有源濾波器在高壓直流輸電中的應用

許暉　尹忠東

【摘 要】高電壓直流輸電技術(shù)在遠距離大容量輸電的任務上擔當了重要角色。然而其兩側(cè)換流站由于存在很多大容量換流閥，使得注入系統(tǒng)的諧波非常嚴重，嚴重影響了電能質(zhì)量和運行穩(wěn)定性。而現(xiàn)在大多使用的濾波設(shè)備都是傳統(tǒng)的無源濾波器，由于其調(diào)諧頻率的限制，仍會有其他次諧波注入系統(tǒng)，而用有源濾波器（APF）則能有效改進濾波效果。本文闡述了APF的工作原理及其適用限制，提出了使用混合型APF進行濾波的方案。通過此方案可以在控制成本的同時，提高濾波效果。

【關(guān)鍵詞】有源濾波器；高壓直流輸電；換流；諧波

0 引言

我國用電負荷與發(fā)電能源的分布很不均衡，東部地區(qū)負荷多而能源少，西北、西南地區(qū)能源多而負荷少。在能源中心建立大火電、水電基地，大容量、遠距離將電能輸送到負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，在國內(nèi)外得到了廣泛應用。

高壓直流輸電的換流站通常采用的是12脈動換流裝置，脈動次數(shù)越多，諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動數(shù)來繼續(xù)減小諧波，其控制系統(tǒng)會非常復雜，投資也會大幅增加，而濾波效果卻增加的不明顯。12脈動換流裝置在直流側(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，電磁感應及傳導耦合，線路上的諧波電流還會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、控制策略幾個方面進行了分析，論述了其在HVDC系統(tǒng)中作為補償裝置的可行性。

1 有源濾波器

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

其基本工作原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令，信號經(jīng)過放大后，得出補償電流，此電流與需要補償?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)學表達式為：

交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負載引起的。而直流濾波，是希望濾除負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)方式是應用的最多的一種，其主要用于補償可以看作電流源的諧波源。而串聯(lián)型主要用于補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的提出和研究時間沒有交流APF那么長，因此目前是將APF應用在整流橋的直流側(cè)進行濾波。

為了改進其電路特性，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：

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，就可以完成有功功率、無功功率和諧波三個量的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)在傳遞功率的同時完成濾波的功能[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)諧波電流進行更嚴格的過濾，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。

【參考文獻】

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

[2]黃道春，魏遠航，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，2004.

[4]王兆安，楊君，劉進軍，王躍.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業(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）.

[責任編輯：丁艷]

【摘 要】高電壓直流輸電技術(shù)在遠距離大容量輸電的任務上擔當了重要角色。然而其兩側(cè)換流站由于存在很多大容量換流閥，使得注入系統(tǒng)的諧波非常嚴重，嚴重影響了電能質(zhì)量和運行穩(wěn)定性。而現(xiàn)在大多使用的濾波設(shè)備都是傳統(tǒng)的無源濾波器，由于其調(diào)諧頻率的限制，仍會有其他次諧波注入系統(tǒng)，而用有源濾波器（APF）則能有效改進濾波效果。本文闡述了APF的工作原理及其適用限制，提出了使用混合型APF進行濾波的方案。通過此方案可以在控制成本的同時，提高濾波效果。

【關(guān)鍵詞】有源濾波器；高壓直流輸電；換流；諧波

0 引言

我國用電負荷與發(fā)電能源的分布很不均衡，東部地區(qū)負荷多而能源少，西北、西南地區(qū)能源多而負荷少。在能源中心建立大火電、水電基地，大容量、遠距離將電能輸送到負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，在國內(nèi)外得到了廣泛應用。

高壓直流輸電的換流站通常采用的是12脈動換流裝置，脈動次數(shù)越多，諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動數(shù)來繼續(xù)減小諧波，其控制系統(tǒng)會非常復雜，投資也會大幅增加，而濾波效果卻增加的不明顯。12脈動換流裝置在直流側(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，電磁感應及傳導耦合，線路上的諧波電流還會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、控制策略幾個方面進行了分析，論述了其在HVDC系統(tǒng)中作為補償裝置的可行性。

1 有源濾波器

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

其基本工作原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令，信號經(jīng)過放大后，得出補償電流，此電流與需要補償?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)學表達式為：

交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負載引起的。而直流濾波，是希望濾除負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)方式是應用的最多的一種，其主要用于補償可以看作電流源的諧波源。而串聯(lián)型主要用于補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的提出和研究時間沒有交流APF那么長，因此目前是將APF應用在整流橋的直流側(cè)進行濾波。

為了改進其電路特性，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：

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，就可以完成有功功率、無功功率和諧波三個量的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)在傳遞功率的同時完成濾波的功能[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)諧波電流進行更嚴格的過濾，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。

【參考文獻】

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

[2]黃道春，魏遠航，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，2004.

[4]王兆安，楊君，劉進軍，王躍.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業(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）.

[責任編輯：丁艷]

【摘 要】高電壓直流輸電技術(shù)在遠距離大容量輸電的任務上擔當了重要角色。然而其兩側(cè)換流站由于存在很多大容量換流閥，使得注入系統(tǒng)的諧波非常嚴重，嚴重影響了電能質(zhì)量和運行穩(wěn)定性。而現(xiàn)在大多使用的濾波設(shè)備都是傳統(tǒng)的無源濾波器，由于其調(diào)諧頻率的限制，仍會有其他次諧波注入系統(tǒng)，而用有源濾波器（APF）則能有效改進濾波效果。本文闡述了APF的工作原理及其適用限制，提出了使用混合型APF進行濾波的方案。通過此方案可以在控制成本的同時，提高濾波效果。

【關(guān)鍵詞】有源濾波器；高壓直流輸電；換流；諧波

0 引言

我國用電負荷與發(fā)電能源的分布很不均衡，東部地區(qū)負荷多而能源少，西北、西南地區(qū)能源多而負荷少。在能源中心建立大火電、水電基地，大容量、遠距離將電能輸送到負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，在國內(nèi)外得到了廣泛應用。

高壓直流輸電的換流站通常采用的是12脈動換流裝置，脈動次數(shù)越多，諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動數(shù)來繼續(xù)減小諧波，其控制系統(tǒng)會非常復雜，投資也會大幅增加，而濾波效果卻增加的不明顯。12脈動換流裝置在直流側(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，電磁感應及傳導耦合，線路上的諧波電流還會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、控制策略幾個方面進行了分析，論述了其在HVDC系統(tǒng)中作為補償裝置的可行性。

1 有源濾波器

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

其基本工作原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令，信號經(jīng)過放大后，得出補償電流，此電流與需要補償?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)學表達式為：

交流系統(tǒng)的電流畸變主要是由非線性負載引起的。而直流濾波，是希望濾除負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)方式是應用的最多的一種，其主要用于補償可以看作電流源的諧波源。而串聯(lián)型主要用于補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的提出和研究時間沒有交流APF那么長，因此目前是將APF應用在整流橋的直流側(cè)進行濾波。

為了改進其電路特性，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：

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，就可以完成有功功率、無功功率和諧波三個量的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)在傳遞功率的同時完成濾波的功能[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)諧波電流進行更嚴格的過濾，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。

【參考文獻】

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

[2]黃道春，魏遠航，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，2004.

[4]王兆安，楊君，劉進軍，王躍.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業(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）.

[責任編輯：丁艷]