摘要：特高压直流换流站配置的交流滤波器兼具特征谐波滤除和无功补偿功能,但其易与电网背景谐波阻抗相互作用导致低次谐波放大现象。交流电网谐波阻抗的获取是交直流系统谐波特性分析及交流滤波器设计配置的基础。文中根据电网谐波阻抗特性较为复杂,难以建模计算的特点,提出了一种基于换流站不同运行工况的500kV交流电网背景谐波阻抗实用估算方法;定义了交流滤波器组谐波增益指标,通过该指标分析了特高压直流换流站交流滤波器组对电网低次谐波的放大机理;研究了交流滤波器参数与放大作用间的关系,提出了2种交流滤波器的改造方案。最后,以扎鲁特换流站测试数据为例,结合电网背景谐波阻抗估算结果,对其5次谐波放大问题进行了理论分析,并对交流滤波器改造方案进行了探讨。
关键词：特高压直流;换流站;交流滤波器组;电网谐波;谐波放大;谐波阻抗
引言
特高压直流输电技术具有输送容量大、传输距离远、非同步联网、不增加系统短路容量等优势，但由于其技术特性，换流站对交流电网除相当于一个电源或负荷外，还相当于一个谐波电流源，在运行时会产生大量高次谐波电流，因此需要在换流站内设置多组交流滤波器组进行滤波，避免谐波进入交流系统。
1交流滤波器组概述
特高压直流换流站交流滤波器按功能分为HP3滤波器、BP11/BP13滤波器、HP24/36滤波器、SC电容器等4种，其中SC电容器又分为不带阻尼电抗器和带阻尼电抗器等2种，实际工程中配置的滤波器种类和数量需根据换流站成套设计单位研究结论确定。以HP3交流滤波器为例，该滤波器接线见图1，典型平面布置见图2。HP3交流滤波器进线导体接入后，先与F1避雷器并联，并接入C1电容器塔高压侧，然后导体从C1电容器塔低压侧
图1 HP3交流滤波器接线
引出后，分为三路，一路接入电阻器回路，连接R1电阻器和T3电容器，一路接入电抗器回路，连接L1电抗器和C2电容器，然后两路汇合后接入T2
图2 HP3交流滤波器典型平面布置
电流互感器，然后接地，第三路接入避雷器接地回路，连接F2避雷器和T5电流互感器，然后接地。C1、C2电容器各设置1个不平衡电流互感器，设备编号分别为T1和T4。
由于直流输电工程对应的系统条件各不相同，各换流站交流滤波器各位置绝缘水平值均不相同，需成套设计单位针对各站情况专门计算确定。该工程根据成套设计单位提供的研究结论，HP3交流滤波器各位置绝缘水平值见表1，其中LIWV和SIWV2个数值分别对应设备的额定雷电过电压和额定操作过电压的绝缘耐受水平值。表1中E1～E4的位置示意见图3。
表1 HP3交流滤波器各位置绝缘水平值
图3 HP3交流滤波器绝缘水平位置接线示意
2交流滤波器组对电网低次谐波放大的抑制措施
图4谐波增益曲线
由图4可知,交流滤波器的谐波增益曲线在调谐点处存在明显的谷点,且在谷点附近的频率范围,谐波增益均处于吸收区。故只要在低次谐波范围增加调谐点即可将分界点hⅠ1大幅左移,使得交流滤波器组在低次谐波区域处于吸收区,进而避免交流滤波器组对低次谐波产生的放大作用。增加调谐点可通过以下方法实现:①增加单独的低次谐波滤波支路;②将HP12/24双调谐滤波器改造为三调谐滤波器。
2.1增加单独的低次谐波滤波支路
在原有设计基础上增加单独的低次谐波滤波支路,由于换流站交流滤波器投切组数与无功容量密切相关,在HP12/24双调谐滤波器的调谐频率限制下,换流站交流滤波器组的等效谐波阻抗基本上由直流工程输送功率决定。由于换流站输送功率较大,交流滤波器组等效的5次谐波阻抗呈现较大的容性,在原有交流滤波器参数不变的情况下,新增的低次谐波滤波支路参数设计以及与原有交流滤波器间的无功配合较难。
2.2采用三调谐滤波器
本文方法可在保持原有单体滤波器无功容量不变的前提下避免交流滤波器组对低次谐波产生的放大作用,但需要重新设计参数,改造成本较大,适合新建直流工程。
3滤波器改造探讨
3.1增加单独的低次谐波滤波支路设增加1组调谐频率为6次的单调谐滤波器,分别取无功容量310,620,930Mvar,设计得到单调谐滤波器参数。以上述3种单调谐滤波器设计参数为例,在每种设计参数情况下分别投入1组和7组交流滤波器,绘制交流滤波器组的波增益曲线如图5所示。可见,当新增的单调谐滤波器容量取到930Mvar时(可等效为新增3组310Mvar的单调谐滤波器),可避免对5次、7次谐波产生放大作用,此时需要改变换流站原有交流滤波器投切策略以平衡无功功率,且须重新考虑剩余HP12/24双调谐滤波器对特征次谐波电流的滤除能力。
3.2采用三调谐滤波器
采用HP5/12/24三调谐滤波器,保持单组交滤波器无功容量310Mvar不变,所述方法,假设等效的并联单调谐滤波器无功容量比为24∶12∶5,设计一组三调谐滤波器的参数,如图6。
图6增加1组单调谐滤波器后
交流滤波器组谐波增益曲线
分别绘制投入1组和7组交流滤波器时的谐波增益曲线,如图7所示,可见在5次、7次频段,交流滤波器组谐波增益为负,避免了对5次、7次谐波产生放大作用。
图7采用三调谐滤波器后
交流滤波器组谐波增益曲线
此方法可在保持原有单体滤波器无功容量不变的情况下通过参数设计避免交流滤波器组对低次谐波的放大。
结语
目前国内常见的电能质量测试分析仪器通常只能获取电压与电流间的相位差即功率因数,而工况切换前后电压或电流相量自身的相角变化无法测量。本文考虑目前广泛应用的仪器特征,针对所能获得的实测数据类型,提出了一种仅需要已知U·pcc,h（超高性能水泥基复合材料）幅值、I·c,h幅值以及U·pcc,h（超高性能水泥基复合材料）与I·c,h间相位差,就能进行谐波阻抗估算的实用方法。但目前较高次谐波测试数据的准确性尚存在一定问题,如何修正较高次谐波测试数据以获取较高次谐波阻抗的准确值是进一步研究需解决的问题。
本文定义了交流滤波器组谐波增益指标,该指标可直观分析不同频段下交流滤波器组的滤波性能,基于该指标提出了一种交流滤波器组对电网谐波放大的分析方法,并以扎鲁特换流站实测数据为例进行分析说明。扎鲁特换流站5次谐波电压问题主要由换流站交流滤波器投运后产生了谐波放大作用导致,其放大作用与交流滤波器投入组数(即无功容量)密切相关。
在低次谐波范围增加调谐点可避免交流滤波器组对低次谐波产生放大作用,其中增加低次谐波滤波支路的方法参数设计以及与原有交流滤波器间的无功配合较难;采用三调谐滤波器的方法可保持原有单体滤波器无功容量不变,但需要重新设计参数,改造成本较大。如何针对已有工程提出可行性较高的抑制措施是下一步研究需要解决的问题。
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论文作者:姜绪军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/24
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