混合型有源滤波器在HVDC中的应用

刘芹 江珉 牟树贞

【摘要】高电压直流输电技术在远距离大容量输电的任务上担当了重要角色。然而其两侧换流站由于存在很多大容量换流阀，使得注入系统的谐波非常严重，严重影响了电能质量和运行稳定性。而现在大多使用的滤波设备都是传统的无源滤波器，由于其调谐频率的限制，仍会有其他次谐波注入系统，而用有源滤波器（APF）则会有效改进滤波效果。本文阐述了APF的工作原理及其适用限制，提出了使用混合型APF进行滤波的方案。通过此方案可以在控制成本的同时，提高滤波效果。

【关键词】混合有源滤波器;谐波;高压直流输电

1.引言

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，为推动我国直流输电技术的发展，消除直流输电线路对邻近通讯线路的干扰，如何有效抑制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滤波效果也是有限的[3]。本文阐述了混合型APF及其控制策略，论述了其在HVDC系统中作为补偿装置的可行性。

2.混合型APF

2.1 抑制原理

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。

图1 APF等效电路

US为谐波电压源;ZS为谐波源内阻;ZL为输电线路和负载的阻抗;Zf为无源滤波器阻抗;Uf为APF等效的一个受控电压源，其与线路上的谐波电流有关;Ih为谐波电流。

当，且APF不投入，即Uf=0时，谐波电流为：

（1）

当，且投入APF时，谐波电流为：

（2）

总谐波电流为：

（3）

通过检测Ih，可以得到APF的输出电压：

（4）

其中k为APF的放大系数。将（4）代入（3）中，可得：

（5）

当k=0时，APF不起作用，线路上谐波电流取决于无源滤波器的滤波效果;当k>0时，投入APF，谐波电流得到抑制;当且时，谐波电流Ih的值将会很小，很大程度上削弱了谐波电流[4]。

2.2 控制策略

在图2中，d轴q轴的参考相量i*ldh、i*lqh分别为：

（6）

（7）

其中，i*ldh、i*lqh。为电网中需要补偿的谐波电流的d轴和q轴参考值。i*ld、i*lq为新型高压直流输电系统根据自身情况或电网调度要求和电网交换的有功、无功功率电流的参考值。

为稳定直流电压加入的d轴参考值。

图2 有源滤波高压直流输电系统的控制框图

以上分析说明，d轴参考电流i1def包括有功电流i*ld参考值、电网中需要补偿的d轴谐波电流的i*ldh参考值和直流电压外环加入的d轴参考值。q軸参考电流i1qef包括无功电流i*lq参考值、电网中需要补偿的q轴谐波电流的i*lqh参考值， 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、无功功率和谐波三者的协调控制，实现在传递功率的同时完成有源滤波的功能[5]。

3.结语

本文详细阐述了混合型有源滤波器的消谐滤波原理，并给出了其应用与高压直流输电时的控制策略。分析结论表明了混合型有源滤波器不仅可以实现谐波抑制，而且还有利于功率传输的控制，具有一定的实用和推广价值。

参考文献

[1]谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用[M].清华大学出版社，2011.

[2]黄道春，魏远航，钟连宏，皇甫成.我国发展特高压直流输电中一些问题的探讨[J].电网技术，2007，31（8）：6-12.

[3]张翔.高压直流（HVDC）输电系统交流侧的谐波抑制[D].南宁：广西大学，2004.

[4]肖国春，刘进军，杨君，王兆安.高压直流输电用直流有源电力滤波器的研究[J].电工技术学报，2001，16（1）：39-42.

[5]孙栩，孔力.带有源滤波功能的新型高压直流输电系统的研究[J].高压电器，2008，44（1）：1-7.