的产生主要有 2 种原因：一种由按相控制方式引起,另一种则是由于交流系统为非无穷大系统、直流侧平波电抗器非无穷大引起。后一种谐波不稳定大致又可分为 2 种：一种由交、直流两侧谐振引起,另一种由换流变压器铁芯饱和引起,也称为换流变压器铁芯饱和不稳定。本文重点分析由换流变压器铁芯饱和引起的谐波不稳定。
三、±800 kV 特高压直流系统模型的搭建
采用 PSCAD / EMTDC 电磁暂态仿真工具,根据国内某实际的向上 ± 800 kV 特高压直流输电工程,搭建 了 ± 800 kV 特高压直流输电系统的仿真模型。 直流系统采用双极对称布置,每极采用 400 kV+ 400 kV 双 12 脉动换流器串联的接线方式,实现双极电压 ± 800 kV,并且每个 12 脉动换流器旁配有旁路开关。 模型中交、直流侧均装有相应的滤波装置及无功补偿设备。
四、 ±800 kV 特高压直流系统谐波不稳定仿真分析
当高压直流输电系统以单极大地方式运行时,极易导致换流变压器产生直流偏磁现象,使得换流变压器铁芯严重饱和,在一定条件下很可能引起谐波不稳定。因此,下面主要针对该问题进行研究。交流系统阻抗、直流系统运行状态及换流器的控制等因素会影响换流变压器铁芯饱和稳定因子（SSF）。 鉴于实际运行中,交流系统阻抗及直流系统的运行状态很容易改变,因此下面主要分析这2个因素对换流变压器铁芯饱和稳定因子（SSF）的影响。
（一）交流系统阻抗对SSF 的影响
改变交流系统的短路比即可改变交流系统阻抗, 下面主要分析特高压直流输电系统在不同短路比情况下的换流变压器铁芯饱和情况。
采用 软件和实际工程的参数对交流侧母线进行短路电流计算,得出整流侧最大短路电流为 63 kA,最小短路电流为 14.9 kA,根据公式计算出最大有效短路比(ESCR)为 8.45,最小 ESCR 为 1.62。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因为ESCR＞3，为高交流系统，2＜ESCR＜3，为中交流系统，ESCR＜2，为弱交流系统；本文研究的整流侧有效短路比ESCR 为 8.45~1.62，说明整流侧最小 ESCR 为 1.62<2，即为弱交流系统。
仿真时长 5 s,在 t=2 s 时整流侧交流母线发生三 相接地短路故障,故障持续 0.15 s,ESCR 分别为 1.62、 3、5、7、8.45 时的整流侧直流电流。当特高压直流输电系统改变交流系统侧的 ESCR(即改变交流系统阻抗)时,直流电流在故障后都能恢复到故障前的稳定运行状态。且对比可知,交流系统 ESCR 越小,交流系统越弱,系统恢复到故障前的稳定水平越慢;而交流系统 ESCR 越大, 交流系统相对越强,系统恢复到故障前的稳定运行水平越快。 该仿真测试也验证了以上通过计算换流变压器 SSF 来判断系统稳定情况的正确性,即SSF>0,说明系统是稳定的,不会发生换流变压器铁芯饱和引起的谐波不稳定。
（二） 运行状态对铁芯SSF 的影响
直流系统的运行状态受受端负荷大小的影响,当受端负荷较轻时,直流系统输送功率较小,此时的变 压器也处于轻载状态,而在空载或轻载状态下,变压 器很容易出现饱和,因此下面主要讨论直流系统在单极输送不同功率情况下运行时对变压器铁芯饱和的 影响。
通过仿真试验,以下只列出直流系统在单极额定功率(PN)的100 %、70 %、40 %、20 %及 10 % 运行工 况下的仿真情况。首先根据不同功率运行状态下换流器两侧谐波关系的矩阵, 然后计算出对应的换流变压器的SSF。
计算结果表明,系统在 100 % PN、70 % PN、40 % PN 和 20 %PN 运行时,变压器的铁芯SSF>0,系统是稳定的;系统在 10 % PN 运行时,变压器的铁芯 SSF< 0,此 时如果遭受外界扰动,系统会出现换流变压器铁芯饱和而引起系统不稳定。
根据仿真系统传输功率分别为 100%PN、70%PN、40%PN 和20%PN 时受外界故障扰动后,直流电流都能缓慢恢复到故障前的运行水平;而系统在传输 功率为10 % PN 时受外界故障扰动后,直流系统呈现出不断振荡并且放大的趋势,出现了谐波不稳定现象。
五、抑制谐波不稳定的措施
根据换流变压器铁芯饱和引起谐波不稳定的产生机理可知,由于直流侧的基频谐波分量与交流侧的 2 次谐波分量经过换流器的开关调制作用,正好形成一个正反馈闭环而引起换流变压器铁芯饱和并导致谐波不稳定。只要破坏这个正反馈环,就可以避免谐波不稳定的发生。因此,提出在直流侧装设基频阻断滤波器的措施来减小直流侧的工频电流,达到抑制换流变压器铁芯饱和引起的谐波不稳定的目的。
装设基频阻波器的具体方法即在送端换流站中线母线上装设一个电抗器和并联电容器组成基频阻断滤波器。根据设计单调谐滤波器的原理，计算出电感值 L=750 mH,电容值 C=135.1 μF。根据该方案,针对系统在单极 10 %PN 运行工况下出现谐波不稳定的情况重新进行仿真分析验证了该方案可行。
参考文献；
[1]杨万开,印永华,曾南超,赵兵. 天中特高压直流输电工程系统试验方案[J]. 电网技术,2015,39(02):349-355.
[2]陈汉雄,胡劲松. 金沙江一期送端特高压直流输电系统的协调控制[J]. 电网技术,2008(08):10-14.
[3]马为民,李亚男,周静. 特高压直流输电系统可靠性和可用率指标研究[J]. 电力设备,2007(03):85-88.
[4]周浩,钟一俊. 特高压交、直流输电的适用场合及其技术比较[J]. 电力自动化设备,2007(05):6-12+39.
[5]邓旭,王东举,沈扬,周浩,陈锡磊,孙可. ±1100kV准东—四川特高压直流输电工程主回路参数设计[J]. 电力自动化设备,2014,34(04):133-140.
论文作者:白龙生
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/2/13
标签：谐波论文; 系统论文; 不稳定论文; 铁芯论文; 特高压论文; 电流论文; 基频论文; 《电力设备》2018年第25期论文;