王 灿 ，罗隆福 ，陈跃辉 ，周冠东 ，李晓芳

（1.湖南大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082；2.国网湖南省电力公司，湖南 长沙 410007）

0 引言

高压直流输电系统HVDC（High Voltage Direct Current transmission system）广泛应用于远距离大容量输电、区域电力联网和新能源并网等领域［1］。由于晶闸管换流器的非线性特性，HVDC在运行过程中会产生大量谐波及无功［2］。为解决这些电能质量问题，传统的治理方案为在换流变压器的网侧母线上装设无源滤波器，但该方法并不完善。首先，谐波和无功全部流经换流变压器的一次和二次绕组，换流变压器的铁芯和结构件中通过较强的谐波磁通，使得变压器绝缘难度加大，损耗和发热增加，振动和噪声变大，从而影响系统的运行效率及稳定性［3-4］；其次，为避免与系统阻抗发生并联谐振，无源滤波器常常进行偏调谐设计，从而影响滤波器的滤波效果［5］。

文献［6-8］提出了一种基于感应滤波技术的高压直流输电系统HVDC-IF（HVDC based on Inductive Filtering），HVDC-IF的换流变压器阀侧绕组采用延边三角形接线方式，且在公共绕组的抽头处接入全调谐感应滤波器。HVDC-IF不但能更加有效地抑制谐波电流流入网侧绕组，改善电网的电能质量，而且能减小谐波和无功功率给换流变压器带来的不良影响。

一些文献对HVDC-IF做了相关研究，验证了其所具有的优势。文献［9］的研究结果表明投入感应滤波器后，能有效地减少换流变压器的谐波损耗及其铁芯谐波磁通。文献［10］的研究结果表明新型换流变压器能够有效地抑制绕组的电磁振动。文献［11-13］的研究结果表明HVDC-IF能够改善换相特性，防止换相失败。文献［14-16］的研究结果表明HVDCIF有助于提高故障恢复特性及其稳定性。HVDC-IF虽然有众多的优点，但仍然存在的一些不足之处，严重制约着其工程化应用。目前，HVDC主要以12脉波系统为基本单元，其需要2台换流变压器。针对12脉波系统，传统HVDC只需在网侧母线上装设1套滤波器组，且滤波器组中不需要含有5、7次滤波器；而HVDC-IF的每个换流变压器都要配置1套滤波器组（共2套滤波器组），且为消除网侧绕组和铁芯的5、7次谐波，每套滤波器组必须配置5、7次滤波器［6-8］。 由此可见，相比传统 HVDC，HVDC-IF 的滤波器及其相应的开关等设备的投入将大幅增加。

本文提出了一种改进型感应滤波高压直流输电系统 IHVDC-IF（Improved HVDC-IF）。 和传统 HVDC相同，IHVDC-IF也只需要1套滤波器组且不含有5、7次滤波器。IHVDC-IF不但保持了HVDC-IF所具有的优良特性，同时大幅减少了滤波器等设备的投入，有助于实现感应滤波技术在直流输电系统中的应用。本文首先给出了IHVDC-IF的接线方案；其次对这种新型接线方案的谐波传递特性进行了分析，验证了IHVDC-IF能够有效地将谐波屏蔽于阀侧绕组，减少网侧绕组的谐波电流；最后通过IHVDC-IF试验平台验证了理论分析的正确性。

1 接线方案

图1 HVDC-IF的拓扑结构图Fig.1 Topology of HVDC-IF

图2 IHVDC-IF的拓扑结构图Fig.2 Topology of IHVDC-IF

图3 IHVDC-IF的接线方案Fig.3 Wiring pattern of IHVDC-IF

HVDC-IF的拓扑结构如图1所示。IHVDC-IF的拓扑结构和具体接线方案分别如图2和图3所示。IHVDC-IF和HVDC-IF的相同之处有以下几点：换流变压器的阀侧绕组都采用延边三角形移相；换流变压器的绕组都是按照延边绕组靠近铁芯、网侧绕组离铁芯最远、公共绕组在中间进行布置，且通过调整绕组的结构和布局实现公共绕组的等值阻抗为零；为实现12脉波系统，2个换流变压器阀侧绕组线电压必须有30°的移相，则延边绕组和公共绕组的匝数比应为相比图1中的 HVDC-IF，图2中的IHVDC-IF的改进有如下几点：IHVDC-IF换流变压器阀侧绕组的具体移相方法不同，其2个换流变压器公共绕组的电压矢量对应相等，即Ua1c1=Ub2a2、Ub1a1=Uc2b2、Uc1b1=Ua2c2，所以2个换流变压器的公共绕组可进行对应并联连接；2个换流变压器的公共绕组并联后接1套全调谐感应滤波器组，且滤波器组中不含5、7次滤波器，仅为11、13次双调谐滤波器。

根据图3中IHVDC-IF的具体接线方案可以得到2个换流变压器阀侧绕组线电压的矢量图，如图4所示。由图中可以看出阀侧绕组的线电压相位也同样彼此相差30°，它们共同组成了12脉波换流器所需的换相线电压，可见本文移相方案的正确性。

图4 阀侧绕组电压矢量图Fig.4 Phasor diagram of valve-side winding voltage

2 谐波传递特性

由图2和图3可以得到IHVDC-IF的等效电路模型，如图5所示。其中三相晶闸管整流桥用谐波电流源进行等效代替，h为谐波次数，则h=6k±1（k=1，2，…）。

图5 IHVDC-IF的等效电路模型Fig.5 Equivalent circuit model of IHVDC-IF

由多绕组变压器理论［17］，可以得到如下等式：

其中，N1、N2、N3分别为网侧绕组、延边绕组和公共绕组的匝数；Zh12为网侧绕组和延边绕组之间的短路阻抗；Zh13为网侧绕组和公共绕组之间的短路阻抗；Zh23为延边绕组和公共绕组之间的短路阻抗；Zh3为公共绕组的等值阻抗，其值设计为零。

忽略励磁电流，可以得到换流变压器的磁势平衡方程：

由基尔霍夫电压定律可以得到如下等式：

其中，Zfh为滤波器的阻抗。

由基尔霍夫电流定律可以得到如下等式：

联合式（1）—（5）可以得到换流变压器的网侧绕组及滤波器的电流表达式，分别如下：

（1）当不投入感应滤波器时，此时相当于滤波器的阻抗为无穷大，即：

此时，网侧绕组的电流表达式可以表示为：

又由图4中的阀侧绕组电压矢量图可以得知阀侧绕组线电流具有如下关系：

即不投入滤波器时，IHVDC-IF换流变压器网侧绕组也不含有12k-5和12k-7次谐波，这是HVDCIF所不具备的优势。

（2）当投入感应滤波器时，由于滤波器为11、13次双调谐滤波器，所以 Zfh=0（h=11，13），结合式（6）、（7）、（10），可以得出当 h=11，13 或者 12k-5，12k-7（k=1，2，…）时下面等式成立：

当 h=12k-5，12k-7（k=1，2，…）时下面等式成立：

即投入滤波器后，IHVDC-IF网侧绕组不但没有12k-5和12k-7次谐波，含量较大的11、13次谐波也被滤除。同时，滤波器中也不含有12k-5和12k-7次谐波。

综上分析可见，IHVDC-IF虽然只配备了1套11、13次双调谐感应滤波器，但是同样实现了HVDC-IF（配备了2套滤波器组，且每套滤波器组由1个5、7次双调谐滤波器和1个11、13次双调谐滤波器并联组成）所具备的功能，即消除换流变压器的网侧绕组的谐波电流，减小谐波对换流变压器的不良影响。不投入和投入滤波器时IHVDC-IF的谐波传递路径示意图如图6所示。

图6 IHVDC-IF的谐波传递路径Fig.6 Harmonic transfer path in IHVDC-IF

3 单极运行及线路故障运行特性

由第1节中的接线方案可以看出，本文所提出的IHVDC-IF只是对HVDC-IF的谐波治理的不足之处进行了有效的改进，IHVDC-IF和HVDC-IF的区别主要在于谐波的传递路径的不同，由于都是采用了感应滤波技术，其他工况下的有关运行特性，如无功补偿、换相失败、线路故障特性、单极运行等两者并没有本质上的区别，所以文献［11-16］中有关HVDC-IF的相关运行特性的结论同样适用本文所提出的IHVDC-IF系统。文献［11-16］已经对HVDC-IF的各种工况下的运行特性进行了分析，由文献的研究结果可以看出实施感应滤波技术后，当线路故障和单极运行时，不但不会对直流系统造成明显的不良影响，还由于感应滤波技术本身无功功率的就进补偿作用，会在一定程度上改善直流系统的换相特性及故障恢复特性等。

需要说明的是，与传统直流输电和HVDC-IF相比，IHVDC-IF的2个换流变压器的公共绕组并联工作，其谐波流通路径不同，当单极运行时也是如此，此时IHVDC-IF中的2个换流变压器的网侧绕组都会有谐波电流流过，谐波传递示意图如图7（a）所示，这和HVDC-IF的谐波流通路径不同。可采用断开停运极换流变压器的并联开关，这时停运极换流变压器不会有电流流过，谐波传递示意图如图7（b）所示，这时和HVDC-IF的谐波流通路径一致。

图7 单极运行时IHVDC-IF的谐波传递路径Fig.7 Harmonic transfer path in IHVDC-IF in monopole operation mode

4 仿真及试验验证

建立了背靠背的12脉波IHVDC-IF试验平台。IHVDC-IF系统直流侧额定电压为1000 V，直流额定功率为100 kW，换流变压器由3台单相三绕组变压器构成，单台变压器的额定容量为17.9 kV·A，额定电压为220 V/196.7 V/113.6 V，公共绕组的等值阻抗为0.005%，基本为零阻抗设计。基于IHVDC-IF试验平台对换流变压器的网侧绕组电流进行了测试。另外根据文献［9］中换流器的谐波模型及其本文第2节中的相关公式，可以得到换流变压器网侧绕组电流的理论计算波形图。换流变压器网侧绕组电流的计算及测试波形如图8所示。由图8可以看出理论计算波形与测试波形基本一致，验证了文中谐波传递特性分析的正确性。

换流变压器网侧绕组具体谐波电流含量如表1所示。由表1可以看出，IHVDC-IF在不投入感应滤波器时，网侧绕组也不含有5、7次谐波，这是HVDC-IF所不具有的特性；投入11、13次双调谐感应滤波器后，网侧绕组5、7、11、13次等主要谐波被滤除。滤波器的谐波电流数据如表2所示，可见滤波器中基本不含有5、7次谐波。试验结果和上文中理论分析相符合，说明本文所提出的IHVDC-IF的可行性。

图8 网侧绕组计算与实测电流波形Fig.8 Calculative and experimental waveforms of grid-side winding current

表1 网侧绕组谐波电流实测数据Table 1 Experimental data of grid-side winding harmonic current

表2 滤波器谐波电流实测数据Table 2 Experimental data of filter harmonic current

5 结论

本文提出了一种IHVDC-IF，其采用新型的接线方案，2个公共绕组并联后接一套11、13次双调谐感应滤波器。推理了IHVDC-IF的谐波传统特性，分析结果表明即使不投入感应滤波器，网侧绕组也不含有12k-5、12k-7次谐波，投入感应滤波器后，11、13次谐波也被滤除。试验验证了文中的理论分析。相比传统的HVDC-IF，IHVDC-IF投入的滤波器、开关等设备较少，但是同样能够实现改善电能质量、减少谐波对换流变压器的不良影响等效果。