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脈動的整流實驗，驗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)的諧波污染日益嚴重，直接影響到了電網(wǎng)的安全運行[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)計難度大，且控制和保護技術(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)公共連接點處加裝濾波兼無功補償裝置[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)備正常運行等[11];②濾波器按照諧振原理進行設(shè)計，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)計方法中，一般都是憑借工程上的經(jīng)驗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現(xiàn)特點，并通過實驗現(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)計難易程度、濾波效果的差異。

1 濾波機理

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。

由于正常運行時單橋整流器的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)時間中各閥臂的導(dǎo)通過程：

1)VT1、VT2導(dǎo)通階段。此時，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。在實際運行中，相電流不可能瞬時改變。因此，電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相需要一定的時間，稱為換相時間或疊弧時間。相應(yīng)的“換相角”或“疊弧角”表示為μ。正常運行狀態(tài)下，換相角小于60°; 典型的滿負載值在15°~25°范圍內(nèi)。當0°< μ <60°時， 換相過程中有3 個閥同時導(dǎo)通。每隔60°開始一次新的換相，并持續(xù)角度為μ 的一個時段，因此，當無觸發(fā)延遲(即α=0)時，2 個閥同時導(dǎo)通的時段角度為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)。這是因為此刻分析的是通過電感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i3=0。

換相時，i1的波形滿足i1=Id-i3。因此，換相角主要取決于Lc和α，當α 接近0°時，換相時間最長，所以在工程中，一般α 都將設(shè)置的比較小。如果要進一步的增大換相時間，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各相電流波形由正、負相間的方波組成。以a相電流為例， 適當選取坐標進行傅里葉分解可知，電流波形中只含有6k±1 次的諧波，ia的表達式為

分析式(10)：諧波電流的大小與α 和μ 都有關(guān)系，分別對各次諧波電流含有率進行計算，可以將計算結(jié)果繪成曲線。由曲線可知，諧波電流受μ 角的影響較大，μ 角的增大會使諧波電流減小。

例如，當α=15°，μ=0°時，I5=20%I1，I7=14.5%I1;但是當時μ=60°，I5=6.2%I1，I7=2%I1。而且當μ 為較小值時，無論α 為何值，諧波電流的含有率都比較大。

這就驗證出了，增大換流器的換相角μ，能有效的進行諧波抑制。

2 濾波電路設(shè)計

通過前面的分析可知： 在直流輸電系統(tǒng)中，交流側(cè)電流波形的諧波含有率與換流器的換相角緊密相關(guān)，并且換流器的換相角主要受交流電源電感LC的影響，LC中包含換流變壓器漏抗所對應(yīng)的電感。通過增大LC，可以延長換相時間、增大換相角，進而可以降低交流側(cè)的諧波含量。根據(jù)這一思路，設(shè)計電路圖見圖3。

在換流器與交流系統(tǒng)之間串聯(lián)1 組電感Lr，這組電感與原交流電源電感LC串聯(lián)相加成為新的電源電感LC+Lr。

3 實驗驗證

通過實驗來驗證這種方法的可行性，為進行濾波效果比較，分別將串聯(lián)電感Lr退出和投入，測量與換流器相聯(lián)的電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流波形。實驗過程中，為了分析方便，將控制角α 調(diào)為最小值并保持不變。

3.1 未增大換相角時

用示波器記錄串聯(lián)電感Lr未投入時電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流的波形圖，并對其進行諧波分析，波形圖見圖4， 總的波形畸變率與各次諧波的含有率記錄見表1。

3.2 增大換相角時

此時的電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖見圖5， 諧波分析見表2。

分析上述2 個實驗： 當串聯(lián)電感未投入時，電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流波形中含有一定的諧波，總的畸變率分別為3.29%和26.8%，電壓中的諧波是電網(wǎng)的固有諧波或是由于調(diào)壓器的三相不平衡造成的;而電流中的大量諧波是由換流器的非線性的特性產(chǎn)生的，其諧波含有率遠遠超出了電力系統(tǒng)的諧波限值標準[17-21]。當投入串聯(lián)電感、增大換流器的換相角時，電網(wǎng)側(cè)電壓的諧波含有率基本不變，但是電流畸變率減小為3.34%，滿足了小于5%的諧波標準。

可以看出，通過增大換相角來進行諧波抑制的方法是切實可行的，而且效果非常明顯。但是這種方法也有個不足之處：當投入串聯(lián)電感后，電網(wǎng)側(cè)的電流會在這個電感上產(chǎn)生1 個壓降，使電網(wǎng)的電壓有1 個較大的電壓損失。在上述實驗中，電網(wǎng)通過1 個調(diào)壓器給換流器供電， 如果將調(diào)壓器調(diào)至124 V (線電壓)， 但是換流器得到的電壓只有57 V(線電壓)，這時電網(wǎng)消耗在串聯(lián)電感上的電壓過大，這顯然是一種不經(jīng)濟的運行方式，也不能滿足未來智能電網(wǎng)高效節(jié)能的要求[22-23]，所以需要對這種濾波方法進行改進。

3.3 改進的濾波實驗電路

在前面的實驗中，用示波器對串聯(lián)電感上的電壓進行諧波分析， 此時電感上的電壓為60.8 V，其總的電壓波形畸變率為15.2%，由此可知，電感上的壓降由電流基波和諧波共同產(chǎn)生，諧波產(chǎn)生的壓降為60.8×15.2%≈9.2 V，這就說明電感上的大部分壓降是基波電流產(chǎn)生的，而這部分的壓降可以通過串聯(lián)電容進行補償，從而達到既能濾波又無過大電壓損失的目的。改進的濾波實驗電路圖見圖6。

改進后的實驗電路中，在串聯(lián)電感Lr與換流器之間再傳入1 組電容器Cr，這組電容主要起補償Lr上壓降的作用。在實際操作中，Cr是可調(diào)電容，通過調(diào)節(jié)其大小，使Cr上的電壓接近于Lr上的電壓，當二者的電壓值相當時， 總的電壓損失就會大大減小，滿足工程中的要求。

下面來驗證這種方法的正確性：為與前面的實驗做比較， 仍然保持換流器交流側(cè)線電壓57 V 不變，并記錄此時電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，觀察串聯(lián)補償電容Cr后是否會對電網(wǎng)波形產(chǎn)生影響。實驗現(xiàn)象分析：串聯(lián)Cr后，保持換流器交流側(cè)線電壓57 V 不變， 此時電網(wǎng)只需輸入70.7 V 的線電壓， 與未串聯(lián)Cr需輸入124 V 相比大大減小，這說明串入電容后，Lr上的壓降得到補償。通過圖7還可以看出，串入Cr對電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形并無影響。

圖6 所示的電路原理圖就是這種新型濾波方法的最終形式， 這種方法不僅僅在整流側(cè)可行，對逆變側(cè)同樣適用。工程中的直流輸電系統(tǒng)一般為12脈動的換流器，只需串聯(lián)2 組即6 個電感、6 個電容即可。

4 結(jié)論

1)通過增大換流器的換相角進行諧波抑制，實驗驗證這種方法具有良好的濾波效果，其濾波機制在于延長1 個周期內(nèi)換流器閥臂的導(dǎo)通時間，使換流器由非線性過渡為線性。

2)這種新型的濾波方式利用了串聯(lián)的形式實現(xiàn)了無源濾波，對所有頻率諧波均有抑制效果，有效的克服了傳統(tǒng)無源濾波器只能濾去固定頻率諧波的缺陷，而且結(jié)構(gòu)簡單。

3)這種濾波方式設(shè)計過程簡單，濾波效果穩(wěn)定，不會產(chǎn)生傳統(tǒng)無源濾波的失諧現(xiàn)象，受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響較小，運行維護方便。

4)工程中，對濾波和無功補償設(shè)備總投資進行綜合評估比較后，在成本低廉的情況下，可選擇裝設(shè)該濾波裝置。

參考文獻：

[1] 夏道止，沈贊塤.高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波[M].北京：水利水電出版社，1994.

[2] 李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[3] 趙勇，韓春立，李建華，等.兼顧降低網(wǎng)損和抑制諧波要求的配網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運行[J]. 中國電機工程學(xué)報，2003，23(1)：6-10.ZHAO Yong，HAN Chun-li，LI Jian-hua，et al.Distributionnetwork optimal operation for loss reduction and harmonicmitigation[J]. Proceedings of the CSEE，2003，23(1)：6-10.

[4] 浙江大學(xué)發(fā)電教研組直流輸電科研組.直流輸電[M]. 北京：水利水電出版社，1985.

[5] 李鳳祥，趙不賄.諧波抑制和無功功率補償技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2001，13(5)：26-28.LI Feng-xiang，ZHAO Bu-hui.The study and apply oftechnology about harmonic restraining and var offsetting[J].Proceedings of the EPSA，2001，13(5)：26-28.

[6] VARRICCHIO S，GOMES S，MARTINS N.Modal analysisof industrial system harmonics using the s-domainapproach[J]. IEEE Trans. on Power Delivery，2004，19(3)：1232-1237.

[7] NELSON J.A better understanding of harmonic distortionin the petrochemical industry[J]. IEEE Trans. on IndustryApplications，2004，40(1)：220-231.

[8] 烏爾曼E[瑞典].直流輸電[M]. 北京：科學(xué)出版社，1983.

[9] 曾祥君，陳博，唐欣，等.三調(diào)諧電力濾波器的研究[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27(19)：104-109.ZENG Xiang-jun，CHEN Bo，TANG Xin，et al.A novelthree filter for power system[J]. Proceedings of the CSEE，2007，27(19)：104-109.

[10] 湯賜，羅安，范瑞祥，等.新型注入式混合有源濾波器應(yīng)用中的問題[J]. 中國電機工程學(xué)報，2008，28(18)：47-53.TANG Ci，LUO An，F(xiàn)AN Rui-xiang，et al.Problems inapplication of new injection type hybrid active power filter[J].Proceedings of the CSEE，2008，28(18)：47-53.

[11] 羅隆福，李勇，劉福生，等.基于新型換流變壓器的直流輸電系統(tǒng)濾波裝置[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(12)：108-112.LUO Long-fu，LI Yong，LIU Fu-sheng，et al.Design ofHVDC filter device based on new-type convertertransformer[J]. Transactions of China ElectrotechnicalSociety，2006，21(12)：108-112.

[12] 李圣清，朱英潔，周有慶，等.基于交互式多目標遺傳算法的無源濾波器優(yōu)化設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學(xué)報2003，18(6)：1-6.LI Sheng-qing，ZHU Ying-jie，ZHOU You-qing，et al.Optimal design of passive power filters based oninteraction multi- modal genetic algorithm[J]. Transactionsof China Electrotechnical Society，2003，18(6)：1-6.

[13] 任震，曾艷，戴保明.高壓直流輸電系統(tǒng)中C 型阻尼濾波器的優(yōu)化模型及其算法[J]. 中國電機工程學(xué)報，2002，22(12)：123-126.REN Zhen，ZENG Yan，DAI Bao-ming.Optimization modeland algorithm of type-C damped filter in high voltage directcurrent transmission system[J]. Proceedings of the CSEE，2002，22(12)：123-126.

[14] 同向前，薛鈞義.電力協(xié)調(diào)濾波器的最佳偏調(diào)設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2005，20(4)：98-101.TONG Xiang-qian，XUE Jun-yi.Tuned power filter withoptimal tuned frequency[J]. Transactions of ChinaElectrotechnical Society，2005，20(4)：98-101.

[15] 劉兵，耿喜軍，趙東元.基于近似逆系統(tǒng)設(shè)計方法的直流有源濾波器[J]. 電力電容器，2006，27(5)：28-33.LIU Bing，GENG Xi-jun，ZHAO Dong-yuan.The activeDC filter based on approximate inverse system control[J].Power Capacitor，2006，27(5)：28-33.

[16] 趙曙光，焦李成，王軍寧，等.混合濾波系統(tǒng)中無源濾波器的自適應(yīng)進化設(shè)計方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28(2)：54-57.ZHAO Shu-guang，JIAO Li-cheng，WANG Jun-ning，et al.Adaptive evolutionary design of passive power filters inhybrid power filter systems[J]. Automation of Electric PowerSystem，2004，28(2)：54-57.

[17] 周林，蔣建文，周雒維.基于單周控制的三相四線制有源濾波器[J]. 中國電機工程學(xué)報，2003，23(3)：85-88.ZHOU Lin，JIANG Jian-wen，ZHOU Luo-wei.Three-phasefour-wire active power filter with one-cycle control[J].Proceedings of the CSEE，2003，23(3)：85-88.

[18] 趙勇，沈紅，李建華，等.諧波源及其與非諧波源的識別及其與分諧波源的分離方法[J]. 中國電機工程學(xué)報，2002，22(5)，84-87.ZHAO Yong，SHEN Hong，LI Jian-hua，et al.Approach ofidentification and separation of harmonic sources[J].Proceedings of the CSEE，2002，22(5)：84-87.

[19] 范瑞祥，涂春鳴，羅安.基于配網(wǎng)的無功和諧波綜合補償裝置的設(shè)計仿真和應(yīng)用研究[J]. 高壓電器，2009，45(1)：84-88.FAN Rui-xiang，TU Chun-ming，LUO An.Design simulationand application of combined system with reactive powerand harmonic compensation[J]. High Voltage Apparatus，2009，45(1)：84-88.

[20] IEC 61000-3-6：2007.Assessment of emission limits fordistorting loads in MV and HV powersystem[S].

[21] 許加柱，羅隆福，劉福生，等.新型換流變壓器的諧波電流分析與計算[J]. 高壓電器，2007，43(1)：45-48.XU Jia-zhu，LUO Long-fu，LIU Fu-sheng，et al. Analysisand calculation of harmonic currents in the novelconverter transformer [J]. High Voltage Apparatus，2007，43(1)：45-48.

[22] 余貽鑫，欒文鵬.智能電網(wǎng)述評[J]. 中國電機工程學(xué)報，2009，29(34)：1-8.YU Yi-xin，LUAN Wen-peng.Smart grid and itsimplementations[J]. Proceedings of the CSEE，2009，29(34)：1-8.

[23] 余貽鑫.智能電網(wǎng)的技術(shù)組成和實現(xiàn)順序[J]. 南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3(2)：1-6.YU Yi-xin.Technical composition of smart grid and itsimplementation sequence[J]. Southern Power SystemTechnology，2009，3(2)：1-6.

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