换流变压器产生的二次谐波电流及其实验研究

1、0. 引言直流输电系统中的谐波不稳定现象是指交直流侧电压 、 电流通过 换流站各非线性原件的相互配合 , 构成了一个直流侧和交流侧之间的 正反馈闭环 , 造成谐波振荡放大 , 导致换流站交流母线电压严重畸变 , 最终可能致使直流输电系统运行困难甚至系统关闭 。 最早出现谐波不 稳定性问题的直流输电工程有新西兰直流输电工程和英法海峡直流 输电工程 , 后来 Kingsnorth 和 Nelson River 等多个直流输电工程都曾 出现过谐波不稳定现象 1。 我国未来将成为直流输电线路最多的国家 之一 , 研究分析直流输电系统和其他非线性元件与交流系统相互作用 下可能引起的谐波不稳定现象 , 对

2、直流输电系统中装置的设计与配置 很有必要 。 1977年 Ainsworth 确认了一种由换流变压器铁心饱和引起 的谐波不稳定性现象 2, 在这其中二次谐波和直流电流是值得关注的 两个量 , 作者基于这种不稳定现象进行了流入换流变压器绕组直流电 流与产生的二次谐波电流关系的实验研究 。进入变压器绕组的直流电流使得主磁通在半个周波内周期性地 出现饱和 , 从而导致励磁电流出现谐波分量 。 换流站直流侧的基频电 流会在交流侧产生直流电流 。 换流站交流侧的正序二次谐波电压经过 直流侧的反馈 , 最终也会在交流侧形成一个直流电流 3。 下面以这几个 不同的量为分类来介绍一下交直流混联系统中直流电流的

3、来源 : (1 直流电流 :当直流线路为单极大地回线运行方式时 , 由于直流 系统接地极的高电位在地中产生的电流场的作用 , 导致产生直流电流 流入变压器绕组 。(2 基频分量 :交流线路通过交直流线路间的电容和互感 , 在直流 线路上会感应出基频电压 U ac 和电流 I ac , 它们通过线路两侧换流阀的 开关动作 , 在换流变压器阀侧绕组中产生直流分量 I dc 和正序二次谐 波分量 I 2+。(3 二次谐波分量 :当交流侧线路存在不平衡负载时或其他一些 不平衡因素时 , 换流站交流母线出现正序二次谐波 , 经过直流侧的反 馈后会在换流变压器阀侧绕组产生一个直流分量 。对于贵 广直流输电

4、工程 , 制造商计算了换流站在最不利条件下 的直流偏磁电流 , 结果是 :触发角不平衡引起 0.84A (阀侧 ; 二次谐波 电压引起 0.38A (阀侧 ; 并行交流电路感应引起 1.09A (阀侧 ; 单极运 行地电位升高引起 1.67A ; 等效到网侧的绕组总的直流偏 磁 电 流 为 2.6A (相当于正常励磁电流的 1.7倍 4。1. 二次谐波的传递机理如图 1所示 , 如果有一个正序二次谐波电压 U 2+出现在换流变压 器的交流侧 , 那么经过换流阀的开关动作就会有一个基频电压 U ac 出 现在直流侧 , U ac 加在直流侧基频等效阻抗上形成基频电流 I ac 。 I ac 的

5、大小取决于直流侧等效电阻 Z ac , 如果直流侧在基频附近发生串联谐 振 , 那么即使是一个很小的 U 2+值也 能 产 生 一 个 大 小 相 当 可 观 的 I ac 值 。 直流侧的基频电流 I ac 通过换流阀的开关动作 , 在交流侧产生了正 序二次谐波电流 I 2+和直流电流 I dc 。 这样 I dc 就会进入变压器绕组使得 换流变压器饱和从而产生诸多谐波分量 , 这其中就包含有正序二次谐 波电流 I 2+, I 2+又经过交流侧的正序二次等效阻抗产生了正序二次谐 波电压 U2+。 同样地 , 如果交流侧在二次频率附近发生并联谐振 , 那么 U 2+又会被放大 。 这样循环下去

6、 , 理论上正序二次谐波电压 U 2+会被无 限地放大 , 最终导致谐波不稳定现象 。图 1二次谐波和直流电流转换过程Fig1transfer course of 2nd harmonic and direct current由上述可知 , 在谐波放大过程中 , 直流电流进入换流变压器使其 饱和后产生二次谐波电流是其中的关键环节 5。 我国第一条直流输电 线路葛上线工程的标准是小于励磁电流 (对于大型换流变约为额定电 流的 1% 的 1.5倍 7。 高压直流接地极技术导则 规定经中性点流入 变压器绕组的直流不超过变压器额定电流有效值的 0.7%8。 本文旨在 通过实验寻求换流变压器绕组中直流电

7、流与因此而产生的二次谐波 电流之间的关系 。2. 变压器实验研究2.1实验等价性考虑高压直流输电系统中的换流变压器一般容量都很大 。 由于各方面 条件的限制 , 现实中很难对实际的换流变压器进行偏磁实验 。 因此本 实验采用的实验变压器为单相小容量干式变压器 。因为由于磁路的不同 , 不同的铁心结构产生的直流磁通是不同 的 。 因此对于不同的变压器铁心结构 , 相同的直流注入下产生的励磁 电流畸变程度也是不同的 。 例如三相组式结构比三相三柱式的畸变程 度就要严重得 多 。 大 型 换流变压器的结构 多 为 三 相组式 , 铁心为双柱带旁轭 。例 如 我 国 的 三 常 直 流 输电工程和葛

8、上直 流 输 电工程中的换流变压器都是采 用 这 种 结 构 8,9。 本 实 验采用的实验变压器为单相单柱带旁轭结构 (图 2所示 , 保证了在磁路上与大型换流变压器是等效的 。对直流比较敏感的三相组式变压器 , 由于直流换流变压器产生的二次谐波电流及其实验研究桂 重(广东省电力设计研究院 广东 广州 510663【 摘 要 】 本文介绍了高压直流输电系统中直流电流的来源和二次谐波的传递过程 , 以及由此可能引发的谐波不稳定性 。 针对变压器绕组 中存在的直流电流而导致的二次谐波电流进行了实验研究 , 得出了励磁电流各次谐波分量 、 峰值与绕组中直流电流的关系 。 结果表明 , 二次谐 波分

9、量与直流呈线性关系 。【 关键词 】 二次谐波 ; 谐波不稳定 ; 铁心饱和 ; 直流输电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图 2实验变压器铁心结构 Fig2Core structure ofthe experiment transformer 716 磁通通过铁心闭合 , 因此励磁电流的畸变与铁心钢片的材料特性和工 作磁密的选择密切相关 。 变压器的铁心通常采用高性能导磁硅钢片叠 成 , 本实验采用的变压器铁心能基本反映实际换流变压器的磁化特 性

12、。 大型变压器的工作磁密在 1.71.75T , 本实验变压器的工作磁密 点选择在 1.7T 。2.2实验回路图及变压器参数 图 3实验回路图Fig3T he experiment circuit实验变压器额定电压 220V , 额定容量 2kVA , 变比 1:1, 空载励磁 电流 1.16A , 单相单柱带旁轭式 , 铁心采用新日铁公司生产的 30Z140型 。2.3实验数据处理 通过改变可调电阻值来控制实验变压器绕组注入直流的大小 , 得 出一组不同直流下原方励磁电流的波形 。 图 3是变压器工作在额定电 压下 , 不加直流和加直流 126.4mA (10.9%IN 、 621.6mA

13、(53.6%IN 、 1397mA (120.4%IN 状况下的励磁电流波形的一个对比 , 其中 I N 为正 常励磁电流 1.16A 。 (a无直流注入时励磁电流 (b注入直流 126.4mA 时励磁电流 (c注入直流 621.6mA 时励磁电流(d注入直流 1397mA 时励磁电流图 4直流偏磁与正常状况下励磁电流的比较Fig4compare of excited current under different conditions 表 1为不同直流注入下励磁电流波形通过快速傅立叶分析 (FFT 后的各次谐波分量 。表 1励磁电流各次谐波分量(注 :表中各值均以励磁电流 1.16A 为基准

14、量 图 5各次谐波分量与直流电流的关系曲线Fig5relationship between harmonics and direct current图 5是根据表 1绘制的各次谐波分量与直流电流的关系曲线 。 图 6是励磁电流峰值与直流电流的关系曲线 。图 6励磁电流峰值与直流电流的关系曲线Fig6R elationship between peak value of excited current anddirect current(下转第 682页717科技信息 2009年 第 33期SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION (上接第 717页 2.4实验结果

15、分析(1 直流偏磁造成变压器铁心高度饱和 , 励磁电流有效值 、 峰值增 加 , 励磁电流中各低次 (2、 3、 4、 5次 谐波含量明显增加 。 与变压器过 励磁导致的铁心饱和不同 , 直流偏磁时 , 只在半个周期内电流发生畸 变 , 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 励磁电流中二次谐波分量和注入直流呈明显的线性关系 。 其 余各次谐波不具备这种特性 。 至于二次谐波分量和注入直流的比值 , 这与变压器个体的设计 、 结构等关系较大 。 例如与变压器饱和磁密点 、 工作磁密点的选择 、 磁化曲线拐点是否圆滑以及变压器的铁心结构等 因素有关 。(3 直流偏磁情况

16、下 , 励磁电流峰值的增加明显要高于各谐波分 量 。 当注入直流从 0变到空载励磁电流的 1.2倍 (1397mA 时 , 励磁电 流的峰值增加到 5.8倍 。3. 结论在直流输电系统中 , 由于种种原因换流变压器绕组中会有一定量 直流电流的存在 , 导致了变压器饱和 , 产生了二次谐波分量 , 这是有可 能产生铁心饱和不稳定现象的根源 。 本次实验采用一个小容量变压器 来模拟实际大型换流变压器进行直流偏磁实验 , 结果表明二次谐波分 量和直流电流呈线性关系 。 【 参考文献 】1徐政 . 交直流电力系统动态性能分析 . 北京 :机械工业出版社 , 2004, 5.study committe

17、e 14,Winnipeg,Canada,June 1977.3高敏华 , 冷勇 . 换流变压器中的两个直流分量 . 变压器 , 2002, 39(6:1519. 4赵畹君 . 高压直流输电工程技术 . 北京 :中国电力出版社 , 2004, 8.6尚春 , HVDC 系统大地回路电流对交流变压器影响的应对措施 . 南网电网技 术研究 , 2005,1(3:2427.7高压直流输电接地极技术导则 (DL437-91.中华人民共和国电力部 , 1991. 8韩晓东 , 翟亚东 . 高压直流输电用换流变压器 . 高压电器 , 2002, 38(3:56. 9文凯成 . 葛上线直流输电系统中的换流变

18、压器 . 华中电力 , 1990, (2:3642.作者简介 :桂重 (1982 , 男 , 硕士 , 从事电力工程设计工作 。责任编辑 :张新雷 科科表 4.2绿地树种结构选用优秀树种 , 即生长指数 大于 80的树种和体现长沙城市特色 的树种 。 杜甫江阁的骨干树种中 :乔木有香樟 (市树 、 乐昌含笑 、 罗汉 松 、 银杏 、 桂花 、 重阳木等 ; 花灌木有杜鹃 (市花 、 紫薇 、 茉莉 、 红桎木 、 海桐 、 蔷薇等 ; 地被树种有阔叶十大功劳 、 金叶女贞 、 栀子 、 山茶花 、 羊 齿等 。多选用乡土树种或经多代驯化已适合本地自然环境条件且能达 到绿地设计要求的树种 ,

19、其平均生长指数大于 70。 杜甫江阁基调树种 配置有垂柳 、 香樟 、 南酸枣等 。按照植物生态学理论 , 绿地树种的类型选择以实现物种多样性为 好 , 以生长指数大于 60的树种均作为一般树种 。 杜甫江阁一般树种配 置有腊梅 , 杉木 、 枫香等 。4.3绿地建设的发展方向杜甫江阁的绿地建设虽在改善自然景观和人居环境上有相当大 的进步意义 , 然而 , 根据突出生态保健功能 、 兼顾景观质量的要求 , 相 对于 “ 街头绿地景观绿荫效果好的乔 、 灌木比 1 1115较为合适 ” 5的 指标 , 绿地模式建设结构中的乔木树种宜占 70%、 花灌木 20%、 地被 耐荫植物 10%。 绿地上

20、层乔木覆被率达 70%80%, 下层花灌木覆 盖率达 40%50%, 杜甫江阁乃至整个湘江风光带的绿地建设还有很 大的发展空间 。5. 结论对于杜甫江阁的景观规划 , 笔者认为应利用可持续发展的观点 , 立足现实 , 着眼未来 , 造福后代 。 在保持现有的和谐基础上扩大规模 ,将杜甫江阁的规划与古城长沙的历史古迹联系起来 , 基本按原貌 、 原 物进行保护 , 形成一大片完整的历史文脉保护区 , 并借用古渡的传统 运用于现实规划 , 进行再创新 , 以渡船的方式联接景点之间的交通 , 发 展绿色文化 , 打造长沙地方特色 , 使杜甫江阁不断向 “ 江南三大名楼 ” 看齐 , 成为融历史 、

21、文化 、 生态 、 景观于一体的新的旅游景点 , 吸引更多 省内外游客 , 带动古城长沙的经济建设和社会发展 。 【 参考文献 】1张祖刚 . 中国城市历史文化的延续和发展 M. 建筑历史与理论第 5辑 . 北京 :中国建筑工业出版社, 1997. 2高毅存 . 文脉主义与朝阜文化街 关于古都风貌保护与城市发展的探讨J.北京规划建设 , 1999年第 6期 :10-13.3吴弋 , 陈小卉 . 现代城市绿地系统规划特 点 以 宜 兴 为 例 J.中 国 园 林 , 2000, 16(7:64-65.4刘炳英 , 贾福功 . 关于城市地面建设几点议论 J. 中国园林 , 1996, (3:50-51.5陈 自 新 , 苏 雪 痕 , 刘 少 宗 . 北 京 城 市 园 林 绿 化 生 态 效 益 的 研 究 J. 中 国 园 林 , 1998, (1:57-601.6相西如 , 吴戈 . 古黄河风光带规划设计构想 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.注释 : 杜甫 (公元 712年 770年 , 字子美 , 自号少陵野老 ,