提高直流諧波穩定性的技術研究

代書龍，張銳，劉百爽

（中國南方電網超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000）

0 前言

由于高壓直流輸電系統存在輸送容量大、功率調整靈活、節省輸電走廊等眾多優點，被廣泛應用于超高壓、遠距離、大容量輸電[1-4]。牛從直流輸電系統作為世界上首個同塔雙回直流輸電系統，送端為位于云南省昭通市的牛寨站，受端為位于廣東省從化市的從西站，額定輸送容量高達6400 MW[5]，其運行情況直接影響整個南方電網主網架的穩定性。然而，牛寨站交流系統出現沖擊時，從西站曾多次發生50 Hz 保護動作的情況，該問題已對牛從直流的可靠性造成嚴重威脅。

當前對高壓直流輸電系統諧波的研究主要傾向于濾波器的設計[6-7]，濾波器參數變化對濾波性能的影響[8]，諧波不穩定性[9-11]，諧波計算等方面[12-14]。對于諧波不穩定性的計算方法，主要有特征諧波潮流算法[15]以及經驗模式分解法[16]。另外，有部分文獻對直流線路的低頻諧振以及抑制措施進行了探討[17-20]，但未發現有提出在整流站直流出線處加裝低頻濾波器并對濾波效果進行深入研究的文獻。

本文對牛從直流發生的幾起諧波保護動作情況進行介紹后，借助牛從直流PSCAD/EMTDC 仿真模型，模擬直流系統發生故障時諧波保護動作機理，并提出在牛寨站高壓直流出線處裝設雙調諧及單調諧濾波器兩種解決方案，對兩種方案的濾波效果進行分析，得出在牛寨站直流出線處裝設一組單調諧濾波器時濾波效果較好的結論。

1 諧波保護原理及諧波動作

牛從直流諧波保護包含50 Hz 和100 Hz 保護，兩種保護的判據分別如式（1）、式（2）所示，諧波保護的保護原理為直流中性母線電流中的50 Hz 或100 Hz 諧波分量達到保護定值及延時后出口，出口方式根據諧波電流含量大小以及延時長短分為報警段、切換段、功率回降段和動作段。

式中，IdcN_50為IdcN的50 Hz 分量值，IdcN_100為IdcN的100 Hz 分量值，Iset為電流整定值，kset為比例系數整定值，IdcN為閥廳中性母線電流。

牛從直流曾發生兩起牛寨站換流變壓器充電過程中，從西站50 Hz 保護動作導致功率回降的情況。經分析，兩次從西站50 Hz 保護動作原因均為牛寨站換流變壓器首次充電時產生的50 Hz 諧波進入運行的直流系統，經線路放大后，從西站50 Hz 保護發出功率回降命令。此外，發生一起溪洛渡電廠主變充電造成牛寨站交流電壓畸變，在直流側產生的50 Hz 分量經線路放大后，從西站50 Hz 保護動作跳閘的故障。

作為檢測直流線路電流中諧波分量的50 Hz保護，牛寨站交流系統受到沖擊時，若由從西站50 Hz 保護動作切除故障，除了兩站50 Hz保護的配合不合理之外，更暴露出牛寨站交流系統發生故障后高壓直流線路中存在大量諧波的嚴重事實。然而，若簡單的增大從西站50 Hz保護動作定值及延時或降低牛寨站50 Hz 保護動作定值及延時，便存在從西站交流場區域故障時，50 Hz 諧波保護拒動以及牛寨站發生其余類型的故障時50 Hz 諧波保護誤動的風險。并且直流線路中存在低頻諧波的問題并未得到治理。因此，牛寨站交流系統發生故障時，如何減小直流線路中的諧波分量亟需解決。

2 故障模擬

為研究牛寨站交流系統故障時從西站50 Hz諧波保護動作機理，本文借助牛從直流PSCAD/EMTDC 仿真模型對故障進行模擬，以下仿真均在仿真模型中設置牛寨站牛從甲直流極1 YY 換流變網側A 相13s 時發生接地故障，接地電阻為0.001Ω，故障持續時間0.1s，0.1s 后故障自動消失。

牛寨站及從西站直流電流仿真結果如圖1所示，由圖1 可知故障期間兩站直流電流中均含有豐富的諧波，對諧波進行快速傅里葉變換，發現牛寨站及從西站諧波中含量最高的為50 Hz及100 Hz 分量，分別如圖2、圖3 所示。不難看出，牛寨站換流變網側發生單相接地故障時，直流電流中包含大量50 Hz 及100 Hz 諧波分量，50 Hz 諧波在故障發生及消除瞬間含量較大，且衰減較快，100 Hz 諧波在故障期間含量較高，故障消除后立即減小，牛寨站50 Hz 諧波分量最大值達545A，100 Hz 諧波分量最大值達690A。從西站諧波電流變化趨勢與牛寨站相似，但從西站50 Hz 諧波含量比牛寨站高，最大值達695A，100 Hz 諧波分量最大值達630A，較牛寨站有所減少。故障仿真情況與牛寨站換流變充電及溪洛渡電廠主變充電時產生的諧波分量變化趨勢類似。為此，用牛寨站換流變網側發生單相接地故障為例，探討牛寨站交流系統發生故障時，減小直流線路中的諧波以及避免從西站諧波保護動作的措施。

圖1 牛寨站及從西站直流電流

圖2 牛寨側電流中50 Hz及100 Hz諧波

圖3 從西側電流中50 Hz及100 Hz諧波

3 單調諧濾波

單調諧濾波電路由電阻、電容、電感串聯組成，當電容與電感發生串聯諧振時，回路中的阻抗Z 最小，發生串聯諧振時的頻率即為調諧頻率，阻抗與角頻率之間的關系式如式3 所示。

式中，Z 為電路阻抗，R 為電阻，L 為電感，C 為電容，w 為角頻率，單調諧濾波器發生串聯諧振時，角頻率與調諧頻率及電容、電感之間存在式4 所示的關系。

其中，f為諧振頻率。由于牛從直流輸電線路的電阻只有9.07 Ω-12.43 Ω，為提高濾波效果，本文選取的單調諧濾波器電阻為0，選取一組電容量為10.239 μF，電感量為0.99 H 的50 Hz 濾波器，選取另外一組電容量為3.51 μF，電感量為0.7236 H 的100 Hz 濾波器。所選擇的單調諧濾波器電路圖及50 Hz、100 Hz 單調諧濾波器阻頻特性曲線分別如圖4 至圖6 所示。

圖4 單調諧濾波器電路圖

圖5 50 Hz濾波器阻頻特性曲線

將上述50 Hz 及100 Hz 濾波器裝設于牛從直流牛寨站高壓直流出線處，并在牛從直流PSCAD/EMTDC 仿真模型中，設置牛寨站牛從甲直流極1 YY 換流變網側A 相接地故障時，兩站高壓直流電流仿真結果如圖7 所示，從西站直流電流經快速傅里葉變換后50 Hz 及100 Hz諧波分量如圖8 所示，由圖7、圖8 可知，牛寨站高壓直流出線處裝設一組50 Hz 及100 Hz 濾波器后，從西站直流電流中的諧波成分明顯減小，從西站50 Hz 諧波含量最大值為530 A、100 Hz 諧波含量最大值為560 A，兩種諧波分量均小于未裝濾波器前的諧波分量。即在牛寨站高壓直流出線處裝設一組50 Hz 及100 Hz 濾波器可減小高壓直流線路電流中的諧波，并且能避免從西站50 Hz 及100 Hz 保護動作。

圖6 100 Hz濾波器阻頻特性曲線

圖7 裝設單調諧濾波器時兩站直流電流

圖8 裝設單調諧濾波器時從西站諧波

4 雙調諧濾波

雙調諧濾波器不但可以同時濾除某兩個特定頻率的諧波，而且損耗及經濟性均較好，因而被廣泛應用，雙調諧濾波電路由電容、電感串聯后與電容、電感的并聯電路串聯組成，其電路圖如圖9 所示，其阻抗與角頻率的關系如式5 所示。

圖9 雙調諧濾波器電路圖

式中各物理量的含義與式3 相同，令Z(w)=0 時，雙調諧濾波器發生諧振，此時解方程并舍棄負值后可得角頻率的兩個解如式（6）、式（7）所示。

角頻率與頻率之間存在式（8）所示關系式。

每一個諧振頻率均對應一個角頻率，因而根據需要濾除的50 Hz 及100 Hz 諧波，可算出對應的角頻率，根據角頻率的數學表達式選取其中一組解，其參數分別為：C1 取5.92 μF，L1 取0.574 H，C2 取25.9 μF，L2 取0.291 H，該雙調諧濾波器的阻頻特性曲線如圖10 所示。

圖10 雙調諧濾波器阻頻特性曲線

將該雙調諧濾波器裝設于牛寨站高壓直流出線處，并在牛從直流PSCAD/EMTDC 仿真模型中，設置牛寨站牛從甲直流極1 YY 換流變網側A 相接地故障時，兩站高壓直流電流仿真結果如圖11 所示，從西站直流電流經快速傅里葉變換后50 Hz 及100 Hz 諧波分量如圖12 所示，由仿真結果可知，從西站側直流電流中的總諧波含量以及100 Hz 諧波含量明顯減小，100 Hz諧波含量最大值為500 A，但50 Hz 諧波分量最大值達到790 A，較不裝濾波器前稍微增大，產生該現象是由于50 Hz 及100 Hz 均屬于低頻諧波，濾波器中電容及電感均較大，且兩者頻率相近，阻頻特性曲線中50 Hz 諧振點兩側曲線斜率大，容易失諧，如圖10 阻頻特性曲線示意圖所示。此外，高壓直流輸電線路電阻小，因而雙調諧濾波器中50 Hz 分量調諧效果并不理想。即在牛寨站高壓直流出線處裝設雙調諧濾波器可濾除直流電流中的100 Hz 諧波，但可能導致從西站50 Hz 保護誤動。

圖11 裝設雙調諧濾波器時兩站直流電流

圖12 裝設雙調諧濾波器時從西站諧波

5 結束語

牛從直流牛寨站交流系統發生單相接地故障時，從西站50 Hz 諧波含量比牛寨站高，因而可能導致從西站50 Hz 保護動作。在牛寨站高壓直流出線處裝設一組雙調諧濾波器時，從西站直流電流中的總諧波及100 Hz 諧波含量明顯減小，但50 Hz 分量有所增加，存在保護誤動的風險。在牛寨站高壓直流出線處裝設一組50 Hz 及100 Hz 單調諧濾波器時，從西站直流電流中的總諧波、50 Hz 及100 Hz 諧波含量均明顯減小。因此采用裝設單調諧濾波器濾波的措施有利于提高電能質量，降低諧波損耗，避免從西站保護誤動。