±800kV换流变压器不同工况下绕组电流及其谐波分量仿真分析

刘 刚，张瀚方，李 琳，孙优良，程焕超

(1.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北保定071003;2.保定天威保变电气股份有限公司，河北保定071056;3.中国电力科学研究院，北京100192)

0 引言

我国高压直流输电技术的研究开始于50年代。目前，我国已有多条线路投入运行，标志着我国的直流输电技术有显著的提高［1］。随着直流输电技术的日益完善，直流输电系统的运行可靠性对电网的安全运行及国民经济日益重要。然而，换流变压器的可靠安全运行是直流输电系统可靠安全运行的基础，但在换流变压器的实际运行中，其绕组电流中含有大量高次谐波，并在绕组和金属结构件中产生谐波漏磁场和高次谐波损耗［2］，使得局部过热问题严重，对于更高等级的特高压直流输电，如±1 100 kV 等级，其绕组电流更大，由此产生的磁场、损耗及其局部过热现象更加严重，为研究换流变压器内部温度及其局部热点分布情况，需要对换流变压器内部谐波磁场及其损耗进行分析，而计算谐波磁场及其损耗，又需要对换流变压器在不同工况下的绕组电流及其谐波分量进行分析。换流变压器的绕组电流及其谐波分量具有重要意义。

基于上述国内外研究现状，基于云广±800 kV 特高压直流输电系统，针对换流变压器实际工作中的不同工况(额定运行和短时过负荷运行)的绕组电流进行了仿真，并对电流的谐波分量进行了分析，为进一步研究不同工况下的谐波磁场及其损耗奠定了基础。

现有大量文献资料研究换流变压器磁场及其损耗的问题，部分文献针对电流的谐波分量及损耗进行了分析，如文献［2－7］针对额定运行条件下换流变压器磁场及谐波损耗的计算问题进行分析，文献［8］涉及到换流变压器总损耗(固定损耗、可变损耗和谐波损耗)在不同运行方式下的比较分析，文献［9］分析了换流变压器在不同直流偏磁量作用下的励磁电流谐波分量及空载损耗，文献［10］分析在额定运行条件下，不同型式换流变压器的绕组电流谐波分量及其比较，文献［11－13］分析了额定和一些故障状态下换流站交流侧母线电流和直流侧电压的谐波分量情况，而对换流变压器在过负荷运行条件下的磁场及其损耗、绕组电流谐波分量的分析及与额定运行条件下的比较分析却鲜有报道，因此，研究对比分析不同工况下

1 云广特高压直流输电系统的建模

云广直流输电工程额定容量5 000 MW，额定电压为800 kV，额定直流电流为3 125 A，总的输电距离为1 418 km［14］。本文模型采用双极双12脉动阀组接线方式，每个换流站有正负两极，每极由两个12 脉波换流器串联组成，12 脉波换流器由两个6 脉波换流器串联而成，以减少谐波成分，提高直流电压质量。换流变压器提供交流系统和换流器之间的接口，对于12 脉动换流器，该直流输电系统采用两套三相双绕组换流变压器与之连接，其阀侧绕组一个为星形接线，另一个为三角形接线，使得两个6 脉动换流器的交流侧得到相位相差30 度的换相电压［14－15］。云广线路整流侧换流变压器单台容量750 MVA，网侧绕组额定电压525 kV，阀侧绕组额定电压169.85 kV;逆变侧换流站换流变压器单台容量732.3 MVA，网侧额定绕组525 kV，阀侧绕组额定电压165.59 kV。根据云广直流特高压直流输电工程的实际工程参数，采用PSCAD/EMTDC 仿真软件，建立了交流系统，换流变压器，换流阀，交直流滤波器，平波电抗器，输电线路，控制系统的准确模型［16］，其模型如图1所示。

图1 云广直流输电系统结构示意图Fig.1 Diagram of Yunguang HVDC transmission system

2 特高压直流输电系统的仿真结果分析

本文利用PSCAD/EMTDC 仿真软件，针对云广±800 kV 直流输电系统，调节参数可以分别模拟换流变压器额定运行、短时过负荷运行条件下的网侧和阀侧绕组电流，得出其稳定运行后两种不同工况下换流变压器网侧和阀侧绕组的电流波形，并对其一个周期内的电流进行频谱分析。

2.1 额定运行

额定运行为基本运行状态，稳定运行后其整流侧和逆变侧换流变压器绕组电流的仿真结果如图2 和图3所示(以正极Yo/△为例，以A 相为例)。

图2 整流侧绕组电流波形Fig.2 Winding current waveform on rectifier side

图3 逆变侧绕组电流波形Fig.3 Winding current waveform on inverter side

2.2 短时过负荷运行

过负荷运行是指调节直流电流的电流值，使其达到额定运行电流的1.1 倍。在云广直流系统模型中，可通过改变晶闸管的触发角来改变直流电流的数值，即在其控制系统模型中，对整流侧电流反馈过程加入一个乘积环节，使反馈电流变为额定运行时的0.91(1/1.1)倍，来模仿短时过负荷运行。其整流侧和逆变侧换流变压器绕组电流稳定运行后的仿真结果如图4 和图5所示(以正极Yo/△例，以A 相为例)。

图4 整流侧绕组电流波形Fig.4 Winding current waveform on rectifier side

图5 逆变侧绕组电流波形Fig.5 Winding current waveform on inverter side

2.3 谐波分量频谱分析

从以上两种不同运行工况下的仿真结果，可以看出整流侧与逆变侧换流变压器绕组电流的波形基本一致，因此可以只对其一作分析。在额定运行和短时过负荷运行条件下，由于滤波装置通常连接在交流系统侧，换流器所产生的谐波电流全部通过换流变压器，致使换流变压器绕组电流含有大量谐波分量，电流波形发生了畸变，导致阀侧和网侧电流波形都是非正弦波形，而非正弦电流在换流变压器中产生的损耗带来的影响远远大于正弦电流产生损耗带来的影响。同时由于换流阀触发延迟角不平衡、交流侧母线含有正序二次谐波电压等原因，导致换流变压器绕组电流中产生直流分量，并且由于额定运行和短时过负荷运行时直流电流值的不同，致使额定运行和过负荷运行的电流幅值不同。在计算换流变压器磁场及其损耗时，需要知道直流分量及其各次谐波分量的具体值，因此，下面选取整流侧A 相为例，分别对额定运行和短时过负荷运行时，换流变压器网侧、阀侧一个周期内的电流进行频谱分析，额定运行和短时过负荷运行条件下的电流频谱图分别如图6 和图7所示。

从图6 和图7 分析网侧和阀侧绕组电流含有量，可以得出，谐波分量主要以特征谐波分量为主，由于直流电流中存在波纹等原因，绕组电流也产生一些非特征谐波分量，但由于非特征谐波分量较小，不再逐一列出，直流分量和特征谐波分量的具体值及其占基波的比例如表1 和表2所示。

图6 额定运行时的电流直流分量及其谐波分量Fig.6 Harmonic component and DC component at rated operation

图7 短时过负荷运行时的电流直流分量及其谐波分量Fig.7 Harmonic component and DC component at overload operation in short time

表1 额定运行时各谐波电流分量Tab.1 Each current harmonic component at rated operation

表2 过负荷运行时各谐波电流分量Tab.2 Each current harmonic component at over-load operation

通过表1 和表2所示频谱分析数据，可以看出，在两种运行工况下，绕组电流都含有较小的直流分量，且过负荷运行时直流分量小于额定运行时，当直流经过换流变压器两侧绕组时，在换流变压器铁芯内产生一恒定直流磁通，造成直流偏磁现象，致使铁芯饱和程度增加，使得漏磁增加。在两种工况下，换流变压器绕组电流所含谐波次数基本相同，主要含有5、7、11、13、17、19 等6k±1 次特征谐波，随着谐波次数的增大幅值越来越小，占基波的比例也越来越小，由此可以看出，谐波对换流变压器损耗的影响程度也会随谐波次数的不同而变化。额定运行和过负荷运行电流特征谐波分量均为5 次谐波含量最大，7 次次之。额定运行时，5 次谐波占基波比例，网侧为16.64%，阀侧16.85%;7 次谐波占基波比例，网侧为9.92%，阀侧10.09%。过负荷运行时，5 次谐波占比例，网侧为15.72%，阀侧15.86%，7 次谐波占基波比例，网侧为8.69%，阀侧8.77%。两种工况下低次谐波占基波的比例相差并不大，且过负荷运行与额定运行相比较，高次谐波分量及占基波的比例也没有明显的变化，仍趋近于零。虽然各次谐波电流的幅值与基波相比很小，但谐波损耗是不容忽视的。

3 结论

本文在PSCAD/EMTDC 环境下搭建了云广±800 kV直流输电工程仿真模型，仿真分析了换流变压器在不同工况下(额定运行和短时过负荷)网侧绕组和阀侧绕组的电流，并对绕组电流的谐波分量进行了分析。从仿真结果可以得知，在额定运行和过负荷运行时，换流变压器绕组电流中不仅含有基频交流分量，而且还含有直流分量、特征谐波分量和非特征谐波分量，其中直流分量以及非特征谐波分量较小，特征谐波谐波主要以25次以内的6k ±1 次谐波为主，其他高次谐波含量较小，且同次谐波过负荷运行电流幅值不同于额定运行时的电流幅值。整体看来，各次谐波分量所占比重不大，直流分量较小。分析结果为研究计算不同工况下±800 kV 换流变压器谐波磁场及损耗提供了重要的数据支持。

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