换流变压器的短路阻抗对系统主回路参数及交直流侧的谐波有影响，因此换流变压器的短路阻抗与换流站损耗，尤其是换流阀、换流变等重要设备中的运行损耗关系密切。本文分析了换流变短路阻抗对于系统主回路参数的影响，在调整了换流变容量、换流变抽头参数、滤波器及电容器投切组数等参数后，对换流站进行损耗计算，由此得到换流变压器中短路阻抗的变化与换流站损耗之间的关系。

      高压直流输电技术以其技术上和经济上的独特优势，在远距离大容量输电和全国联网两个方面对我国电力工业的发展起到十分重要的作用。换流站主回路参数关系到整个系统的运行性能和技术经济指标，是直流输电系统设计的核心。而在直流输电系统换流站主回路设计中，换流变压器的短路阻抗又是主回路设计中最重要参数之一。

      在以往的工程中，换流变短路阻抗的大小主要与换流阀最大短路电流、换流阀无功消耗、交直流谐波及设备造价联系在一起，具体要求为以下三点。

（1）满足晶闸管换流阀的浪涌电流水平要求。

（2）换流器消耗无功功率最小。

（3）换流站建设费用及损耗最低。

基于以上三点原则，短路阻抗与换流站参数的关系可归纳为：

            （1）

式（1）中，i_s为限制发生最严重故障时流过换流阀的最大短路冲击电流，i_m为使其不超过换流阀所能承受的最大短路电流(也称浪涌电流)；q_d为换流器的无功损耗；t为换流站设备费用；u_k为换流变短路阻抗。

      换流变压器的短路阻抗是计算交直流侧谐波的重要参数，而谐波损耗也是系统各主要设备损耗中不可忽略的部分。同时换流变压器的短路阻抗的变化也会引起系统主回路参数计算结果的变化。所以换流变压器短路阻抗会在这两方面影响直流输电系统损耗计算结果。但是由于直流输电系统中的各个设备的损耗计算有大量计算公式，而且损耗计算又与直流系统主回路参数和谐波电流计算结果有关。所以工程中一直没有定量地考虑过换流变短路阻抗与换流站损耗的关系。本文将分析并通过算例说明两者的关系。

 

      换流站设备类型繁多，它们的损耗机制又各不相同，所以目前所采用的方法是通过分别测试和计算换流站各主要设备的损耗，然后把这些损耗相加而得到换流站的总损耗。通常换流站损耗约为换流站额定功率的0.5%?1%。

      换流站损耗主要包括晶闸管阀损耗、换流变压器损耗、交直流滤波器损耗、平波电抗器损耗等。在这些损耗中，晶闸管阀损耗和换流变压器损耗占的比例较大，在正常运行中所占的比例大约是25%?45%和40%?55%。所以精确计算晶闸管阀和换流变压器损耗是计算整个换流站损耗的关键。下面简单介绍这两个损耗分量。

      晶闸管换流阀损耗的85%?95%是由晶闸管和阻尼电阻产生的。由于换流阀在运行中的波形复杂，目前还没有一个较好的直接测算损耗的方法。通常采用的方法是分别计算晶闸管阀的各损耗分量，最后相加得到换流阀的损耗。晶闸管阀的损耗分量主要有晶闸管阀通态损耗、单阀晶闸管扩散损耗、单阀其他通态损耗、单阀与直流电压相关的损耗、单阀与电阻相关的阻尼损耗、单阀与电容器能量变化相关的阻尼损耗、单阀关断损耗和单阀电抗器损耗等8个分量组成。其中，晶闸管阀通态损耗分量和单阀阻尼损耗分量占的比例最大。

      在换流变压器损耗计算中，除了基波损耗，谐波在绕组中产生的涡流损耗和结构件中产生的杂散损耗也占了不可忽略的比例，所以精确计算出谐波损耗是计算换流变压器损耗的关键。涡流损耗和杂散损耗较难通过理论推导公式计算，通常采用试验测量的方法得到。

 

      要分析换流变压器短路阻抗与整个换流站损耗的关系，首先要考虑短路阻抗的变化对直流输电系统主回路参数的影响，并根据短路阻抗作出相应的调整。

换流变阀侧电压u_vn与一个6脉动换流器理想空载电压u_dion的关系为：

           （2）

而6脉动换流器理想空载电压与短路阻抗的关系为（以整流侧为例）：

  （3）

上式中n为每极6脉动换流器数；u_dnr为额定直流电压；u_t为换流阀正向导通压降；α_n为整流侧额定触发角；d_xnr、d_rnr为对应于整流侧换流变额定抽头位置的直流感性和阻性压降标么值。其中d_xnr约为换流变压器短路电压标值的0.5倍。由此可见，随着短路电抗的增大，换流器空载直流电压也会增大，换流变阀侧电压和换流变容量也要相应增大。

      换流变压器有载调压抽头变化范围与直流输电系统控制策略密切相关。抽头范围的选择是系统整体设计的结果。抽头的主要功能是当交流电压和直流功率在给定的范围内变化时限制触发角（熄弧角）在某一范围内。抽头的第二个功能是在降压运行时限制触发角的大小。换流变压器短路容量的变化会影响阀侧额定电压，所以零抽头位置及抽头最大、最小级数等参数也要重新计算。

正常的换流变压器变比是对应零抽头位置，由下式决定：

               （4）

换流变压器的最大、最小变比计算如下：

               （5）

                （6）

换流变压器抽头级数最大，最小值为：

                       （7）

                       （8）

其中，?η为分接头步长。利用上述公式计算得到的结果是换流变压器正、负抽头级数的最低要求值。换流变压器最大正抽头级数需根据降压运行时所需要的级数来确定。

      根据主回路计算的结果，可以计算出交流侧谐波电流。同时，考虑短路阻抗变化对无功损耗的影响，根据相应的无功管理原则，计算出无功损耗及滤波器和电容器的投切策略。基于交流侧谐波电流计算和无功管理计算的结果，对交流滤波器进行性能计算，检查短路阻抗变化后的交流系统性能指标是否满足要求，如果不满足，则需要调整交流滤波器的投入组数。在交流滤波器性能计算满足要求之后，对交流滤波器进行稳态额定值计算，检查其元件应力是否超标并得到元件损耗。交流滤波器的损耗主要集中在电抗器绕组损耗和电阻损耗。

      完成上述调整后，根据调整后的主回路参数和交流谐波电流计算结果，可以计算出换流阀和换流变压器的损耗。再考虑短路阻抗对直流侧谐波电流的影响，计算直流侧谐波并得到直流侧设备的损耗。

整个计算流程图如图1所示。

 

采用的算例系统：

      交流系统电压525 kv，额定直流电流3125a。直流电压800kv。

根据式（1），在最大短路电流限制下换流变压器短路阻抗下限值为14.5%，一般短路阻抗的设计值都在12%?22%之间，过大或过小都会增加换流变压器的制造成本。所以本算例就在14%?22%之间进行换流站损耗计算，由此得到短路阻抗和换流站损耗的关系，计算结果如下。

      换流变短路阻抗变化时主回路参数计算结果如图2所示，其中以换流变短路阻抗18%时的主回路参数作为基准值，此时阀侧电压基准值为169.85kv，触发角基准值为15度，换相角基准值为23.19度，换流站容量基准值为1424.43mva，无功消耗基准值为672.40mvar。

      根据图2的主回路计算结果，计算交流侧谐波电流，基波电流及主要特征谐波电流结果如图3所示。其中以换流变短路阻抗18%时的交流侧谐波电流作为基准值，即基波电流基准值为3136.13a，11次谐波电流基准值为115.48 a，13次谐波电流基准值为63.21 a，23次谐波电流基准值为29.09a，25次谐波电流基准值为24.39a。

      从上表中可以看到，换流变短路电抗的增大可以显著抑制特征谐波的大小。但是由于短路电抗越大，换流站内部的电压降也越大，换流变压器的标称容量也相应增大，基波电流增大。

      再由主回路计算结果中的无功消耗来考虑交流滤波器及电容器的投切，并对投入的滤波器进行性能计算和稳态额定值计算。交流滤波器及电容器投切计算结果如图4所示。

      最后根据主回路计算、谐波计算和交流滤波器性能、定值计算的结果，对不同短路阻抗的换流站进行损耗计算，整流站及整流站yy换流变压器 （换流变损耗）损耗计算结果如图5及图6所示。短路阻抗主要影响换流阀、换流变和交流滤波器的损耗，而交流滤波器分量所占比例较小，所以图5中只列出了换流阀和换流变两种设备的损耗及整流站总损耗。图5和图6都以换流变短路阻抗18%时的损耗计算结果作为基准值，即换流阀损耗基准值为9421.3kw，换流变损耗基准值为17151.7kw，总损耗基准值为29086.4kw；yy型换流变基波电阻损耗基准值为265.6kw，谐波电阻损耗基准值为9.1kw，总电阻损耗基准值为274.7kw，杂散损耗及涡流损耗基准值为283.9kw。

 

      从损耗计算结果可以看到，换流阀和换流变的损耗以及换流站的总损耗随着短路阻抗的增大而增大；而由于短路阻抗增大限制了谐波电流，交流滤波器的损耗相应减小。在这三部分的损耗变化中，换流变的损耗变化最大，图6中画出了换流变损耗的各个分量。由此可见虽然短路阻抗限制了谐波，从而减小了谐波电阻损耗，但是由于短路阻抗的增大增加了换流变的容量，相应地工频电流的电阻损耗也增大，故总电阻损耗是增大的。同理，总杂散损耗和总涡流损耗也增大。

 

1.短路阻抗对换流变及直流输电系统其他设备参数的确定都有影响，所以短路阻抗的改变首先要考虑相应换流变阀侧电压及容量的变化。之后再考虑无功损耗的变化和滤波器的分组投切。在这些结果的基础上才能重新计算换流站的损耗。

2.短路阻抗的增大可以显著减小谐波，减小换流变和交流滤波器的谐波损耗。但是由于换流变的容量和阀侧电压增大，换流器损耗和换流变工频电流下的损耗都会增大。整个换流站的总损耗是随着短路阻抗的增大而增大的。所以换流变压器短路阻抗设计中，要在满足最大短路电流限制的前提下，尽量减小短路阻抗的数值。 

基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目资助(2006baa02a21)

作者简介

徐政,教授，博士生导师，研究方向为大规模交直流电力系统分析、直流输电与柔性交流输电、电力谐波与电能质量。

李普明,硕士研究生，主要研究直流输电和滤波器设计。

黄 莹，博士，从事直流输电和facts方面的研究。

黎小林，高级工程师，从事直流输电和facts方面的研究。