21ic智能電網(wǎng)：摘要： 針對(duì)直流輸電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染日益嚴(yán)重的問(wèn)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(guò)程，通過(guò)串聯(lián)電感來(lái)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(lái)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(jiǎn)化，利用較低的成本獲得了較佳的濾波效果。以6脈動(dòng)的整流器為例，說(shuō)明了整流器的換相過(guò)程，分析了改變換相角大小的因素以及換相角對(duì)交流側(cè)電流波形的影響，并通過(guò)6脈動(dòng)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(lái)，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(huì)產(chǎn)生大量的諧波并消耗大量的無(wú)功功率。這些諧波和無(wú)功電流通過(guò)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(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置，但是這些設(shè)備要求電壓水平等級(jí)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(wèn)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(wú)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(wú)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(dòng)造成損耗增加，設(shè)備老化加快，振動(dòng)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(duì)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(lái)選定濾波器的參數(shù)，再通過(guò)軟件仿真來(lái)調(diào)整確定[12-15]，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果，但濾波容量較小, 安裝容量受到開(kāi)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(wú)源濾波器、有源濾波器所面臨的種種問(wèn)題。描述了該濾波方式的原理及實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)對(duì)比分析該新型濾波方式與傳統(tǒng)無(wú)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(gè)6 脈動(dòng)換流器(又稱為單橋換流器)串聯(lián)構(gòu)成12 脈動(dòng)換流器(又稱為雙橋換流器)的形式;對(duì)于±800 kV 特高壓直流工程，每極采用2 個(gè)12 脈動(dòng)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(dòng)換流器為例即可，對(duì)12 脈動(dòng)換流器同樣適用。6 脈動(dòng)的整流原理圖見(jiàn)圖1。

由于正常運(yùn)行時(shí)單橋整流器的6 個(gè)閥臂順序?qū)?，所以不妨假設(shè)VT1、VT2 2 個(gè)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(guò)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(guò)程中有3 個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通。每隔60°開(kāi)始一次新的換相，并持續(xù)角度為μ 的一個(gè)時(shí)段，因此，當(dāng)無(wú)觸發(fā)延遲(即α=0)時(shí)，2 個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通的時(shí)段角度為60°-μ。在每次換相過(guò)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(guò)程中，VT1、VT2、VT3均導(dǎo)通，等效的換流器見(jiàn)圖2。

在換相過(guò)程中，加入閥中的電流i3包括1 個(gè)恒定分量(Is2cosα)和1 個(gè)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^(guò)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(kāi)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(zhǎng)，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(duì)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(duì)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(gè)閥臂在1 個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，其電流波形的畸變就會(huì)越小，現(xiàn)分析如下。

1.3.1 忽略換相過(guò)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(guò)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

分析式(10)：諧波電流的大小與α 和μ 都有關(guān)系，分別對(duì)各次諧波電流含有率進(jìn)行計(jì)算，可以將計(jì)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(huì)使諧波電流減小。

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

這就驗(yàn)證出了，增大換流器的換相角μ，能有效的進(jìn)行諧波抑制。

2 濾波電路設(shè)計(jì)

通過(guò)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(duì)應(yīng)的電感。通過(guò)增大LC，可以延長(zhǎng)換相時(shí)間、增大換相角，進(jìn)而可以降低交流側(cè)的諧波含量。根據(jù)這一思路，設(shè)計(jì)電路圖見(jiàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這種方法的可行性，為進(jìn)行濾波效果比較，分別將串聯(lián)電感Lr退出和投入，測(cè)量與換流器相聯(lián)的電網(wǎng)側(cè)的電壓和電流波形。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)

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

3.2 增大換相角時(shí)

此時(shí)的電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖見(jiàn)圖5， 諧波分析見(jiàn)表2。

分析上述2 個(gè)實(shí)驗(yàn)： 當(dāng)串聯(lián)電感未投入時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電力系統(tǒng)的諧波限值標(biāo)準(zhǔn)[17-21]。當(dāng)投入串聯(lián)電感、增大換流器的換相角時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)。

可以看出，通過(guò)增大換相角來(lái)進(jìn)行諧波抑制的方法是切實(shí)可行的，而且效果非常明顯。但是這種方法也有個(gè)不足之處：當(dāng)投入串聯(lián)電感后，電網(wǎng)側(cè)的電流會(huì)在這個(gè)電感上產(chǎn)生1 個(gè)壓降，使電網(wǎng)的電壓有1 個(gè)較大的電壓損失。在上述實(shí)驗(yàn)中，電網(wǎng)通過(guò)1 個(gè)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(shí)電網(wǎng)消耗在串聯(lián)電感上的電壓過(guò)大，這顯然是一種不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，也不能滿足未來(lái)智能電網(wǎng)高效節(jié)能的要求[22-23]，所以需要對(duì)這種濾波方法進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 改進(jìn)的濾波實(shí)驗(yàn)電路

在前面的實(shí)驗(yàn)中，用示波器對(duì)串聯(lián)電感上的電壓進(jìn)行諧波分析， 此時(shí)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(shuō)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(guò)串聯(lián)電容進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到既能濾波又無(wú)過(guò)大電壓損失的目的。改進(jìn)的濾波實(shí)驗(yàn)電路圖見(jiàn)圖6。

改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償Lr上壓降的作用。在實(shí)際操作中，Cr是可調(diào)電容，通過(guò)調(diào)節(jié)其大小，使Cr上的電壓接近于Lr上的電壓，當(dāng)二者的電壓值相當(dāng)時(shí)， 總的電壓損失就會(huì)大大減小，滿足工程中的要求。

下面來(lái)驗(yàn)證這種方法的正確性：為與前面的實(shí)驗(yàn)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(shí)電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形，觀察串聯(lián)補(bǔ)償電容Cr后是否會(huì)對(duì)電網(wǎng)波形產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shuō)明串入電容后，Lr上的壓降得到補(bǔ)償。通過(guò)圖7還可以看出，串入Cr對(duì)電網(wǎng)側(cè)的電壓電流波形并無(wú)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(duì)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(dòng)的換流器，只需串聯(lián)2 組即6 個(gè)電感、6 個(gè)電容即可。

4 結(jié)論

1)通過(guò)增大換流器的換相角進(jìn)行諧波抑制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種方法具有良好的濾波效果，其濾波機(jī)制在于延長(zhǎng)1 個(gè)周期內(nèi)換流器閥臂的導(dǎo)通時(shí)間，使換流器由非線性過(guò)渡為線性。

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

3)這種濾波方式設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)單，濾波效果穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)無(wú)源濾波的失諧現(xiàn)象，受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響較小，運(yùn)行維護(hù)方便。

4)工程中，對(duì)濾波和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備總投資進(jìn)行綜合評(píng)估比較后，在成本低廉的情況下，可選擇裝設(shè)該濾波裝置。

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