有源濾波器在高壓直流輸電中的應用

許 暉 尹忠東

（新能源電力系統國家重點實驗室〈華北電力大學〉，中國 北京 102206）

0 引言

我國用電負荷與發電能源的分布很不均衡，東部地區負荷多而能源少，西北、西南地區能源多而負荷少。 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、全國聯網”的部署。 高壓直流輸電可遠距離、大容量傳輸電能，適合大區電網非同步互聯，具有功率損耗小，線路造價低，功率調節迅速靈活，不存在系統穩定性問題等優點，在國內外得到了廣泛應用。

高壓直流輸電的換流站通常采用的是12 脈動換流裝置， 脈動次數越多，諧波含量越小。然而想要依靠增加脈動數來繼續減小諧波，其控制系統會非常復雜，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產生的諧波電壓、諧波電流主要是12k次，在交流側產生12k±1 次特征諧波。 諧波電流在系統中引起諧波電壓，降低了系統的電壓質量，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。 會產生諧波放大，并且即使不出現諧振，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 系統中作為補償裝置的可行性。

1 有源濾波器

有源濾波器系統由兩大部分組成：指令電流運算電路和補償電流發生電路。

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

iS：電源電流 iL：負載電流

iLf：負載基波電流 iLh：負載諧波電流

交流系統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，直流系統中的紋波分量也是由各次諧波分量構成的。 在這個意義上講，交流系統和直流系統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的諧波分量。

有源濾波器有并聯和串聯兩種接入方式。其中并聯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結論，理論上對于直流端電壓諧波，串聯型APF 有較好的治理效果[6]。 然而串聯型APF 意味著器件將承受與高壓直流輸電系統相同的高電壓，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）串聯后，并入系統，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，就能充分發揮二者優勢，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*為電網中需要補償的諧波電流的d 軸和q 軸參考值。 i1d*、i1q*為高壓直流輸電系統根據自身情況或電網調度需求和電網交換的有功、無功功率電流的參考值。為穩定直流電壓的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、電網中需要補償的d 軸諧波電流的參考值i*1dh和直流電壓外環加入的d軸參考值。 q 軸參考電流i1qref包括無功電流參考值i*1q、電網中需要補償的q 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調控制，實現在傳遞功率的同時完成濾波的功能[7]。

2 結束語

有源濾波器與無源濾波器構成混合濾波器，可以對高壓直流輸電直流側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。

［1］謝小榮，姜齊榮.柔性交流輸電系統的原理與應用[M].清華大學出版社.

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

［3］張翔.高壓直流(HVDC)輸電系統交流側的諧波抑制[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 系統中低成本串聯混合型直流有源濾波器[J].高電壓技術，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的研究[J].高壓電器，2008，44(1).