LCL 型高壓直流輸電系統中換流變壓器損耗的仿真研究

楊志棟， 倪晴， 羅隆福

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

0 引言

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

在高壓直流輸電系統中， 換流變壓器是其核心設備[6]， 本文研究LCL-HVDC 系統中換流變壓器的負載損耗問題。 普通變壓器在運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， 其工作環境更加惡劣[7]。 在高壓直流輸電工程的實際運行中， 換流閥是一種非線性結構， 是高壓直流系統中的主要諧波源[8]， 其產生的諧波將會使得換流變壓器諧波電流增大、 震動加劇、 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算是非常關鍵的。 本文以逆變側為例， 在PSCAD 中建立了LCL 型HVDC 系統的仿真模型， 在該模型中研究換流變壓器的負載損耗問題， 并與LCC-HVDC系統進行對比。

1 LCL 型換流器介紹

1.1 拓撲結構介紹

圖1 和圖2 分別是LCC 和LCL 型換流器的拓撲結構圖。

圖1 LCC 型換流器拓撲結構圖

圖2 逆變側LCL 型換流器拓撲結構

與LCC 型換流器拓撲結構相比， 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電容C 和限流電感L， 并去掉了原來交流側的濾波器和無功補償電容。 其中， 限流電感L 可以限制換流閥的di/dt 值， 并聯電容C 可以起到濾波和無功補償的作用。

經過原理樣機實驗和仿真研究， 發現LCL 型HVDC 系統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生概率。

1.2 L 和C 的取值介紹

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

并聯電容的功能除了提供直流電壓與換向電壓， 還要承擔無功補償與諧波抑制的功能， 理想的電容值應滿足交流母線諧波限制和與交流系統較低的無功交換。 因此， 并聯電容線電壓應與變壓器低壓側額定線電壓接近。 對于并聯電容的取值根據無功補償的原理來計算， 并聯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， 由此計算并聯電容取值， 最后根據其他條件進行微小調整。

2 換流變壓器的損耗

2.1 損耗介紹

換流變壓器損耗由勵磁損耗、 負載損耗、 電介質損耗和雜散損耗構成， 后兩種損耗的數值相比勵磁損耗和負載損耗來說很小， 一般可以忽略不計[10]。 負載損耗包括基波損耗和諧波損耗， 當換流變壓器的諧波畸變率越大時， 相應的諧波損耗來說也就越大。 一般來說， 計算換流變壓器的負載損耗的方法有以下三種[11-12]:

1) IEEE1158 方法1。 通過測量和計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載損耗。

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

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， 通過在工頻和一個倍頻下測量換流變壓器的負載損耗， 計算變壓器繞組的工頻下的渦流損耗及結構的雜散損耗， 然后用公式計算出總的負載損耗。

2.2 損耗計算

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

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

表1 各特征諧波次數下的相對電阻系數

3) 將基波下的負載損耗和其他諧波下的負載損耗相加， 得到總的負載損耗:

忽略變壓器磁飽和的影響和非線性因素時， 總電源可以看成是由不同諧波分量的獨立源的疊加所構成的[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、 二次側的諧波電流； Rn(1)、 Rn(2)為一、 二次側電阻； Xn(1)、 Xn(2)為一、 二次側電抗； Rn(m)、 Xn(m)為勵磁繞組等效電阻和電抗。

圖3 n 次諧波下換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生的損耗Pn如下所示:

變壓器的總負載損耗P 為:

式中， P1為單相變壓器的基波損耗。

3 仿真與計算

3.1 PSCAD 仿真模型介紹

LCL-HVDC 系統的仿真模型是在PSCAD 中根據荊門—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， 整流側和逆變側均采用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 系統逆變側換流器的仿真模型圖。

圖4 LCC-HVDC 系統中逆變器的仿真圖

圖5 LCL-HVDC 系統中逆變器的仿真圖

仿真模型中， 逆變側換流變壓器(單相Yy)的具體數據見表2。

表2 換流變壓器部分參數

3.2 PSCAD 仿真數據

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

圖6 逆變側換流變壓器閥側繞組的電流波形

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) 閥側繞組諧波電流 A

從表3 中可以看出， 相較于LCC-HVDC 系統，LCL-HVDC 系統中基波電流值減小， 這是由于并聯電容吸收了大量無功電流， 導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 換流變壓器負載損耗計算

根據表3 中得到的電流數據， 利用IEEE1158方法2 計算原系統和新系統中逆變側換流變壓器的負載損耗， 計算結果見表4。

4 結語

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