直流输电系统中的一种新型滤波措施

21ic智能电网：摘要： 针对直流输电系统对电网的谐波污染日益严重的问题，介绍了一种新型的滤波方法，该方法利用了直流输电系统中换流器的换相过程，通过串联电感来增大换相角从而改善换流器电网侧的电流波形，并串入电容器来补偿电感上的压降，这种方法使得直流输电系统的滤波器大大简化，利用较低的成本获得了较佳的滤波效果。以6脉动的整流器为例，说明了整流器的换相过程，分析了改变换相角大小的因素以及换相角对交流侧电流波形的影响，并通过6脉动的整流实验，验证了该方法在直流输电系统中应用的可行性。

0 引言

近年来，大量的电力电子设备的普遍使用造成电力系统的谐波污染日益严重，直接影响到了电网的安全运行[1-3]。在各种电力电子装置中直流输电工程中的整流和逆变装置所占的比率最大，也是最大的谐波源[4-5]。在高压直流输电中，因换流器的非线性工作方式，换流器会产生大量的谐波并消耗大量的无功功率。这些谐波和无功电流通过换流变压器的阀侧和网侧绕组后流至交流系统中，所以必须在网侧安装大量的无功补偿和滤波装置，但是这些设备要求电压水平等级高，设计难度大，且控制和保护技术难度也较大。电力系统的谐波污染与功率因数降低等电能质量问题引起了电力工作者的广泛关注[6-7]。

目前的高压直流输电系统谐波抑制措施普遍采用装设无源滤波器[8]，它虽然能在一定程度上满足系统滤波要求，但深入研究不难发现其存在如下不足：①为提高电能质量，通常是在电力系统公共连接点处加装滤波兼无功补偿装置[9-10]，但由于电力系统阻抗一般很小， 这类方法的实际效果欠佳，而且谐波电流在相关设备内部流动造成损耗增加，设备老化加快，振动与噪音增加，干扰其他设备正常运行等[11];②滤波器按照谐振原理进行设计，失谐现象对滤波器参数特别是滤波器容量和调谐频率的选择具有重要影响。在现有的设计方法中，一般都是凭借工程上的经验来选定滤波器的参数，再通过软件仿真来调整确定[12-15]，导致设计过程复杂，并且滤波效果不够稳定，易于系统阻抗发生串、并联谐振。有源滤波器具有良好的动态补偿效果，但滤波容量较小, 安装容量受到开关器件水平和补偿性能的限制，且初期投资较高[16]，也不适用于高压直流输电系统交流侧谐波抑制。

基于此，笔者提出1 种利用换流器换相重叠角作滤波机理的新型滤波方式，能有效的解决上述无源滤波器、有源滤波器所面临的种种问题。描述了该滤波方式的原理及实现特点，并通过实验现象来对比分析该新型滤波方式与传统无源、有源滤波方式在滤波器设计难易程度、滤波效果的差异。

1 滤波机理

1.1 换流器的换相角现象

高压直流输电每极一般采用2 个6 脉动换流器(又称为单桥换流器)串联构成12 脉动换流器(又称为双桥换流器)的形式;对于±800 kV 特高压直流工程，每极采用2 个12 脉动换流器串联。文中主要讨论新型滤波方法的机理，以6 脉动换流器为例即可，对12 脉动换流器同样适用。6 脉动的整流原理图见图1。

由于正常运行时单桥整流器的6 个阀臂顺序导通，所以不妨假设VT1、VT2 2 个阀臂正处于导通状态，以此分析后续时间中各阀臂的导通过程：

1)VT1、VT2导通阶段。此时，三相电流在图1 所示参考方向下分别为ia=id，ib=0，ic=-id。

2)VT1、VT2、VT3导通阶段。在实际运行中，相电流不可能瞬时改变。因此，电流从一相转移到另一相需要一定的时间，称为换相时间或叠弧时间。相应的“换相角”或“叠弧角”表示为μ。正常运行状态下，换相角小于60°; 典型的满负载值在15°~25°范围内。当0°< μ <60°时， 换相过程中有3 个阀同时导通。每隔60°开始一次新的换相，并持续角度为μ 的一个时段，因此，当无触发延迟(即α=0)时，2 个阀同时导通的时段角度为60°-μ。在每次换相过程中，加入阀中的电流从0 增大到Id， 退出阀中的电流从Id减小到0。

在换相过程中，VT1、VT2、VT3均导通，等效的换流器见图2。

在换相过程中，加入阀中的电流i3包括1 个恒定分量(Is2cosα)和1 个滞后于换流电压90°的正弦分量(-Is2cosωt)。这是因为此刻分析的是通过电感2Lc的线间短路情况。i3的恒定分量取决于α，该分量使换相开始时i3=0。

换相时，i1的波形满足i1=Id-i3。因此，换相角主要取决于Lc和α，当α 接近0°时，换相时间最长，所以在工程中，一般α 都将设置的比较小。如果要进一步的增大换相时间，就需要改变Lc。

1.3 换相角对交流侧电流波形的影响

由于换流器一般直接与系统相连，系统的电压波形与幅值一般变化不大，所以换流器对系统的电流波形影响较大。换流器系统侧的电流波形与阀臂的导通、关断有直接的关系，正由于阀臂的间断导通，才导致了系统电流波形的畸变。

如果1 个阀臂在1 个周期内导通时间越长，其电流波形的畸变就会越小，现分析如下。

1.3.1 忽略换相过程影响时的谐波电流

假设换流器交流的电抗值为零，忽略换相过程影响时各相电流波形由正、负相间的方波组成。以a相电流为例， 适当选取坐标进行傅里叶分解可知，电流波形中只含有6k±1 次的谐波，ia的表达式为

分析式(10)：谐波电流的大小与α 和μ 都有关系，分别对各次谐波电流含有率进行计算，可以将计算结果绘成曲线。由曲线可知，谐波电流受μ 角的影响较大，μ 角的增大会使谐波电流减小。

例如，当α=15°，μ=0°时，I5=20%I1，I7=14.5%I1;但是当时μ=60°，I5=6.2%I1，I7=2%I1。而且当μ 为较小值时，无论α 为何值，谐波电流的含有率都比较大。

这就验证出了，增大换流器的换相角μ，能有效的进行谐波抑制。

2 滤波电路设计

通过前面的分析可知： 在直流输电系统中，交流侧电流波形的谐波含有率与换流器的换相角紧密相关，并且换流器的换相角主要受交流电源电感LC的影响，LC中包含换流变压器漏抗所对应的电感。通过增大LC，可以延长换相时间、增大换相角，进而可以降低交流侧的谐波含量。根据这一思路，设计电路图见图3。

在换流器与交流系统之间串联1 组电感Lr，这组电感与原交流电源电感LC串联相加成为新的电源电感LC+Lr。

3 实验验证

通过实验来验证这种方法的可行性，为进行滤波效果比较，分别将串联电感Lr退出和投入，测量与换流器相联的电网侧的电压和电流波形。实验过程中，为了分析方便，将控制角α 调为最小值并保持不变。

3.1 未增大换相角时

用示波器记录串联电感Lr未投入时电网侧的电压和电流的波形图，并对其进行谐波分析，波形图见图4， 总的波形畸变率与各次谐波的含有率记录见表1。

3.2 增大换相角时

此时的电网侧电压电流波形图见图5， 谐波分析见表2。

分析上述2 个实验： 当串联电感未投入时，电网侧的电压和电流波形中含有一定的谐波，总的畸变率分别为3.29%和26.8%，电压中的谐波是电网的固有谐波或是由于调压器的三相不平衡造成的;而电流中的大量谐波是由换流器的非线性的特性产生的，其谐波含有率远远超出了电力系统的谐波限值标准[17-21]。当投入串联电感、增大换流器的换相角时，电网侧电压的谐波含有率基本不变，但是电流畸变率减小为3.34%，满足了小于5%的谐波标准。

可以看出，通过增大换相角来进行谐波抑制的方法是切实可行的，而且效果非常明显。但是这种方法也有个不足之处：当投入串联电感后，电网侧的电流会在这个电感上产生1 个压降，使电网的电压有1 个较大的电压损失。在上述实验中，电网通过1 个调压器给换流器供电， 如果将调压器调至124 V (线电压)， 但是换流器得到的电压只有57 V(线电压)，这时电网消耗在串联电感上的电压过大，这显然是一种不经济的运行方式，也不能满足未来智能电网高效节能的要求[22-23]，所以需要对这种滤波方法进行改进。

3.3 改进的滤波实验电路

在前面的实验中，用示波器对串联电感上的电压进行谐波分析， 此时电感上的电压为60.8 V，其总的电压波形畸变率为15.2%，由此可知，电感上的压降由电流基波和谐波共同产生，谐波产生的压降为60.8×15.2%≈9.2 V，这就说明电感上的大部分压降是基波电流产生的，而这部分的压降可以通过串联电容进行补偿，从而达到既能滤波又无过大电压损失的目的。改进的滤波实验电路图见图6。

改进后的实验电路中，在串联电感Lr与换流器之间再传入1 组电容器Cr，这组电容主要起补偿Lr上压降的作用。在实际操作中，Cr是可调电容，通过调节其大小，使Cr上的电压接近于Lr上的电压，当二者的电压值相当时， 总的电压损失就会大大减小，满足工程中的要求。

下面来验证这种方法的正确性：为与前面的实验做比较， 仍然保持换流器交流侧线电压57 V 不变，并记录此时电网侧的电压电流波形，观察串联补偿电容Cr后是否会对电网波形产生影响。实验现象分析：串联Cr后，保持换流器交流侧线电压57 V 不变， 此时电网只需输入70.7 V 的线电压， 与未串联Cr需输入124 V 相比大大减小，这说明串入电容后，Lr上的压降得到补偿。通过图7还可以看出，串入Cr对电网侧的电压电流波形并无影响。

图6 所示的电路原理图就是这种新型滤波方法的最终形式， 这种方法不仅仅在整流侧可行，对逆变侧同样适用。工程中的直流输电系统一般为12脉动的换流器，只需串联2 组即6 个电感、6 个电容即可。

4 结论

1)通过增大换流器的换相角进行谐波抑制，实验验证这种方法具有良好的滤波效果，其滤波机制在于延长1 个周期内换流器阀臂的导通时间，使换流器由非线性过渡为线性。

2)这种新型的滤波方式利用了串联的形式实现了无源滤波，对所有频率谐波均有抑制效果，有效的克服了传统无源滤波器只能滤去固定频率谐波的缺陷，而且结构简单。

3)这种滤波方式设计过程简单，滤波效果稳定，不会产生传统无源滤波的失谐现象，受电网阻抗和运行状态的影响较小，运行维护方便。

4)工程中，对滤波和无功补偿设备总投资进行综合评估比较后，在成本低廉的情况下，可选择装设该滤波装置。

参考文献：

[1] 夏道止，沈赞埙.高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M].北京：水利水电出版社，1994.

[2] 李兴源.高压直流输电系统[M]. 北京：科学出版社，2010.

[3] 赵勇，韩春立，李建华，等.兼顾降低网损和抑制谐波要求的配网系统优化运行[J]. 中国电机工程学报，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] 浙江大学发电教研组直流输电科研组.直流输电[M]. 北京：水利水电出版社，1985.

[5] 李凤祥，赵不贿.谐波抑制和无功功率补偿技术的研究与应用[J]. 电力系统及其自动化学报，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] 乌尔曼E[瑞典].直流输电[M]. 北京：科学出版社，1983.

[9] 曾祥君，陈博，唐欣，等.三调谐电力滤波器的研究[J].中国电机工程学报，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] 汤赐，罗安，范瑞祥，等.新型注入式混合有源滤波器应用中的问题[J]. 中国电机工程学报，2008，28(18)：47-53.TANG Ci，LUO An，FAN 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] 罗隆福，李勇，刘福生，等.基于新型换流变压器的直流输电系统滤波装置[J]. 电工技术学报，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，朱英洁，周有庆，等.基于交互式多目标遗传算法的无源滤波器优化设计[J]. 电工技术学报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，曾艳，戴保明.高压直流输电系统中C 型阻尼滤波器的优化模型及其算法[J]. 中国电机工程学报，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，薛钧义.电力协调滤波器的最佳偏调设计[J]. 电工技术学报，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] 刘兵，耿喜军，赵东元.基于近似逆系统设计方法的直流有源滤波器[J]. 电力电容器，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] 赵曙光，焦李成，王军宁，等.混合滤波系统中无源滤波器的自适应进化设计方案[J].电力系统自动化，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，蒋建文，周雒维.基于单周控制的三相四线制有源滤波器[J]. 中国电机工程学报，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] 赵勇，沈红，李建华，等.谐波源及其与非谐波源的识别及其与分谐波源的分离方法[J]. 中国电机工程学报，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，涂春鸣，罗安.基于配网的无功和谐波综合补偿装置的设计仿真和应用研究[J]. 高压电器，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] 许加柱，罗隆福，刘福生，等.新型换流变压器的谐波电流分析与计算[J]. 高压电器，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] 余贻鑫，栾文鹏.智能电网述评[J]. 中国电机工程学报，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] 余贻鑫.智能电网的技术组成和实现顺序[J]. 南方电网技术，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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