高压直流输电系统中滤波器对控制效果影响的研究

段志芳，张 恺

（1.山西大学，山西 太原 030013；2.国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030032）

高压直流输电系统中滤波器对控制效果影响的研究

段志芳1，张 恺2

（1.山西大学，山西 太原 030013；2.国网山西省电力公司检修公司，山西 太原 030032）

指出了在高压直流输电系统中，由大量电力电子设备构成的换流器核心系统给直流输电带来了两方面问题，即系统的控制问题和电力电子设备造成的谐波污染问题，针对这两个问题，综合分析滤波器和控制器在高压直流输电系统中的相互作用，通过Matlab仿真软件，建立高压直流输电系统的仿真模型，并在给定控制器的直流系统仿真模型上搭建滤波装置仿真直流输电线路电压电流波形，仿真结果证实在高压直流输电系统中，加装滤波器会使得系统中控制器的控制效果更优。

滤波器；控制效果；高压直流输电；Matlab仿真

0 引言

由于在远距离、大容量输电的情况下，高压直流输电技术比起交流输电技术更优，特别是在我国这个西电东送、南北互联的电气时代，直流输电技术就越发显示了其独特的价值。直流输电技术中堪称核心的要属换流设备，然而，由大量电力电子设备组成的换流设备造成了高压直流输电系统的两大问题，即控制器对整个系统的控制问题和电力电子设备造成的谐波问题。因此，研究者都致力于研究各种控制器，对比出能显示更优控制效果的控制策略，或者研究滤波器等各种滤波设备，希望减少整个系统的谐波污染。

目前，多数对控制器和滤波器的研究是针对各自的领域，也就是说或者是单纯的对控制器的控制策略进行研究，又或者是专门针对谐波在整个系统电压、电流畸变影响的方面进行研究，而把这两方面综合在一起，分析其相互间影响的研究很少。因此，本文将PI控制器（Proportional Integral Controller）和滤波器结合在一起，分析研究滤波器对控制器的控制效果的影响，进而综合分析高压直流输电系统的整体性能。

1 高压直流输电系统的原理及结构

高压直流输电系统主要分为5个部分，即交流电源、整流换流站、直流输电线路、逆变换流站、另一侧交流电源。其基本原理为发电厂发出的交流电通过整流装置整流成直流，通过直流线路输送，再通过逆变装置逆变回交流供负荷用电[1-2]。

直流输电系统中最核心的部分就是整流—逆变部分，统称为换流装置。控制器是换流装置中的核心部分。本文直流系统的控制器采用传统的PI控制策略。传统的PI控制原理是输入一个电流偏差，利用简单的闭环控制最终的输出，使输出达到预期的效果[1-3]。

由于换流装置会用到很多电力电子器件，这些器件就必然给系统带来谐波污染，加装滤波器是最有效的抑制谐波的方法之一。本文采用无源滤波器中的双调谐滤波器。双调谐滤波器的电路由串联电容C1、串联电感L1的串联谐振电路与并联电容C2、并联电感L2和电阻R的并联谐振电路串接而成。由于双调谐可以等效为两个独立的单调谐，根据单调谐参数计算原则，确定了两组独立的参数为第1组单调谐电容Cd1、第1组单调谐电感Ld1、第2组单调谐电容Cd2、第2组单调谐电感Ld2，当不考虑R 时，根据式（1）、式（2）、式（3）、式（4）[4]计算双调谐的参数值。

2 直流输电系统模型的建立与仿真

根据原理，高压直流输电系统模型是由交—直—交组成的5个模块，即交流电源—整流模块—直流输电线路—逆变模块—对侧交流电源。

整流逆变模块中的控制模块采用PI控制器，参数计算采用临界比例度法[3]。为了验证滤波器对系统控制效果的影响，本文在搭建Matlab仿真模型时，选用了本身控制效果不太理想的控制器，即该系统中的控制器当系统不稳定时不能很好地对交流侧发出的交流电进行整流。

双调谐滤波器分为两部分，即DT11/13和DT23/25，分别针对高压直流输电的第11、13、23、25次特征谐波[1]设计。其中交流滤波器参数计算是由滤波器原理式（1）—式（4）得出滤波器所需的电容、电感参数值。直流滤波器的参数设定，不考虑无功的分配，直接通过经验公式[4]选定好C1、C2，根据公式计算出L1、L2。然后建立起具有相应控制器和滤波器的高压直流输电系统。对系统分别采用如下3种方式进行仿真。

a）整流、逆变侧控制模块的控制策略均为传统PI控制，在直流输电系统中不安装滤波器。

b）在方式a）的基础上，在交流母线加装交流侧的滤波器。

c）在方式b）的基础上，在直流极线加装直流侧的滤波器。

仿真时间为1 s，仿真算法采用ode23tb算法。为了检验系统的控制效果，在0.3 s时设置参考线变动，观察其电压、电流的跟随性。在0.6 s时设置故障，故障类型为交流线路单相接地短路故障，观察在故障后是否能自动恢复。

图 1、图 2、图 3分别是 3种方式下通过Matlab仿真系统中的示波器观察到的直流线路的电压、电流波形图。横坐标表示仿真时间，单位为s。纵坐标表示整流后直流线路上的电压、电流的波形，其单位分别为V、标幺值。“——”线表示电压、电流的波形，“——××”线是设定好的电流基准参考线。

图1 不加装滤波器高压直流输电系统仿真波形

图2 加装交流滤波器高压直流输电系统仿真波形

方式a），如图1所示，不加装任何滤波器，由于设定的控制器本身控制性能不佳，启动0.1 s后系统中电压电流波形发散。正如笔者预设的结果一致：控制器不能很好地把电压、电流整流成直线。

方式b），如图2所示，在交流母线上加装交流滤波器，控制器将交流的电压、电流在一定的启动波动后整流成一条直线，并且在0.3 s的参考线发生变动后还可以很好地跟随。

方式c），如图3所示，在直流极线上加装直流滤波器后，不仅电压电流很好地被整流成直线并有好的跟随性，而且0.6s故障发生时，其波动最小。

表1 整流侧电流波形控制参数

由表1给出的仿真后的控制参数分析结果有以下几方面。

a）系统启动过程中，方式三的启动过程跟踪参量时间最短为0.162 s，跟踪最快。

b）系统稳态运行过程中，方式三的参考量波后超调量最小为6.08%，跟随性更好。

c）在0.6 s，发生交流线路接地故障时，方式三的恢复时间最短为0.726 8 s。

3 结论

通过Matlab-Simulink进行建模仿真，搭建采用PI控制器和交、直流滤波器的高压直流输电线路模型。通过仿真实验得出在交、直流侧都加装滤波器可以改善控制器在高压直流输电系统中的控制效果，使得系统更加稳定。因此，在生产实践中，高压直流输电系统预加强其控制器的控制效果，还可以通过加装交、直流滤波器来调试。

［1］ 韩民晓，文俊，徐永海.高压直流输电原理与运行［M］.北京：机械工业出版社，2009：64-92.

［2］ 赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京：中国电力出版社，2004：93-122.

［3］ 路林娟.高压直流输电系统智能控制器的研究和设［D］.太原：太原理工大学，2010.

［4］ 李普明，徐政，黄莹，等.高压直流输电交流滤波器参数的计算［J］.中国电机工程学报，2008，28（16）：115-121.

Research on the Controlling Effect of Filter for HVDC Transm ission System

DUAN Zhi-fang1，ZHANG Kai2
（1.Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030013，China；2.State Grid Maintenance Com pany of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030032，China）

Converter coresystem consisted ofmultiple powerelectronic equipmentcauses twomajor problems for HVDCsystem:one is the control problem and the other is harmonic pollution due to power electronic equipment.In view of the problems，this paper comprehensively analysed the interactions between filter and controller.Based on Matlab simulating software，the simulation model of HVDC system was built，and filter was installed on themodel of the certain controller to simulate the voltage and currentwave of DC transmission lines.Thesimulation resultverified thatthe filter renders the controller tobemoreeffective for HVDC transmission system.

filter；controleffect；HVDC power transmission；Matlab simulation

TP15

A

1671-0320（2014）03-0008-03

2014-02-12，

2014-04-15

段志芳（1984-），女，山西大同人，2011年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士研究生，助教，主要研究方向为电力系统及自动化；

张 恺（1985-），男，山西太原人，2011年毕业于太原理工大学电力系统及其自动化专业，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及自动化。