混合型有源濾波器在HVDC中的應用

劉芹 江珉 牟樹貞

【摘要】高電壓直流輸電技術在遠距離大容量輸電的任務上擔當了重要角色。然而其兩側換流站由于存在很多大容量換流閥，使得注入系統的諧波非常嚴重，嚴重影響了電能質量和運行穩定性。而現在大多使用的濾波設備都是傳統的無源濾波器，由于其調諧頻率的限制，仍會有其他次諧波注入系統，而用有源濾波器（APF）則會有效改進濾波效果。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。

【關鍵詞】混合有源濾波器;諧波;高壓直流輸電

1.引言

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，為推動我國直流輸電技術的發展，消除直流輸電線路對鄰近通訊線路的干擾，如何有效抑制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濾波效果也是有限的[3]。本文闡述了混合型APF及其控制策略，論述了其在HVDC系統中作為補償裝置的可行性。

2.混合型APF

2.1 抑制原理

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。

圖1 APF等效電路

US為諧波電壓源;ZS為諧波源內阻;ZL為輸電線路和負載的阻抗;Zf為無源濾波器阻抗;Uf為APF等效的一個受控電壓源，其與線路上的諧波電流有關;Ih為諧波電流。

當，且APF不投入，即Uf=0時，諧波電流為：

（1）

當，且投入APF時，諧波電流為：

（2）

總諧波電流為：

（3）

通過檢測Ih，可以得到APF的輸出電壓：

（4）

其中k為APF的放大系數。將（4）代入（3）中，可得：

（5）

當k=0時，APF不起作用，線路上諧波電流取決于無源濾波器的濾波效果;當k>0時，投入APF，諧波電流得到抑制;當且時，諧波電流Ih的值將會很小，很大程度上削弱了諧波電流[4]。

2.2 控制策略

在圖2中，d軸q軸的參考相量i*ldh、i*lqh分別為：

（6）

（7）

其中，i*ldh、i*lqh。為電網中需要補償的諧波電流的d軸和q軸參考值。i*ld、i*lq為新型高壓直流輸電系統根據自身情況或電網調度要求和電網交換的有功、無功功率電流的參考值。

為穩定直流電壓加入的d軸參考值。

圖2 有源濾波高壓直流輸電系統的控制框圖

以上分析說明，d軸參考電流i1def包括有功電流i*ld參考值、電網中需要補償的d軸諧波電流的i*ldh參考值和直流電壓外環加入的d軸參考值。q軸參考電流i1qef包括無功電流i*lq參考值、電網中需要補償的q軸諧波電流的i*lqh參考值， 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、無功功率和諧波三者的協調控制，實現在傳遞功率的同時完成有源濾波的功能[5]。

3.結語

本文詳細闡述了混合型有源濾波器的消諧濾波原理，并給出了其應用與高壓直流輸電時的控制策略。分析結論表明了混合型有源濾波器不僅可以實現諧波抑制，而且還有利于功率傳輸的控制，具有一定的實用和推廣價值。

參考文獻

[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，2011.

[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）：6-12.

[3]張翔.高壓直流（HVDC）輸電系統交流側的諧波抑制[D].南寧：廣西大學，2004.

[4]肖國春，劉進軍，楊君，王兆安.高壓直流輸電用直流有源電力濾波器的研究[J].電工技術學報，2001，16（1）：39-42.

[5]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）：1-7.