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基于新型换流变压器的谐波治理研究简介

随着高压直流输电技术的广泛应用，由换流器引发的谐波问题日益突出，严重影响电力系统的电能质量和运行稳定性。传统谐波治理手段多依赖无源滤波器或有源滤波装置，存在设备体积大、成本高及响应速度慢等问题。因此，探索一种高效、集成化的谐波抑制方案成为当前研究热点。

本研究围绕“基于新型换流变压器的谐波治理”展开，提出一种集成谐波隔离与抑制功能的新型换流变压器结构。该变压器在传统功能基础上，引入多绕组耦合设计和阻抗匹配机制，通过合理配置各绕组接线方式和变比，实现对特定次数谐波电流的有效抑制，尤其针对6脉动或12脉动换流器产生的5次、7次等主要特征谐波。同时，结合电磁场仿真软件对变压器内部磁场分布和谐波流通路进行建模分析，优化其结构参数，提升谐波抑制效率。

此外，本文还探讨了该新型变压器在实际工程应用中的可行性，评估其在不同运行工况下的谐波治理效果，并与传统滤波方案进行对比分析。结果表明，该方法不仅有效降低系统总谐波畸变率，还能减小滤波装置容量，提高系统整体经济性与可靠性。

公路路基土石方工程施工技术交底Vol.42No.2 Apr. 2006

基于新型换流变压器的谐波治理研究

罗隆福，李季，许加柱，刘福生

（湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082）

StudyonHarmonicTreatmentBasedonNewTypeConverter Transformer

(College of Electrical & Information Engineering,Hunan University, Changsha 410082, China）

图1HVDC的换流站电路图

是对基波实行无动补偿，并对高次谐波作滤波，以防 谐波大量注人系统。但是却未能考虑换流变压器的 无功和谐波对变压器本身带来的问题，阀侧换流器 对变压器形成谐波源，而滤波器接在网侧的交流系 统母线上。这样一来，因导通变换引起的无功电流和 谐波电流，都要通过变压器的原副边绕组传送到滤 波器的补偿和分流电路，不仅要占用变压器的绕组 容量，还要增加绕组的额外铜损和铁损，特别是高次 谐波频率高，造成波形畸变，增加了电磁干扰和绝缘 困难，并导致机械振动和噪音，加大了换流变压器的 成本和营运负担5。这是当前国内外直流输电换流 变压器普遍存在的困难，换流变压器是大容量装置 即使谐波含量不大，如按5%计，则100万千伏安的 换流变压器，其谐波含量可达5万千伏安，要即时产 生和调控这大容量的滤波装置，在技术上和经济上 都是很难实现的。为此需要探寻更为有效的滤波方 式以求改进。

直流输电的换流变压器，输出侧通过12组晶闸 管换流6，如图1中两组换流器串联，构成每周期的 12等相脉波变换，依次按360/12=30°的间隔时间导 通与开断，脉波宽度为15°的电角度。已有的换流变 压器原边三相为Y接，副边两组绕组采用Y与 △接，后两者共同构成30电位差。直流输电中的高 次谐波主要是指奇次谐波，其中的3和3的倍数次 谐波可以不考虑2，对5，7，17和19等高次谐波，相 位近于相反而有所削弱；而11，13，23和25次高次 谐波，则会叠加而相应增大，而电流的波形畸变会导 致磁通和电势波形畸变，即使含量不高，但有的峰值 增加会加大放电的可能性，影响绕组绝缘，且会加重 噪音和振动，对环境有损害。虽然增加绕组的组合相 数或脉波次数也可以削弱谐波，但换流变压器的功 率大，结构难以实现，还会加重成本。 笔者提出了一种新型换流变压器接线方案，见 图2，其特点是将原变压器的副边绕组改为延边三 角形，延边端点引出分别与图1中的两组桥阀换流 器连接，共同构成12脉波的换流输出，内接三角形 的3个顶点引出与外部星形接线串有小值电感的电 容支路相连接，从而使换流变压器自身具备了自耦 补偿与谐波屏蔽的功能。

图2 压器绕级接线与电压向量图

设换流变压器一次侧绕组的三相电压为：

式中：Um为一次母线相电压有效值；为A相电压 初始相位。现以一次侧A相电压为基准，则得出二 次侧绕组线电压数学表达式分别为：

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式中：U2为二次侧线电压有效值，其可以用延伸绕 组电压U.和公共绕组电压U来表示，参见图2中 的电压相量，根据余弦定理可得到：

从而可得延边绕组电压

U U² 2 3 12

U/sin=(U+Ua)/sin=Usin 2π 3

可以解得U./U=0.5773，据此设计使延边绕组匝数 W对公共边绕组匝数W的比值为0.5773的关系 9便为㎡/12。实施中两绕组分别前移和后移π/12房建项目质量控制手册，94页word下载！， 则两者间的相位差为㎡/6，便可取得原有Y与△接 线构成12个脉动相的同样换流效果。

换流站母线侧出现的高次谐波，主要由换流变 压器的绕组阻抗、激磁阻抗和负荷阻抗以及整流变 换的非线性产生。治理谐波主要是阻止谐波电流的 传播和扩散，对变压器说来，就是疏导和抑制负荷形 成的谐波电流源，缩小其流通范围。 所谓滤波，就是迫使谐波电流仅在限定的回路 中通过，防止它流窜到相邻的网侧系统造成危害。为 此便要在可联通的回路阻抗上，作出相应的安排。在 高压直流输电换流器中高次谐波主要是奇次谐波， 谐波次数愈高，其含量相对值逐步减小，通常滤波不 计3次则以5，7次为主。 图3(a)把补偿电容分为3组，对工频说来，其 基波电容电抗各Xc，Xc，Xc，并分别串接X=Xc/25， XL=Xc/49，XL=Xc/121的电感电抗。在工频下，其 合成电抗仍为容性，对负荷起无功补偿作用。在相应 的谐波频率下，电容电抗与串接的电感电抗正好相 等而自行抵消，公共绕组形成短路，谐波电路的流通

第42卷第2期 2006年4月

路径见图3(b)。在串联绕组通过谐波电流影响下， 公共绕组要产生相应的谐波电流，两者的作用磁通 方向相反。如果绕组2与3绕组的安匝能保持平衡， 就不会在原方绕组1中产生谐波电流，从而使后者 与谐波隔离开来。能否实现这一点主要取决于绕组 的布置及其阻抗关系。 如图4中的3绕组变压器，当一个绕组开路时， 可测得其他两绕组间的短路阻抗。设3个短路阻抗 Z2,Zi3,Z为已知，据此可求得各支路的等值阻抗， 其关系式为：

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Vol.42No.2 Apr.2006

db13_t5617-2022标准下载图4变压器绕组分布和等效阻抗图

笔者针对现有换流变压器所存在的问题，提出 了一种新颖的换流变压器接线方案，该方案与传统 的无源滤波相比，其滤波作用与成效有明显改进。 (1)滤波设备从网侧移到靠近阀侧，把谐波电流 引到零阻抗回路，使其无法向原边通过，并在铁心磁 路出现谐波磁通时，立即被感生的反向磁通所抵消， 从而抑制了谐波在该变压器中引起的损耗发热和振 动噪音。 (2)减少了通过绕组的谐波含量，降低了由于谐 波叠加引起电压峰值增大给绕组绝缘带来的困难。

高压直流输电与柔性交流输电控制