換流變壓器產(chǎn)生的二次諧波電流及其實(shí)驗(yàn)研究

1、0. 引言直流輸電系統(tǒng)中的諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象是指交直流側(cè)電壓 、 電流通過(guò) 換流站各非線性原件的相互配合 , 構(gòu)成了一個(gè)直流側(cè)和交流側(cè)之間的 正反饋閉環(huán) , 造成諧波振蕩放大 , 導(dǎo)致?lián)Q流站交流母線電壓嚴(yán)重畸變 , 最終可能致使直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行困難甚至系統(tǒng)關(guān)閉 。 最早出現(xiàn)諧波不 穩(wěn)定性問(wèn)題的直流輸電工程有新西蘭直流輸電工程和英法海峽直流 輸電工程 , 后來(lái) Kingsnorth 和 Nelson River 等多個(gè)直流輸電工程都曾 出現(xiàn)過(guò)諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象 1。 我國(guó)未來(lái)將成為直流輸電線路最多的國(guó)家 之一 , 研究分析直流輸電系統(tǒng)和其他非線性元件與交流系統(tǒng)相互作用 下可能引起的諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象 , 對(duì)

2、直流輸電系統(tǒng)中裝置的設(shè)計(jì)與配置 很有必要 。 1977年 Ainsworth 確認(rèn)了一種由換流變壓器鐵心飽和引起 的諧波不穩(wěn)定性現(xiàn)象 2, 在這其中二次諧波和直流電流是值得關(guān)注的 兩個(gè)量 , 作者基于這種不穩(wěn)定現(xiàn)象進(jìn)行了流入換流變壓器繞組直流電 流與產(chǎn)生的二次諧波電流關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究 。進(jìn)入變壓器繞組的直流電流使得主磁通在半個(gè)周波內(nèi)周期性地 出現(xiàn)飽和 , 從而導(dǎo)致勵(lì)磁電流出現(xiàn)諧波分量 。 換流站直流側(cè)的基頻電 流會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生直流電流 。 換流站交流側(cè)的正序二次諧波電壓經(jīng)過(guò) 直流側(cè)的反饋 , 最終也會(huì)在交流側(cè)形成一個(gè)直流電流 3。 下面以這幾個(gè) 不同的量為分類來(lái)介紹一下交直流混聯(lián)系統(tǒng)中直流電流的

3、來(lái)源 : (1 直流電流 :當(dāng)直流線路為單極大地回線運(yùn)行方式時(shí) , 由于直流 系統(tǒng)接地極的高電位在地中產(chǎn)生的電流場(chǎng)的作用 , 導(dǎo)致產(chǎn)生直流電流 流入變壓器繞組 。(2 基頻分量 :交流線路通過(guò)交直流線路間的電容和互感 , 在直流 線路上會(huì)感應(yīng)出基頻電壓 U ac 和電流 I ac , 它們通過(guò)線路兩側(cè)換流閥的 開關(guān)動(dòng)作 , 在換流變壓器閥側(cè)繞組中產(chǎn)生直流分量 I dc 和正序二次諧 波分量 I 2+。(3 二次諧波分量 :當(dāng)交流側(cè)線路存在不平衡負(fù)載時(shí)或其他一些 不平衡因素時(shí) , 換流站交流母線出現(xiàn)正序二次諧波 , 經(jīng)過(guò)直流側(cè)的反 饋后會(huì)在換流變壓器閥側(cè)繞組產(chǎn)生一個(gè)直流分量 。對(duì)于貴 廣直流輸電

4、工程 , 制造商計(jì)算了換流站在最不利條件下 的直流偏磁電流 , 結(jié)果是 :觸發(fā)角不平衡引起 0.84A (閥側(cè) ; 二次諧波 電壓引起 0.38A (閥側(cè) ; 并行交流電路感應(yīng)引起 1.09A (閥側(cè) ; 單極運(yùn) 行地電位升高引起 1.67A ; 等效到網(wǎng)側(cè)的繞組總的直流偏 磁 電 流 為 2.6A (相當(dāng)于正常勵(lì)磁電流的 1.7倍 4。1. 二次諧波的傳遞機(jī)理如圖 1所示 , 如果有一個(gè)正序二次諧波電壓 U 2+出現(xiàn)在換流變壓 器的交流側(cè) , 那么經(jīng)過(guò)換流閥的開關(guān)動(dòng)作就會(huì)有一個(gè)基頻電壓 U ac 出 現(xiàn)在直流側(cè) , U ac 加在直流側(cè)基頻等效阻抗上形成基頻電流 I ac 。 I ac 的

5、大小取決于直流側(cè)等效電阻 Z ac , 如果直流側(cè)在基頻附近發(fā)生串聯(lián)諧 振 , 那么即使是一個(gè)很小的 U 2+值也 能 產(chǎn) 生 一 個(gè) 大 小 相 當(dāng) 可 觀 的 I ac 值 。 直流側(cè)的基頻電流 I ac 通過(guò)換流閥的開關(guān)動(dòng)作 , 在交流側(cè)產(chǎn)生了正 序二次諧波電流 I 2+和直流電流 I dc 。 這樣 I dc 就會(huì)進(jìn)入變壓器繞組使得 換流變壓器飽和從而產(chǎn)生諸多諧波分量 , 這其中就包含有正序二次諧 波電流 I 2+, I 2+又經(jīng)過(guò)交流側(cè)的正序二次等效阻抗產(chǎn)生了正序二次諧 波電壓 U2+。 同樣地 , 如果交流側(cè)在二次頻率附近發(fā)生并聯(lián)諧振 , 那么 U 2+又會(huì)被放大 。 這樣循環(huán)下去

6、 , 理論上正序二次諧波電壓 U 2+會(huì)被無(wú) 限地放大 , 最終導(dǎo)致諧波不穩(wěn)定現(xiàn)象 。圖 1二次諧波和直流電流轉(zhuǎn)換過(guò)程Fig1transfer course of 2nd harmonic and direct current由上述可知 , 在諧波放大過(guò)程中 , 直流電流進(jìn)入換流變壓器使其 飽和后產(chǎn)生二次諧波電流是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 5。 我國(guó)第一條直流輸電 線路葛上線工程的標(biāo)準(zhǔn)是小于勵(lì)磁電流 (對(duì)于大型換流變約為額定電 流的 1% 的 1.5倍 7。 高壓直流接地極技術(shù)導(dǎo)則 規(guī)定經(jīng)中性點(diǎn)流入 變壓器繞組的直流不超過(guò)變壓器額定電流有效值的 0.7%8。 本文旨在 通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋求換流變壓器繞組中直流電

7、流與因此而產(chǎn)生的二次諧波 電流之間的關(guān)系 。2. 變壓器實(shí)驗(yàn)研究2.1實(shí)驗(yàn)等價(jià)性考慮高壓直流輸電系統(tǒng)中的換流變壓器一般容量都很大 。 由于各方面 條件的限制 , 現(xiàn)實(shí)中很難對(duì)實(shí)際的換流變壓器進(jìn)行偏磁實(shí)驗(yàn) 。 因此本 實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)變壓器為單相小容量干式變壓器 。因?yàn)橛捎诖怕返牟煌?, 不同的鐵心結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的直流磁通是不同 的 。 因此對(duì)于不同的變壓器鐵心結(jié)構(gòu) , 相同的直流注入下產(chǎn)生的勵(lì)磁 電流畸變程度也是不同的 。 例如三相組式結(jié)構(gòu)比三相三柱式的畸變程 度就要嚴(yán)重得 多 。 大 型 換流變壓器的結(jié)構(gòu) 多 為 三 相組式 , 鐵心為雙柱帶旁軛 。例 如 我 國(guó) 的 三 常 直 流 輸電工程和葛

8、上直 流 輸 電工程中的換流變壓器都是采 用 這 種 結(jié) 構(gòu) 8,9。 本 實(shí) 驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)變壓器為單相單柱帶旁軛結(jié)構(gòu) (圖 2所示 , 保證了在磁路上與大型換流變壓器是等效的 。對(duì)直流比較敏感的三相組式變壓器 , 由于直流換流變壓器產(chǎn)生的二次諧波電流及其實(shí)驗(yàn)研究桂 重(廣東省電力設(shè)計(jì)研究院 廣東 廣州 510663【 摘 要 】 本文介紹了高壓直流輸電系統(tǒng)中直流電流的來(lái)源和二次諧波的傳遞過(guò)程 , 以及由此可能引發(fā)的諧波不穩(wěn)定性 。 針對(duì)變壓器繞組 中存在的直流電流而導(dǎo)致的二次諧波電流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究 , 得出了勵(lì)磁電流各次諧波分量 、 峰值與繞組中直流電流的關(guān)系 。 結(jié)果表明 , 二次諧 波分

9、量與直流呈線性關(guān)系 ?！?關(guān)鍵詞 】 二次諧波 ; 諧波不穩(wěn)定 ; 鐵心飽和 ; 直流輸電The 2nd Harmonic Current Produced by Convertor Transformer and its Experimental ResearchGUI Zhong(GuangdongElectric Power Design Institute , Guangzhou Guangdong , 510663China 【 Abstract 】 The source of the direct current in HVDC and the tranfer course of

10、the 2nd harmonic current are introduced in this paper. Harmonic instability due to the 2nd harmonic current is also referred. A transformer experiment were carried out to seek for the relationship between direct current and resultant harmonics in the convertor transformer. It is shown that a linear

11、relationship exist between 2nd harmonic and direct current. 【 Key w ords 】 2nd harmonic ; Harmonic instability ; Core saturation ; HVDC圖 2實(shí)驗(yàn)變壓器鐵心結(jié)構(gòu) Fig2Core structure ofthe experiment transformer 716 磁通通過(guò)鐵心閉合 , 因此勵(lì)磁電流的畸變與鐵心鋼片的材料特性和工 作磁密的選擇密切相關(guān) 。 變壓器的鐵心通常采用高性能導(dǎo)磁硅鋼片疊 成 , 本實(shí)驗(yàn)采用的變壓器鐵心能基本反映實(shí)際換流變壓器的磁化特 性

12、。 大型變壓器的工作磁密在 1.71.75T , 本實(shí)驗(yàn)變壓器的工作磁密 點(diǎn)選擇在 1.7T 。2.2實(shí)驗(yàn)回路圖及變壓器參數(shù) 圖 3實(shí)驗(yàn)回路圖Fig3T he experiment circuit實(shí)驗(yàn)變壓器額定電壓 220V , 額定容量 2kVA , 變比 1:1, 空載勵(lì)磁 電流 1.16A , 單相單柱帶旁軛式 , 鐵心采用新日鐵公司生產(chǎn)的 30Z140型 。2.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 通過(guò)改變可調(diào)電阻值來(lái)控制實(shí)驗(yàn)變壓器繞組注入直流的大小 , 得 出一組不同直流下原方勵(lì)磁電流的波形 。 圖 3是變壓器工作在額定電 壓下 , 不加直流和加直流 126.4mA (10.9%IN 、 621.6mA

13、(53.6%IN 、 1397mA (120.4%IN 狀況下的勵(lì)磁電流波形的一個(gè)對(duì)比 , 其中 I N 為正 常勵(lì)磁電流 1.16A 。 (a無(wú)直流注入時(shí)勵(lì)磁電流 (b注入直流 126.4mA 時(shí)勵(lì)磁電流 (c注入直流 621.6mA 時(shí)勵(lì)磁電流(d注入直流 1397mA 時(shí)勵(lì)磁電流圖 4直流偏磁與正常狀況下勵(lì)磁電流的比較Fig4compare of excited current under different conditions 表 1為不同直流注入下勵(lì)磁電流波形通過(guò)快速傅立葉分析 (FFT 后的各次諧波分量 。表 1勵(lì)磁電流各次諧波分量(注 :表中各值均以勵(lì)磁電流 1.16A 為基準(zhǔn)

14、量 圖 5各次諧波分量與直流電流的關(guān)系曲線Fig5relationship between harmonics and direct current圖 5是根據(jù)表 1繪制的各次諧波分量與直流電流的關(guān)系曲線 。 圖 6是勵(lì)磁電流峰值與直流電流的關(guān)系曲線 。圖 6勵(lì)磁電流峰值與直流電流的關(guān)系曲線Fig6R elationship between peak value of excited current anddirect current(下轉(zhuǎn)第 682頁(yè)717科技信息 2009年 第 33期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION (上接第 717頁(yè) 2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

15、分析(1 直流偏磁造成變壓器鐵心高度飽和 , 勵(lì)磁電流有效值 、 峰值增 加 , 勵(lì)磁電流中各低次 (2、 3、 4、 5次 諧波含量明顯增加 。 與變壓器過(guò) 勵(lì)磁導(dǎo)致的鐵心飽和不同 , 直流偏磁時(shí) , 只在半個(gè)周期內(nèi)電流發(fā)生畸 變 , 因此除了奇次分量有所增加外 , 偶次分量也大幅度地增加了 。(2 勵(lì)磁電流中二次諧波分量和注入直流呈明顯的線性關(guān)系 。 其 余各次諧波不具備這種特性 。 至于二次諧波分量和注入直流的比值 , 這與變壓器個(gè)體的設(shè)計(jì) 、 結(jié)構(gòu)等關(guān)系較大 。 例如與變壓器飽和磁密點(diǎn) 、 工作磁密點(diǎn)的選擇 、 磁化曲線拐點(diǎn)是否圓滑以及變壓器的鐵心結(jié)構(gòu)等 因素有關(guān) 。(3 直流偏磁情況

16、下 , 勵(lì)磁電流峰值的增加明顯要高于各諧波分 量 。 當(dāng)注入直流從 0變到空載勵(lì)磁電流的 1.2倍 (1397mA 時(shí) , 勵(lì)磁電 流的峰值增加到 5.8倍 。3. 結(jié)論在直流輸電系統(tǒng)中 , 由于種種原因換流變壓器繞組中會(huì)有一定量 直流電流的存在 , 導(dǎo)致了變壓器飽和 , 產(chǎn)生了二次諧波分量 , 這是有可 能產(chǎn)生鐵心飽和不穩(wěn)定現(xiàn)象的根源 。 本次實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)小容量變壓器 來(lái)模擬實(shí)際大型換流變壓器進(jìn)行直流偏磁實(shí)驗(yàn) , 結(jié)果表明二次諧波分 量和直流電流呈線性關(guān)系 。 【 參考文獻(xiàn) 】1徐政 . 交直流電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析 . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2004, 5.study committe

17、e 14,Winnipeg,Canada,June 1977.3高敏華 , 冷勇 . 換流變壓器中的兩個(gè)直流分量 . 變壓器 , 2002, 39(6:1519. 4趙畹君 . 高壓直流輸電工程技術(shù) . 北京 :中國(guó)電力出版社 , 2004, 8.6尚春 , HVDC 系統(tǒng)大地回路電流對(duì)交流變壓器影響的應(yīng)對(duì)措施 . 南網(wǎng)電網(wǎng)技 術(shù)研究 , 2005,1(3:2427.7高壓直流輸電接地極技術(shù)導(dǎo)則 (DL437-91.中華人民共和國(guó)電力部 , 1991. 8韓曉東 , 翟亞?wèn)| . 高壓直流輸電用換流變壓器 . 高壓電器 , 2002, 38(3:56. 9文凱成 . 葛上線直流輸電系統(tǒng)中的換流變

18、壓器 . 華中電力 , 1990, (2:3642.作者簡(jiǎn)介 :桂重 (1982 , 男 , 碩士 , 從事電力工程設(shè)計(jì)工作 。責(zé)任編輯 :張新雷 科科表 4.2綠地樹種結(jié)構(gòu)選用優(yōu)秀樹種 , 即生長(zhǎng)指數(shù) 大于 80的樹種和體現(xiàn)長(zhǎng)沙城市特色 的樹種 。 杜甫江閣的骨干樹種中 :喬木有香樟 (市樹 、 樂(lè)昌含笑 、 羅漢 松 、 銀杏 、 桂花 、 重陽(yáng)木等 ; 花灌木有杜鵑 (市花 、 紫薇 、 茉莉 、 紅桎木 、 海桐 、 薔薇等 ; 地被樹種有闊葉十大功勞 、 金葉女貞 、 梔子 、 山茶花 、 羊 齒等 。多選用鄉(xiāng)土樹種或經(jīng)多代馴化已適合本地自然環(huán)境條件且能達(dá) 到綠地設(shè)計(jì)要求的樹種 ,

19、其平均生長(zhǎng)指數(shù)大于 70。 杜甫江閣基調(diào)樹種 配置有垂柳 、 香樟 、 南酸棗等 。按照植物生態(tài)學(xué)理論 , 綠地樹種的類型選擇以實(shí)現(xiàn)物種多樣性為 好 , 以生長(zhǎng)指數(shù)大于 60的樹種均作為一般樹種 。 杜甫江閣一般樹種配 置有臘梅 , 杉木 、 楓香等 。4.3綠地建設(shè)的發(fā)展方向杜甫江閣的綠地建設(shè)雖在改善自然景觀和人居環(huán)境上有相當(dāng)大 的進(jìn)步意義 , 然而 , 根據(jù)突出生態(tài)保健功能 、 兼顧景觀質(zhì)量的要求 , 相 對(duì)于 “ 街頭綠地景觀綠蔭效果好的喬 、 灌木比 1 1115較為合適 ” 5的 指標(biāo) , 綠地模式建設(shè)結(jié)構(gòu)中的喬木樹種宜占 70%、 花灌木 20%、 地被 耐蔭植物 10%。 綠地上

20、層喬木覆被率達(dá) 70%80%, 下層花灌木覆 蓋率達(dá) 40%50%, 杜甫江閣乃至整個(gè)湘江風(fēng)光帶的綠地建設(shè)還有很 大的發(fā)展空間 。5. 結(jié)論對(duì)于杜甫江閣的景觀規(guī)劃 , 筆者認(rèn)為應(yīng)利用可持續(xù)發(fā)展的觀點(diǎn) , 立足現(xiàn)實(shí) , 著眼未來(lái) , 造福后代 。 在保持現(xiàn)有的和諧基礎(chǔ)上擴(kuò)大規(guī)模 ,將杜甫江閣的規(guī)劃與古城長(zhǎng)沙的歷史古跡聯(lián)系起來(lái) , 基本按原貌 、 原 物進(jìn)行保護(hù) , 形成一大片完整的歷史文脈保護(hù)區(qū) , 并借用古渡的傳統(tǒng) 運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)規(guī)劃 , 進(jìn)行再創(chuàng)新 , 以渡船的方式聯(lián)接景點(diǎn)之間的交通 , 發(fā) 展綠色文化 , 打造長(zhǎng)沙地方特色 , 使杜甫江閣不斷向 “ 江南三大名樓 ” 看齊 , 成為融歷史 、

21、文化 、 生態(tài) 、 景觀于一體的新的旅游景點(diǎn) , 吸引更多 省內(nèi)外游客 , 帶動(dòng)古城長(zhǎng)沙的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展 。 【 參考文獻(xiàn) 】1張祖剛 . 中國(guó)城市歷史文化的延續(xù)和發(fā)展 M. 建筑歷史與理論第 5輯 . 北京 :中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 1997. 2高毅存 . 文脈主義與朝阜文化街 關(guān)于古都風(fēng)貌保護(hù)與城市發(fā)展的探討J.北京規(guī)劃建設(shè) , 1999年第 6期 :10-13.3吳弋 , 陳小卉 . 現(xiàn)代城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃特 點(diǎn) 以 宜 興 為 例 J.中 國(guó) 園 林 , 2000, 16(7:64-65.4劉炳英 , 賈福功 . 關(guān)于城市地面建設(shè)幾點(diǎn)議論 J. 中國(guó)園林 , 1996, (3:50-51.5陳 自 新 , 蘇 雪 痕 , 劉 少 宗 . 北 京 城 市 園 林 綠 化 生 態(tài) 效 益 的 研 究 J. 中 國(guó) 園 林 , 1998, (1:57-601.6相西如 , 吳戈 . 古黃河風(fēng)光帶規(guī)劃設(shè)計(jì)構(gòu)想 J.城市研究 , 2000年第 1期 :24-25.7Xiong Luxia.The planning of Shanghai Yuyuan tourist and shopping centerJ.China City Planning Review,June 1994:47-51.注釋 : 杜甫 (公元 712年 770年 , 字子美 , 自號(hào)少陵野老 ,