换流站谐波抑制及分析

董臣 梅宁 王冬伟

摘要：本文主要的工作是研究了高压直流输电系统中的谐波，对谐波的抑制进行了综合的分析，并结合龙泉换流站的实际情况，介绍了直流工程中谐波抑制的情况以及存在的一些问题。

关键词：高压直流输电；谐波；谐波抑制；RTDS

1 引言

电力系统谐波的测量与分析已经成为电力系统领域发展的一个重要研究方向。特别是在高压直流系统投入以后，谐波污染日趋严重，成为电能质量的重要参数之一。本文介绍谐波的产生危害，并以龙泉换流站为实例，简要分析了谐波滤除。

2 换流站谐波分析

直流系统中换流器事实上是一个谐波源，因为在其中的电压和电流呈现的波形并不正弦波并且通过其的也非恒定直流，这些都表明其含有一定的谐波分量。在换流器两侧所产生的谐波分别为n=kp或n=kp±1，在公式中K可以指任意的正整数，P所指的是换流器的脉冲波数，上式中所表示的K次谐波因为是正整数倍数所以被称为是特征谐波，而除此之外的都是非特征谐波。

实际直流输电工程的运行工况不可能和理想条件相同，换流变压器流过的实际电流波形和直流电压波形中，除含有特征谐波外，还包含其他次非特征谐波。非特征谐波在发生的位置、次数、幅值和相位上有各种组合，不管采用理论分析还是数字或模拟仿真，都不可能得到清晰的关系。

3 换流站谐波抑制

对谐波进行抑制一般有以下几种方法：1、安装适当的电抗器以消抵谐波；2、在设备上装设滤波器；3、使用多相脉冲整流的方式降低谐波量；4、以降低谐波量为目的开发新型的变流器。现国内直流输电工程中常见使用增加换流器脉冲数和装设滤波器的方法来抑制谐波，下面主要就对增加换流器脉冲数和装设滤波器的情况进行简单介绍。

首先脉动数的改变会导致换流变的接线发生改变，接线方式会变得更为复杂，对于高压直流输电更难以满足要求。因此国内直流输电工程普遍采用双桥12脉冲换流器。

现直流输电工程中，一般在换流器交、直流侧装设交、直流无源滤波器。无源滤波器结构简单，成本低，吸收谐波基础上还可以补偿无功，改善功率因数。此外，无源滤波器维护方便、技术设计、制造经验成熟。是目前最为广泛的谐波抑制手段。

4 龙泉换流站谐波治理情况

龙政直流额定电流为3000A，脉动换流器为12，双极额定功率为3000MW。直流侧的特征谐波为12的倍数次谐波，交流侧的特征谐波为12的倍数±1次谐波。其直流侧谐波电流实际测量值如下：

在上面的表格中我们不难看出：直流系统中同时存在着特征谐波和非特征谐波，在系统的电流低次谐波的含量相对比较大，其数值范围集中在从2到50的区间中，在此时呈现出的功率数值区间就是由100Hz到2500Hz之间。

龙泉站自2009年起，多次发生极1 Z11（12/24次）直流滤波电容器因不平衡保护动作而跳闸的情况。在理想情况下，电容器无故障时，流过不平衡CT的电流应该为零或接近于零。当发生电容器短路故障时，不平衡CT会流过相应的电流。每次故障后龙泉站对12/24次直流滤波器均进行了元件参数测试、阻抗频率特性测试及不平衡电流测试。测试结果为C1四桥臂上电容器无损坏，参数平衡状态良好。

之后，采用RTDS仿真研究龙泉站直流滤波器不平衡电流产生的机理。实验名称见下表：

通过仿真实验，得出结论：1、当电容器C1无损坏时，系统稳态运行或有暂态扰动对不平衡电流都没有影响；2、当电容器C1有微小损坏时，不平衡电流受影响程度与电容值的变化率、系統运行状态有关：不平衡电流的幅值和振荡时间都与电容值的变化率出正比；系统有扰动时不平衡电流的幅值远大于系统稳定运行时的幅值；3、即使电容器C1的电容值在允许误差范围内变化，当系统有扰动时，不平衡电流的幅值大、振荡时间长，极有可能达到保护动作值。4、电容器C1不平衡电流的原因有两方面，一是C1电容器上的杂散电容和杂散电感引起暂态振荡电流，二是电容器有微小损坏。5、不平衡电流中含有大量间谐波，对电容器的影响最为严重，应该考虑调整滤波参数有效滤除非整数次谐波。

因龙政直流输电工程中，要求每侧换流站每极必须必须投入一组直流滤波器，为保证直流系统不因直流滤波器跳闸而闭锁，将直流滤波器电容器不平衡保护改投报警。

5 结论与展望

从龙政直流工程中可以看出，换流站通过增加换流器的脉冲数，以及在交、直流侧装设滤波器，特征谐波得到了有效的抑制。但是，交直流侧的非特征谐波抑制情况不甚良好，甚至会对运行设备产生一定的影响。因此在今后的直流工程中，应加强非特征谐波的抑制。

根据龙泉站及已投运的几个直流工程可以看出，现阶段国内在运的直流输电工程中滤波器主要采用的是无源滤波器，这种设备的特点是其受到系统参数的影响比较大，并且容易同系统以及其它的滤波支路发生串并联谐振，在对待谐波方面，其作用的发挥也比较有限，只能消除特定的几次谐波，对于其它的谐波则会起到相反的放大作用。

参考文献：

[1]赵畹君.高压直流输电工程技术[M]. 北京：中国电力出版社，2004

[2]GTO thyristor applications for HVDC transmission systems， IEEE 1990.

[3]王兆安，杨 君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，1998，30-33

[4]赵芫萍.直流输电系统的谐波危害及抑制措施. 广西电力工程，2000，（2）：58-70

作者简介：

董臣（1986-），男，湖北宜昌人，工程师，现工作于国网湖北省电力有限公司检修公司特高压交直流运检中心，从事直流换流站运维工作。