楊志棟， 倪晴， 羅隆福

(1.國家電網(wǎng)有限公司， 北京100031；2.湖南大學(xué)， 湖南 長沙410082)

0 引言

我國國土面積非常廣闊， 用電負(fù)荷與能源資源的分布相距很遠(yuǎn)， 為了使得資源得以合理利用， 在電力建設(shè)過程中逐漸形成了“西電東送” “北電南送” 的局面[1-2]， 在這種距離遠(yuǎn)、 容量大的輸電工程中高壓直流輸電技術(shù)有很大的優(yōu)勢[3]， 如遠(yuǎn)距離輸電中高壓直流輸電線路的造價(jià)低、 損耗較小等。 但是傳統(tǒng)的LCC-HVDC 系統(tǒng)中存在著一些問題， 例如換相失敗是直流輸電系統(tǒng)發(fā)生概率較高的故障[4]， 其主要原因是交流系統(tǒng)故障使得逆變側(cè)換流母線電壓下降； 高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器存在嚴(yán)重的噪聲問題[5]， 影響著人民的生產(chǎn)生活和身心健康。

在高壓直流輸電系統(tǒng)中， 換流變壓器是其核心設(shè)備[6]， 本文研究LCL-HVDC 系統(tǒng)中換流變壓器的負(fù)載損耗問題。 普通變壓器在運(yùn)行過程中只承受交流電壓， 而換流變壓器除了承受交流電壓， 還需承受直流電壓， 其工作環(huán)境更加惡劣[7]。 在高壓直流輸電工程的實(shí)際運(yùn)行中， 換流閥是一種非線性結(jié)構(gòu)， 是高壓直流系統(tǒng)中的主要諧波源[8]， 其產(chǎn)生的諧波將會(huì)使得換流變壓器諧波電流增大、 震動(dòng)加劇、 鐵芯損耗增加等問題。 一般來說， 換流站中71%～88%損耗都是由換流變壓器和晶閘管換流閥引起的[9]， 所以對于換流變壓器損耗的計(jì)算是非常關(guān)鍵的。 本文以逆變側(cè)為例， 在PSCAD 中建立了LCL 型HVDC 系統(tǒng)的仿真模型， 在該模型中研究換流變壓器的負(fù)載損耗問題， 并與LCC-HVDC系統(tǒng)進(jìn)行對比。

1 LCL 型換流器介紹

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)介紹

圖1 和圖2 分別是LCC 和LCL 型換流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 LCC 型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2 逆變側(cè)LCL 型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與LCC 型換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比， LCL 型換流器在換流變壓器T 和12 脈波換流器之間加入了并聯(lián)電容C 和限流電感L， 并去掉了原來交流側(cè)的濾波器和無功補(bǔ)償電容。 其中， 限流電感L 可以限制換流閥的di/dt 值， 并聯(lián)電容C 可以起到濾波和無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

經(jīng)過原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)和仿真研究， 發(fā)現(xiàn)LCL 型HVDC 系統(tǒng)不僅可以有效降低換流變壓器的噪聲，而且可以減小逆變器換相失敗的發(fā)生概率。

1.2 L 和C 的取值介紹

限流電感的取值會(huì)影響換向角的大小， 相比于LCC 系統(tǒng)， LCL 系統(tǒng)中因變壓器阻抗不變， LCL 系統(tǒng)可不考慮對于閥短路電流的限制， 因此換向角可適當(dāng)減小， 即可減小換流器的無功消耗， 同時(shí)減小電感體積與本身損耗， 但換向角不宜過小， 否則將會(huì)導(dǎo)致諧波電流增大， 同時(shí)di/dt 的增大將會(huì)使得閥應(yīng)力增加。 因此， 限流電感的取值應(yīng)限制di/dt在換流閥可承受范圍之內(nèi)。

并聯(lián)電容的功能除了提供直流電壓與換向電壓， 還要承擔(dān)無功補(bǔ)償與諧波抑制的功能， 理想的電容值應(yīng)滿足交流母線諧波限制和與交流系統(tǒng)較低的無功交換。 因此， 并聯(lián)電容線電壓應(yīng)與變壓器低壓側(cè)額定線電壓接近。 對于并聯(lián)電容的取值根據(jù)無功補(bǔ)償?shù)脑韥碛?jì)算， 并聯(lián)電容所需要提供的無功與換流器和變壓器所消耗的無功相平衡， 由此計(jì)算并聯(lián)電容取值， 最后根據(jù)其他條件進(jìn)行微小調(diào)整。

2 換流變壓器的損耗

2.1 損耗介紹

換流變壓器損耗由勵(lì)磁損耗、 負(fù)載損耗、 電介質(zhì)損耗和雜散損耗構(gòu)成， 后兩種損耗的數(shù)值相比勵(lì)磁損耗和負(fù)載損耗來說很小， 一般可以忽略不計(jì)[10]。 負(fù)載損耗包括基波損耗和諧波損耗， 當(dāng)換流變壓器的諧波畸變率越大時(shí)， 相應(yīng)的諧波損耗來說也就越大。 一般來說， 計(jì)算換流變壓器的負(fù)載損耗的方法有以下三種[11-12]:

1) IEEE1158 方法1。 通過測量和計(jì)算得到換流變壓器在基波和各次諧波下的有效電阻和諧波電流， 然后將基波損耗和各次諧波損耗相加得到總的負(fù)載損耗。

2) IEEE1158 方法2。 這是一種近似計(jì)算的方法， 直接利用同類型換流變壓器用方法1 測量的已有數(shù)據(jù)， 推出各次諧波下的有效電阻， 并按方法1的步驟進(jìn)行計(jì)算。

3) IEC61803 方法。 假定繞組中的渦流損耗與頻率的平方成正比， 金屬構(gòu)件中的雜散損耗與頻率的0.8 次方成正比， 通過在工頻和一個(gè)倍頻下測量換流變壓器的負(fù)載損耗， 計(jì)算變壓器繞組的工頻下的渦流損耗及結(jié)構(gòu)的雜散損耗， 然后用公式計(jì)算出總的負(fù)載損耗。

2.2 損耗計(jì)算

本文提出的損耗計(jì)算方法中， 選用第二種方法(IEEE1158 方法2) 進(jìn)行計(jì)算， 該方法的具體計(jì)算過程如下[13]:

2) 計(jì)算其他諧波情況下的等效電阻Rn= knR1(kn為相對電阻系數(shù)， 見表1)。

表1 各特征諧波次數(shù)下的相對電阻系數(shù)

3) 將基波下的負(fù)載損耗和其他諧波下的負(fù)載損耗相加， 得到總的負(fù)載損耗:

忽略變壓器磁飽和的影響和非線性因素時(shí)， 總電源可以看成是由不同諧波分量的獨(dú)立源的疊加所構(gòu)成的[14]。 圖3 是第n 次諧波作用下變壓器的等效電路圖， 其中， In(1)、 In(2)為一、 二次側(cè)的諧波電流； Rn(1)、 Rn(2)為一、 二次側(cè)電阻； Xn(1)、 Xn(2)為一、 二次側(cè)電抗； Rn(m)、 Xn(m)為勵(lì)磁繞組等效電阻和電抗。

圖3 n 次諧波下?lián)Q流變壓器的等效電路

通過疊加原理可知， n 次諧波下變壓器所產(chǎn)生的損耗Pn如下所示:

變壓器的總負(fù)載損耗P 為:

式中， P1為單相變壓器的基波損耗。

3 仿真與計(jì)算

3.1 PSCAD 仿真模型介紹

LCL-HVDC 系統(tǒng)的仿真模型是在PSCAD 中根據(jù)荊門—上海±500 kV 直流輸電工程建立的， 該工程的容量為3 000 MW， 直流額定電壓為±500 kV，額定電流為3 000 A， 整流側(cè)和逆變側(cè)均采用12 脈波換流器。 圖4 和圖5 分別是在PSCAD 中建立的LCC-HVDC 和LCL-HVDC 系統(tǒng)逆變側(cè)換流器的仿真模型圖。

圖4 LCC-HVDC 系統(tǒng)中逆變器的仿真圖

圖5 LCL-HVDC 系統(tǒng)中逆變器的仿真圖

仿真模型中， 逆變側(cè)換流變壓器(單相Yy)的具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 換流變壓器部分參數(shù)

3.2 PSCAD 仿真數(shù)據(jù)

在LCC 和LCL 型HVDC 仿真模型中， 測量了逆變側(cè)換流變壓器閥側(cè)繞組的電流波形， 如圖6所示。

圖6 逆變側(cè)換流變壓器閥側(cè)繞組的電流波形

在PSCAD 中利用FFT 分析， 得到了換流變壓器閥側(cè)繞組的基波電流和諧波電流值， 見表3。

表3 換流變壓器(Yy) 閥側(cè)繞組諧波電流 A

從表3 中可以看出， 相較于LCC-HVDC 系統(tǒng)，LCL-HVDC 系統(tǒng)中基波電流值減小， 這是由于并聯(lián)電容吸收了大量無功電流， 導(dǎo)致流入換流變壓器的無功電流減小， 有功電流值基本不變， 因而電流的有效值減少。 除此以外， 高次諧波電流值也大大降低。

3.3 換流變壓器負(fù)載損耗計(jì)算

根據(jù)表3 中得到的電流數(shù)據(jù)， 利用IEEE1158方法2 計(jì)算原系統(tǒng)和新系統(tǒng)中逆變側(cè)換流變壓器的負(fù)載損耗， 計(jì)算結(jié)果見表4。

4 結(jié)語

本文在PSCAD 中建立了荊門—上海的LCCHVDC 和LCL-HVDC 系統(tǒng)的仿真模型， 研究了逆變側(cè)換流變壓器的負(fù)載損耗問題。 通過仿真研究發(fā)現(xiàn)， 與LCC-HVDC 系統(tǒng)相比較， LCL-HVDC 系統(tǒng)中換流變壓器閥側(cè)繞組的諧波電流降低， 換流變壓器的諧波損耗降低， 總的負(fù)載損耗降低約38.1%。