高次谐波补偿措施探讨

在直流输电线路的变流站上可以采用两种方式的高次谐波补偿：提高变换相位；使用有源或者无源的高次谐波过滤器。

下面分析这两种方法。

提高变换相位。早先已经对12相制双桥式变流器进行了分析，由于变压器阀绕组电压每相相角差为30°，整流电压波动减小，从而改善了变流器相电流的谐波分量。采用24或者48相制，可以进一步提高变流器相位，这在技术上是可能的，相邻桥阀绕组电压之间相角差可以达到15°和7.5°，这种方式已经被尝试。但是这些方式要求采用复杂的变压器接线，增加变流桥的数量。因此，现在还是普遍采用12相制。

此时，可以从方程（12.3）和（12.10）看出，有不同联结组别变压器网络绕组中的5次和7次谐波电流数值相等，但相位相反，这种情况可以用来补偿特定次谐波。

为此，使两个串联的相邻桥变压器阀绕组有不同的连接方式。其中之一是连接成星形的，另外一个连接成三角形。因为直流输电线路的变流站连接到220kV～500kV网络上，其是中性点接地的，变压器的网络绕组同样也是连接成星形的。此时5次和7次谐波在相邻的变压器之间形成通路，不流入网络。同时1、11、13次谐波和一些其他的谐波电流加倍。

通常情况下，12相制工作的两个桥在网络中产生的谐波次数为

n=12K±1 （12.25）

如上所述，n=12K+1次谐波形成正序，而n=12K-1次谐波形成负序。

如果一个变压器的联结组别是Yy，而另外一个为Yd（见图12.10a），那么隶属于不同变压器同一相的阀绕组电压相对角位移30°（见图12.10b）。此时相邻桥的换向也相差30°，结果是在相邻桥阀绕组电流的构成上，两个桥电流和的波形接近于正弦。此电流波形如图12.10c所示。

图12.10 12相制变流器

a）12相制回路 b）阀绕组电压相量图c）变压器相电流和变流器全电流

在双桥式变流器的相电流中，高次谐波含量急剧减少，其中只剩下11、13、23、25次及其他谐波，其值也相对较小。结果是系统母线上的电压畸变减小，很大地减轻了剩余谐波的过滤问题。

与高次谐波电流减小一样，12相制工作同样伴随着整流电压波动幅值的减小，因此12相制无论对于整流变电站还是逆变变电站都是主要的额定工作方式。

在具有大量变流桥（4～8）的变电站上，对相邻桥供电的变压器联结组别的选择，是为了保证整个变电站等值为12相制。

应该说明，当工作在12相制时，由于各个桥之间的相互影响，阀上的电压波形及其工作条件同时变化。同时，与单桥式相比12相桥的外特性也同样发生变化。

为了补偿12相制的主要谐波，并且抑制其流通到网络，理论上可以在变流站上安装足够的、只是针对11和13次谐波的谐波过滤器，而剩下的高次谐波可以通过一个宽带滤波器补偿。

在实际条件下，由于一系列原因（其中的主要原因是设备特性之间的差异和相邻桥阀导通角上存在的差异），不能总是保证能够准确满足12相制工作条件，结果是5和7次谐波电流不能被完全补偿，但是此时产生的谐波不平衡不大。而且，在一些情况下为了补偿这些电流在直流输电变电站上同样预先安装了5和7次谐波过滤器。

使用高次谐波电流过滤器。现在存在两种高次谐波过滤器：无源的和有源的。被动过滤器，本身也可能是单频的、多频的和宽带的。

单频无源谐波过滤器由串联的电容和电感构成，并联于网络上（见图12.11a），电容和电感值的选择是为了在被过滤谐波频率上满足条件

ω²_nLC=1 （12.26）(www.xing528.com)

图12.11 单频无源谐波过滤器

a）单频过滤器示意图 b）过滤器电抗与频率的关系 c）过滤器全阻抗与频率的关系：1-R=0，2-＞0

如果忽略过滤器的电阻，那么对于给定谐波的频率f_рез过滤器的阻抗等于0（见图12.11b），具有低阻抗的过滤器只是在窄频带上工作。为了拓展其工作的频带，可将过滤器与电感串联或者并联电阻器。由此，滤波器的传输频带得到稍微拓宽。当系统频率偏差、滤波器参数变化、或者是周围空气温度发生变化时，此过滤器具有足够低的阻抗（见图12.11c）。

在频率低于谐振频率时，滤波器的阻抗是容性的。因此，滤波器可以同时做为基波频率的无功电源，无功功率值取决于滤波器电容器组的功率。

在一些情况下为了拓宽带宽，可以采取双频滤波器。其中之一的示意图如图12.12a所示。与单频滤波器相比，双频滤波器在较宽的频带上具有最小的阻抗，可以用一个滤波器补偿两个相邻频率谐波——f₁和f₂（见图12.12b），从而缩减了滤波器的总数量。

图12.12 双频无源滤波器

a）滤波器示意图 b）滤波器全阻抗的模与频率的关系

通常单频滤波器用来补偿5～13次谐波电流，更高次的谐波采用多频或者宽带滤波器补偿。

滤波器的参数应当与系统的频率特性一致。在滤波器阻抗和系统阻抗之间，变流器所产生的高次谐波电流的分布在任意谐波频率上反比于其阻抗（见图12.13）。滤波器的全阻抗在被滤波的频率上以及相近的频率范围内必须远小于此频率上的系统阻抗。而在一些情况下这个条件不能被满足，因此不得不改变滤波器的连接点，以使滤波器和系统之间还连接有其他的阻抗（例如变压器绕组阻抗）。为此，在变流变压器上还应当装设有滤波器连接的第三绕组。

图12.13 无源滤波器和系统之间高次谐波电流的分布

在运行过程中滤波器的参数可能发生变化，结果是使谐振频率发生改变。这是很可能发生的，例如，在周围环境温度作用下电容器组的电容发生了变化，从而导致滤波器参数的变化。除此之外，交流系统的频率同样可能出现运行偏差，结果也改变了高次谐波的频率。为了在这些条件中保证期望的滤波功能，必须实现滤波器参数的自动调整。

有源滤波器是在电压变流器的基础上建立的，这些变流器能够产生任意给定波形的电流输入电网，这取决于阀的控制策略。

有源滤波器的工作原理如下。非正弦波形网络电流的瞬时值与基波正弦瞬时值相比较，其差是网络电流含有的所有谐波电流之和（见图12.14a）。这个差经过匹配装置施加到阀控制系统上，结果是变流器产生了输入电网的电流，其波形由所有谐波电流瞬时值之和决定。所产生的电流与网络电流谐波之和反相，就实现了对这些谐波的完全补偿（见图12.14b）。

图12.14 有源滤波器的并联

a）当变流器相电流为矩形波时，高次谐波电流之和的分解 b）有源滤波器与网络的连接图

高次谐波滤波器增加了变流变电站的成本，无源滤波器的成本可以达到变电站总成本的15%～20%。