有源濾波器在高壓直流輸電中的應(yīng)用

許 暉 尹忠東

（新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〈華北電力大學(xué)〉，中國 北京 102206）

0 引言

我國用電負(fù)荷與發(fā)電能源的分布很不均衡，東部地區(qū)負(fù)荷多而能源少，西北、西南地區(qū)能源多而負(fù)荷少。 在能源中心建立大火電、水電基地，大容量、遠(yuǎn)距離將電能輸送到負(fù)荷中心是解決該矛盾的較好途徑。這就需要建立全國能源傳輸通道，進(jìn)行“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的部署。 高壓直流輸電可遠(yuǎn)距離、大容量傳輸電能，適合大區(qū)電網(wǎng)非同步互聯(lián)，具有功率損耗小，線路造價(jià)低，功率調(diào)節(jié)迅速靈活，不存在系統(tǒng)穩(wěn)定性問題等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。

高壓直流輸電的換流站通常采用的是12 脈動(dòng)換流裝置， 脈動(dòng)次數(shù)越多，諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動(dòng)數(shù)來繼續(xù)減小諧波，其控制系統(tǒng)會(huì)非常復(fù)雜，投資也會(huì)大幅增加，而濾波效果卻增加的不明顯。 12 脈動(dòng)換流裝置在直流側(cè)產(chǎn)生的諧波電壓、諧波電流主要是12k次，在交流側(cè)產(chǎn)生12k±1 次特征諧波。 諧波電流在系統(tǒng)中引起諧波電壓，降低了系統(tǒng)的電壓質(zhì)量，并帶來其他危害[1]。由于靜電感應(yīng)，電磁感應(yīng)及傳導(dǎo)耦合， 線路上的諧波電流還會(huì)干擾通信線路上的傳輸信號，其帶來的電磁污染產(chǎn)生的過高可聽噪聲易使附近居民或工作人員感覺煩躁不安[2]。因此，研究如何消除直流輸電線路對鄰近通訊線路的干擾，有效抑制HVDC 中的諧波，具有重要的實(shí)際意義。 然而目前廣泛采用的無源濾波器（PF）卻有自身無法克服的弊病。 會(huì)產(chǎn)生諧波放大，并且即使不出現(xiàn)諧振，PF 的濾波效果也十分有限[3]。 本文從APF 的濾波原理、 混合型APF、 控制策略幾個(gè)方面進(jìn)行了分析， 論述了其在HVDC 系統(tǒng)中作為補(bǔ)償裝置的可行性。

1 有源濾波器

有源濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成：指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。

其基本工作原理是，檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令，信號經(jīng)過放大后，得出補(bǔ)償電流，此電流與需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流幅值相等方向相反，兩者相互抵消，最終得到期望電流[4]。 數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

iS：電源電流 iL：負(fù)載電流

iLf：負(fù)載基波電流 iLh：負(fù)載諧波電流

交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負(fù)載引起的。 而直流濾波，是希望濾除負(fù)載中直流分量以外的所有紋（諧）波分量，這些紋（諧）波分量主要是由直流電源（一般是由交流電源整流獲得）中的紋波電壓分量在負(fù)載中引起的。 而通過傅里葉分析可知，直流系統(tǒng)中的紋波分量也是由各次諧波分量構(gòu)成的。 在這個(gè)意義上講，交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)中抑制諧波的目的是相同的：抑制不希望在電源或負(fù)載中出現(xiàn)的諧波分量。

有源濾波器有并聯(lián)和串聯(lián)兩種接入方式。其中并聯(lián)方式是應(yīng)用的最多的一種，其主要用于補(bǔ)償可以看作電流源的諧波源。 而串聯(lián)型主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧波源[5]。 由于整流變換器直流側(cè)諧波等效為諧波電壓源， 參照諧波源與有源濾波器補(bǔ)償效率的相關(guān)結(jié)論，理論上對于直流端電壓諧波，串聯(lián)型APF 有較好的治理效果[6]。 然而串聯(lián)型APF 意味著器件將承受與高壓直流輸電系統(tǒng)相同的高電壓，大電流，這又使得絕緣困難，成本增加。 直流APF 的提出和研究時(shí)間沒有交流APF 那么長， 因此目前是將APF 應(yīng)用在整流橋的直流側(cè)進(jìn)行濾波。

為了改進(jìn)其電路特性，可以將APF 與電容電感（無源濾波器）串聯(lián)后，并入系統(tǒng)，形成一種混合型濾波器，這樣APF 在高壓直流輸電中承受的電壓和電流都會(huì)降低，其容量將大大減小。 如果能先用無源濾波器濾去主要的低次諧波（12 次、24 次），再用APF 將濾去沒有濾凈的諧波，就能充分發(fā)揮二者優(yōu)勢，提高整體的濾波效果。

APF 的控制策略如圖1 所示：

圖1 有源濾波高壓直流輸電系統(tǒng)的控制框圖

在圖1 中，d 軸 q 軸的參考相量 i1dh、*i1qh*分別為：

其中，i1dh、*i1qh*為電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流的d 軸和q 軸參考值。 i1d*、i1q*為高壓直流輸電系統(tǒng)根據(jù)自身情況或電網(wǎng)調(diào)度需求和電網(wǎng)交換的有功、無功功率電流的參考值。為穩(wěn)定直流電壓的d 軸參考值。

從以上分析可知，d 軸參考電流i1def包括有功電流參考值i*1d、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膁 軸諧波電流的參考值i*1dh和直流電壓外環(huán)加入的d軸參考值。 q 軸參考電流i1qref包括無功電流參考值i*1q、電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)膓 軸諧波電流的參考值i*1qh。采用直接電流控制，換流器交流電流完全追隨參考電流變化時(shí)，就可以完成有功功率、無功功率和諧波三個(gè)量的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)在傳遞功率的同時(shí)完成濾波的功能[7]。

2 結(jié)束語

有源濾波器與無源濾波器構(gòu)成混合濾波器，可以對高壓直流輸電直流側(cè)諧波電流進(jìn)行更嚴(yán)格的過濾，不但效果非常理想，還可以使有源濾波器承受更低的電壓、電流，降低對容量的要求。

［1］謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社.

［2］黃道春，魏遠(yuǎn)航，鐘連宏，皇甫成.我國發(fā)展特高壓直流輸電中一些問題的探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(8).

［3］張翔.高壓直流(HVDC)輸電系統(tǒng)交流側(cè)的諧波抑制[D].廣西大學(xué)，2004.

［4］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，王躍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

［5］楊曉萍.高壓直流輸電與柔性交流輸電[M].中國電力出版社.

［6］李輝，吳正國.HVDC 系統(tǒng)中低成本串聯(lián)混合型直流有源濾波器[J].高電壓技術(shù)，2010，36(9).

［7］孫栩，孔力.帶有源濾波功能的新型高壓直流輸電系統(tǒng)的研究[J].高壓電器，2008，44(1).