直流輸電系統(tǒng)中的一種新型濾波措施

21ic智能電網(wǎng)：摘要： 針對直流輸電系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重的問題，介紹了一種新型的濾波方法，該方法利用了直流輸電系統(tǒng)中換流器的換相過程，通過串聯(lián)電感來增大換相角從而改善換流器電網(wǎng)側(cè)的電流波形，并串入電容器來補(bǔ)償電感上的壓降，這種方法使得直流輸電系統(tǒng)的濾波器大大簡化，利用較低的成本獲得了較佳的濾波效果。以6脈動的整流器為例，說明了整流器的換相過程，分析了改變換相角大小的因素以及換相角對交流側(cè)電流波形的影響，并通過6脈動的整流實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法在直流輸電系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。

0 引言

近年來，大量的電力電子設(shè)備的普遍使用造成電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴(yán)重，直接影響到了電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1-3]。在各種電力電子裝置中直流輸電工程中的整流和逆變裝置所占的比率最大，也是最大的諧波源[4-5]。在高壓直流輸電中，因換流器的非線性工作方式，換流器會產(chǎn)生大量的諧波并消耗大量的無功功率。這些諧波和無功電流通過換流變壓器的閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)繞組后流至交流系統(tǒng)中，所以必須在網(wǎng)側(cè)安裝大量的無功補(bǔ)償和濾波裝置，但是這些設(shè)備要求電壓水平等級高，設(shè)計(jì)難度大，且控制和保護(hù)技術(shù)難度也較大。電力系統(tǒng)的諧波污染與功率因數(shù)降低等電能質(zhì)量問題引起了電力工作者的廣泛關(guān)注[6-7]。

目前的高壓直流輸電系統(tǒng)諧波抑制措施普遍采用裝設(shè)無源濾波器[8]，它雖然能在一定程度上滿足系統(tǒng)濾波要求，但深入研究不難發(fā)現(xiàn)其存在如下不足：①為提高電能質(zhì)量，通常是在電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處加裝濾波兼無功補(bǔ)償裝置[9-10]，但由于電力系統(tǒng)阻抗一般很小， 這類方法的實(shí)際效果欠佳，而且諧波電流在相關(guān)設(shè)備內(nèi)部流動造成損耗增加，設(shè)備老化加快，振動與噪音增加，干擾其他設(shè)備正常運(yùn)行等[11];②濾波器按照諧振原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，失諧現(xiàn)象對濾波器參數(shù)特別是濾波器容量和調(diào)諧頻率的選擇具有重要影響。在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法中，一般都是憑借工程上的經(jīng)驗(yàn)來選定濾波器的參數(shù)，再通過軟件仿真來調(diào)整確定[12-15]，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，并且濾波效果不夠穩(wěn)定，易于系統(tǒng)阻抗發(fā)生串、并聯(lián)諧振。有源濾波器具有良好的動態(tài)補(bǔ)償效果，但濾波容量較小, 安裝容量受到開關(guān)器件水平和補(bǔ)償性能的限制，且初期投資較高[16]，也不適用于高壓直流輸電系統(tǒng)交流側(cè)諧波抑制。

基于此，筆者提出1 種利用換流器換相重疊角作濾波機(jī)理的新型濾波方式，能有效的解決上述無源濾波器、有源濾波器所面臨的種種問題。描述了該濾波方式的原理及實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來對比分析該新型濾波方式與傳統(tǒng)無源、有源濾波方式在濾波器設(shè)計(jì)難易程度、濾波效果的差異。

1 濾波機(jī)理

1.1 換流器的換相角現(xiàn)象

高壓直流輸電每極一般采用2 個6 脈動換流器(又稱為單橋換流器)串聯(lián)構(gòu)成12 脈動換流器(又稱為雙橋換流器)的形式;對于±800 kV 特高壓直流工程，每極采用2 個12 脈動換流器串聯(lián)。文中主要討論新型濾波方法的機(jī)理，以6 脈動換流器為例即可，對12 脈動換流器同樣適用。6 脈動的整流原理圖見圖1。

由于正常運(yùn)行時(shí)單橋整流器的6 個閥臂順序?qū)?，所以不妨假設(shè)VT1、VT2 2 個閥臂正處于導(dǎo)通狀態(tài)，以此分析后續(xù)時(shí)間中各閥臂的導(dǎo)通過程：

1)VT1、VT2導(dǎo)通階段。此時(shí)，三相電流在圖1 所示參考方向下分別為ia=id，ib=0，ic=-id。

2)VT1、VT2、VT3導(dǎo)通階段。在實(shí)際運(yùn)行中，相電流不可能瞬時(shí)改變。因此，電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相需要一定的時(shí)間，稱為換相時(shí)間或疊弧時(shí)間。相應(yīng)的“換相角”或“疊弧角”表示為μ。正常運(yùn)行狀態(tài)下，換相角小于60°; 典型的滿負(fù)載值在15°~25°范圍內(nèi)。當(dāng)0° μ 60°時(shí)， 換相過程中有3 個閥同時(shí)導(dǎo)通。每隔60°開始一次新的換相，并持續(xù)角度為μ 的一個時(shí)段，因此，當(dāng)無觸發(fā)延遲(即α=0)時(shí)，2 個閥同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)段角度為60°-μ。在每次換相過程中，加入閥中的電流從0 增大到Id， 退出閥中的電流從Id減小到0。

在換相過程中，VT1、VT2、VT3均導(dǎo)通，等效的換流器見圖2。

在換相過程中，加入閥中的電流i3包括1 個恒定分量(Is2cosα)和1 個滯后于換流電壓90°的正弦分量(-Is2cosωt)。這是因?yàn)榇丝谭治龅氖峭ㄟ^電感2Lc的線間短路情況。i3的恒定分量取決于α，該分量使換相開始時(shí)i3=0。

換相時(shí)，i1的波形滿足i1=Id-i3。因此，換相角主要取決于Lc和α，當(dāng)α 接近0°時(shí)，換相時(shí)間最長，所以在工程中，一般α 都將設(shè)置的比較小。如果要進(jìn)一步的增大換相時(shí)間，就需要改變Lc。

1.3 換相角對交流側(cè)電流波形的影響

由于換流器一般直接與系統(tǒng)相連，系統(tǒng)的電壓波形與幅值一般變化不大，所以換流器對系統(tǒng)的電流波形影響較大。換流器系統(tǒng)側(cè)的電流波形與閥臂的導(dǎo)通、關(guān)斷有直接的關(guān)系，正由于閥臂的間斷導(dǎo)通，才導(dǎo)致了系統(tǒng)電流波形的畸變。

如果1 個閥臂在1 個周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長，其電流波形的畸變就會越小，現(xiàn)分析如下。

1.3.1 忽略換相過程影響時(shí)的諧波電流

假設(shè)換流器交流的電抗值為零，忽略換相過程影響時(shí)各相電流波形由正、負(fù)相間的方波組成。以a相電流為例， 適當(dāng)選取坐標(biāo)進(jìn)行傅里葉分解可知，電流波形中只含有6k±1 次的諧波，ia的表達(dá)式為

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