有源滤波器在高压直流输电中的应用

2014-02-24尹忠东

科技视界 2014年10期

许晖尹忠东

（新能源电力系统国家重点实验室〈华北电力大学〉，中国北京 102206）

0 引言

我国用电负荷与发电能源的分布很不均衡，东部地区负荷多而能源少，西北、西南地区能源多而负荷少。在能源中心建立大火电、水电基地，大容量、远距离将电能输送到负荷中心是解决该矛盾的较好途径。这就需要建立全国能源传输通道，进行“西电东送、南北互供、全国联网”的部署。高压直流输电可远距离、大容量传输电能，适合大区电网非同步互联，具有功率损耗小，线路造价低，功率调节迅速灵活，不存在系统稳定性问题等优点，在国内外得到了广泛应用。

高压直流输电的换流站通常采用的是12 脉动换流装置，脉动次数越多，谐波含量越小。然而想要依靠增加脉动数来继续减小谐波，其控制系统会非常复杂，投资也会大幅增加，而滤波效果却增加的不明显。 12 脉动换流装置在直流侧产生的谐波电压、谐波电流主要是12k次，在交流侧产生12k±1 次特征谐波。谐波电流在系统中引起谐波电压，降低了系统的电压质量，并带来其他危害[1]。由于静电感应，电磁感应及传导耦合，线路上的谐波电流还会干扰通信线路上的传输信号，其带来的电磁污染产生的过高可听噪声易使附近居民或工作人员感觉烦躁不安[2]。因此，研究如何消除直流输电线路对邻近通讯线路的干扰，有效抑制HVDC 中的谐波，具有重要的实际意义。然而目前广泛采用的无源滤波器（PF）却有自身无法克服的弊病。会产生谐波放大，并且即使不出现谐振，PF 的滤波效果也十分有限[3]。本文从APF 的滤波原理、混合型APF、控制策略几个方面进行了分析，论述了其在HVDC 系统中作为补偿装置的可行性。

1 有源滤波器

有源滤波器系统由两大部分组成：指令电流运算电路和补偿电流发生电路。

其基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令，信号经过放大后，得出补偿电流，此电流与需要补偿的谐波电流幅值相等方向相反，两者相互抵消，最终得到期望电流[4]。数学表达式为：

iS：电源电流 iL：负载电流

iLf：负载基波电流 iLh：负载谐波电流

交流系统的电流畸变主要是由非线性负载引起的。而直流滤波，是希望滤除负载中直流分量以外的所有纹（谐）波分量，这些纹（谐）波分量主要是由直流电源（一般是由交流电源整流获得）中的纹波电压分量在负载中引起的。而通过傅里叶分析可知，直流系统中的纹波分量也是由各次谐波分量构成的。在这个意义上讲，交流系统和直流系统中抑制谐波的目的是相同的：抑制不希望在电源或负载中出现的谐波分量。

有源滤波器有并联和串联两种接入方式。其中并联方式是应用的最多的一种，其主要用于补偿可以看作电流源的谐波源。而串联型主要用于补偿可看作电压源的谐波源[5]。由于整流变换器直流侧谐波等效为谐波电压源，参照谐波源与有源滤波器补偿效率的相关结论，理论上对于直流端电压谐波，串联型APF 有较好的治理效果[6]。然而串联型APF 意味着器件将承受与高压直流输电系统相同的高电压，大电流，这又使得绝缘困难，成本增加。直流APF 的提出和研究时间没有交流APF 那么长，因此目前是将APF 应用在整流桥的直流侧进行滤波。

为了改进其电路特性，可以将APF 与电容电感（无源滤波器）串联后，并入系统，形成一种混合型滤波器，这样APF 在高压直流输电中承受的电压和电流都会降低，其容量将大大减小。如果能先用无源滤波器滤去主要的低次谐波（12 次、24 次），再用APF 将滤去没有滤净的谐波，就能充分发挥二者优势，提高整体的滤波效果。

APF 的控制策略如图1 所示：

图1 有源滤波高压直流输电系统的控制框图

在图1 中，d 轴 q 轴的参考相量 i1dh、*i1qh*分别为：

其中，i1dh、*i1qh*为电网中需要补偿的谐波电流的d 轴和q 轴参考值。 i1d*、i1q*为高压直流输电系统根据自身情况或电网调度需求和电网交换的有功、无功功率电流的参考值。为稳定直流电压的d 轴参考值。

从以上分析可知，d 轴参考电流i1def包括有功电流参考值i*1d、电网中需要补偿的d 轴谐波电流的参考值i*1dh和直流电压外环加入的d轴参考值。 q 轴参考电流i1qref包括无功电流参考值i*1q、电网中需要补偿的q 轴谐波电流的参考值i*1qh。采用直接电流控制，换流器交流电流完全追随参考电流变化时，就可以完成有功功率、无功功率和谐波三个量的协调控制，实现在传递功率的同时完成滤波的功能[7]。