115、滤波换相换流器的典型故障瞬态谐波仿真研究（通栏排版稿）.doc

滤波换相换流器的典型故障瞬态谐波仿真研究
潘侃，罗隆福，许加柱，李勇，王智勇
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市410082)
Transient Harmonic Study of Typical Faults in Filter Commutated Converter
PAN Kan, LUO Long-fu, XU Jia-zhu, LI Yong, WANG Zhi-yong
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)

ABSTRACT: FFT analysis, which is commonly applied in harmonic analysis of HVDC power system, is capable for detection and measurement of harmonic in steady state, though for the sake of sub-harmonic and inter-harmonic during the moment of fault, are inaccurate in transient state. In order to eliminate the inaccuracy during the transient due to spectral leakage, this paper presents an enhanced measurement scheme of harmonic, which combines the concept of group energy and spectral leakage elimination algorithm; and processed a simulation study which includes fault on the DC bus 3-phase fault on AC bus in rectifier side and 3-phase fault on AC bus in inverter side, on a HVDC power distribution system platform base on Filter Commutated Converter, with the new harmonic identification scheme applied on the AC bus in rectifier side. The result of simulation shows: during these three typical faults, 2nd harmonic is increased drastically, and less pit-falls and peaks is observed in the waveform during the fault compare with the FFT harmonic identification algorithm, which indicates the new scheme could reveal more characteristic and information of the original harmonic signal on analysis of transient harmonic.

KEY WORDS: group harmonic; transient harmonic; FCC; typical faults; characteristic of harmonic

摘要：HVDC输电系统中谐波分析通常采用FFT算法，在稳态工况条件下FFT算法可以满足精度和谐波检测要求；但当系统发生故障的瞬间，系统电流中除特征谐波外，电流中存在间谐波和次谐波等分量；为了有效解决直流输电系统发生故障瞬间谐波频谱泄露。本文提出了一种结合能量群与消除频谱泄露的复合谐波检测算法，在建立了基于滤波换相换流器(Filter Commutated Converter, FCC)的HVDC输电系统的基础上，对系统发生极母线对地短路，整流侧交流母线三相接地短路及逆变侧交流母线三相接地短路三种典型故障进行了仿真研究，并对交流母线处的电流进行瞬态谐波检测；结果表明：发生上述三种典型故障时，交流母线电流中的2次谐波含量发生激增，并与FFT谐波检测算法相比，谐波群波形的毛刺及尖峰较少，但却更锐，尖峰幅值更大，说明复合谐波检测算法在分析故障瞬态电流时，能还原更多的谐波特征和信息量。

关键词：谐波群，瞬态谐波，滤波换相换流器，典型故障，谐波特征
0 引言
随着高压直流输电(HVDC)的发展,相关的谐波问题日显突出。对换流变压器来说，谐波的存在不但会会造成谐波损耗，降低系统效率，更会引起发热，震动，噪声等问题。轻则降低系统工作寿命，重则会影响系统稳定性，降低保护可靠性，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备造成事故以及干扰通信线路的正常工作[1]。
一般来说，电力系统电流、电压波形通常不为纯粹的正弦形式，而会由基波、周期性谐波及由因瞬态现象产生的其他非周期谐波组成。通过分析电流/电压波形畸变以精确测量电力系统谐波成分，对于滤波器的设计环节而言是不可或缺的。如今，常用的谐波分析算法为快速傅里叶变换(FFT)，以期获得电压/电流频谱。然而，FFT的这一传统应用形式只考虑到了基波及频率为其整数倍的谐波分量，而忽视了波形中的非周期分量、间谐波和次谐波[2]。而忽略这类由瞬态现象造成的分量除会导致谐波测量结果的不准确外[3]，间谐波与次谐波频率接近谐波或基波频率时，不但会引起电压严重畸变，还会导致电压闪变和冲击性转矩[4-7]，比谐波的危害更大。因此，进行瞬态谐波的研究是有必要的。
滤波换相换流器（Filter Commutated Converter, FCC）[8, 9] 是一种结合新型换流变压器、阀侧感应滤波装置及换流器的换流器拓扑电路。其特点：换流变压器阀侧绕组采用延边三角形联结，并滤波系统置于阀侧的公共绕组，使阀侧特定次谐波电流只通过滤波支路，而与网侧绕组隔离，从而达到谐波屏蔽的效果，大大减轻换流变压器传送谐波与无功功率的负担[10]。其在谐波抑制、降低变压器损耗以及增强系统稳定性方面都有十分显著的效果。
本文采用PSCAD／EMTDC专业仿真软件，建立基于FCC的HVDC电磁暂态仿真模型；对系统发生三种典型故障条件下进行仿真研究，提出一种结合能量群与消除频谱泄露的复合谐波检测算法，并对电流进行谐波检测，掌握FCC-HVDC典型故障瞬态谐波特征。
1 瞬态谐波及其检测原理
1.1 瞬态谐波的定义
瞬态谐波包含以下三类：谐波电流中所包含的非周期分量；频率不为基波整数倍的间谐波；频率小于基波频率的次谐波。
1.2 能量群与消除频谱泄露的复合谐波检测算法
1) 消除频谱泄露算法
传统FFT在检测间谐波时易存在频谱泄露的问题，需用加窗算法减少由频谱泄漏导致的误差[11]。本文采用了三点FFT算法[12]达到消除频谱泄露的目的，算法如下：若iwm为谐波信号的频谱分布，利用FFT算法，可以得到相对应的ω=2πn/T的离散频谱（n=1，2，3……N，N为采样点数，T为采样时间），令某次间谐波为k=kl +r，kl为整数，r为小于1的小数，则该谐波的幅值Ak为：
（1）
其中：
(2) 能量群的定义
“能量群”指电流i(n)或其傅里叶变换形式在1欧姆电阻上消耗的能量[13]，可由Parseval关系式[14]表示，如式(2)所示：
（2）
因此，在ω-Δω至ω+Δω的频率带上所消耗的能量为：
（3）
由式(2)可得在角频率附近的所有非周期性分量：
（4）
对式(3)中的非周期电流进行DFT可得：
（5）
式中：，，。
但基于转换效率的考虑，实际工程应用中多采用FFT。若式(3)采用FFT的结果，那么I(k)周围的谐波群则可以离散形式给出。因此通过式（6），即可实现对瞬态电流进行谐波检测：
（6）
p参数由频带的宽度决定，其取值应当足够小，以确保精确检测出I(k)*中全部所含频率。
本文中采用PSCAD搭建的模块取p=3，间隔步长为nHz。以n=5次谐波为例，则：
（7）
由于THD的定义只顾及了周期性分量，而没有计及非周期分量。因此采用电能质量畸变率（PQD）[15]表达。本文中采用的是电流检测模块，结合谐波群的概念，给出电流电能质量畸变率PQDi表达式如下：
（8）
式中I1*表示基波及其相邻频率段的谐波群幅值，In*则表示n次谐波周围的群谐波幅值。均由式（6）中的基于“能量群”的谐波检测方法求得。

图1 FCC接线方案
Fig.1 The wiring scheme of FCC
2 实例仿真及结果分析
2.1 滤波换相换流器介绍
现以图1所示的新型换流变压器及其滤波系统为例简述FCC接线方案及其工作原理[9]。对某次谐波而言，由于滤波支路谐振点的选择及公共绕组零阻抗的设计，使得短路回路谐波阻抗电压接近为零，因此，该短路回路中与谐波阻抗电压相平衡的谐波电势也接近为零，即所需的铁心谐波磁通接近为零。从而达到抑制铁心中谐波磁通的目的。

2.2 仿真模型
研究中采用的PSCAD/EMTDC高压直流输电电磁暂态仿真模型一次电路接线结构如图2所示，在实际的电磁暂态仿真模型中，从换流站高压母线起，换流变、换流阀均采用详细的三相表示。

图2 基于FCC的HVDC系统仿真平台
Fig.2 HVDC Platform for Simulation based on FCC transformer
其系统参数为：
1）直流侧额定电压Ud为1000V, 额定功率为Pd=100KW，采用12脉波换流器, 系统单极接线, 触发角，换相角。
2）整流侧采用新型换流变压器及其滤波系统，由6台单相三绕组变压器按延边三角形接线组成；滤波器分为两组，一组为DT11/13双调谐滤波器和ST2单调谐滤波器并联接于阀侧三角形绕组抽头处；另一组为接于网侧的二阶高通滤波器HP2；三相滤波器为Y型接法。
3）逆变侧为传统直流输电系统，其两组双调谐滤波器DT11/23和DT13/25接于网侧，三相滤波器为Y型接法。
4）用于纯无功补偿的电容器分别接于内部电网两侧。
2.3 仿真内容
在已搭建的仿真平台上，分别设置直流极母线短路，整流侧交流母线三相短路，逆变侧交流母线三相短路等故障。然后使用搭建的谐波群/PQD检测模块，调用PSCAD的傅里叶分析模块对交流母线电压进行谐波群分析。这里的研究对象在新型换流变压器滤波侧中投入相应滤波器的2、11、13次及被接线方案抑制的3次谐波，因此设定傅里叶分析模块及谐波群分析模块的谐波次数为 2、3、11、13 次。通过对比THD和PQD，观察典型故障时瞬态谐波在该平台下的特点。
2.4 结果分析
以下所有仿真结果图均采用以下方式表示：总THD与PQD对比图中，下方区域为THD波形，上方线条为PQD波形；各次谐波对比图中，上图为各次谐波THD波形，下图为各次谐波PQD波形，各次谐波（群）波形均标示于图上。
2.4.1 直流线路故障
在直流线路上设置极对地故障，仿真设置为：总时长10.0 s，故障设置在1.0 s处，持续时间0.2 s。
THD
PQD

（a）THD/PQD波形对比
13th
11th
11th
13th
3rd
2nd
3rd
2nd

（b）2、3、11、13次谐波波形/谐波群波形对比
图3极接地故障时间段波形
Fig.3 Waveform during the fault
图3仿真结果显示，故障发生前系统稳定运行，故障发生后，各次谐波立即放大。对含有谐波群检测模块的结果，各次谐波PQD均比其THD更高，尤其故障发生瞬间，由于母线电压突变，显然有非周期分量及间/次谐波产生，PQD相较THD明显的更高，而且这里可以看出，尤以二次谐波群增加最为明显，可见此时系统有大量频率为100Hz左右的间谐波产生。1.2s时故障恢复，但谐波在极短时间内（约0.3s），到1.5s时基本恢复到正常工作波形，系统方重新回到正常运行状态。
2.4.2 整流侧交流母线三相接地故障
在整流侧交流母线线路上设置三相接地故障，仿真设置同上。
图4仿真结果显示，故障发生前系统稳定运行，故障发生后，总畸变率及各次谐波迅速激增，由于短路发生点即为算法检测的整流侧交流母线，在极短时间内各次谐波波形又迅速降至零点，在整个故障期间，都基本维持为零。1.2s时故障恢复，电压恢复，总畸变率与各次谐波也在极短时间内迅速激增，再迅速衰减，但2、3次谐波与谐波群的对比中可以发现，THD波形在0.05s内回复到了0点并维持了约0.05s，而后又出现一次小幅增加，到1.5s时基本恢复到正常工作波形；而PQD波形在这段过程中却相对平稳，可见这段时间内系统仍受非周期分量及间次谐波等非正常因素影响，而常规的快速傅里叶变换（FFT）是无法检测出的。
THD
PQD

（a）THD/PQD波形对比
13th
13th
11th
11th
2nd
3rd
3rd
2nd

（b）2、3、11、13次谐波波形/谐波群波形对比
图4 整流侧三相接地故障时间段波形
Fig.4 Waveform during the fault in Rectifier side
2.4.3 逆变侧交流母线三相接地故障
在逆变侧交流母线线路上设置三相接地故障，仿真设置同上。
THD
PQD

（a）THD/PQD波形对比
11th
13th
13th
11th
3rd
3rd
2nd
2nd

（b）2、3、11、13次谐波波形/谐波群波形对比
图5 逆变侧三相接地故障时间段波形
Fig.5 Waveform during the fault in inverter side
图5仿真结果显示，故障发生前系统稳定运行，故障发生后，总畸变率及各次谐波迅速放大，但其放大倍率与短路发生整流侧交流母线时相较为低，1.2s时故障恢复，但无论PQD还是THD，总畸变率与各次谐波都没有立即恢复，而是持续震荡一段时间，其中仍以2、3次谐波及谐波群最为突出，对比其THD与PQD波形可以看出，THD波形表现为尖峰毛刺多而小，PQD尖峰却是少而锐。1.5s时基本恢复到正常工作波形，系统重新回到正常运行状态。
3 结论
本文采用PSCAD对采用滤波换相换流器方案的直流输电平台进行了建模仿真，根据各类典型故障得到的分析结果，得到以下结论：
1） 谐波群波形总是不小于谐波波形的，在极母线故障中2次谐波群的增加尤为明显；
2） 在两种三相母线短路故障中， 谐波波形与谐波群波形变化趋势趋向一致但细节上略有不同，此时应考虑同时采用两种检测方法的联合判断；
3） 谐波群波形与谐波波形相比毛刺及尖峰较少，但却更锐，尖峰幅值更大。可能是受消除频谱泄露算法的影响，虽然滤去了噪声但可能也会出现精度的降低，这点还值得更进一步的研究。

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