一種高壓直流輸電用直流有源濾波器的設計和實(shí)現

HVDC(高壓直流輸電)是ABB 50多年前開(kāi)發(fā)的一項技術(shù)，旨在提高遠距離輸電的效率。發(fā)電廠(chǎng)產(chǎn)生的電是交流電(AC);大多數輸電線(xiàn)路--無(wú)論是高壓、中壓還是低壓配電網(wǎng)，傳輸的都是以每秒50或60個(gè)周期進(jìn)行振蕩的交流電;而最終到達用戶(hù)端，即家庭、工廠(chǎng)和辦公室的也是交流電。直流電不產(chǎn)生振蕩，因此直流輸電的電能損失較少。在直流輸電系統中，交流電在換流站被轉換為直流電，然后通過(guò)架空線(xiàn)纜傳輸至接收點(diǎn)。在接收點(diǎn)，另一個(gè)換流站將直流電轉換為交流電并接入交流電網(wǎng)。ABB在1954年建成了世界上第一條HVDC輸電線(xiàn)路，并承建了全球一半以上的HVDC項目。1997年，ABB建成了首條HVDC Light(輕型高壓直流)輸電線(xiàn)路。該技術(shù)一般采用地下或水下線(xiàn)路輸電，它的出現為改善交流電網(wǎng)的供電質(zhì)量提供了新的可能。隨著(zhù)電力電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，有源濾波技術(shù)逐步應用于HVDC輸電系統直流側的濾波。與直流側無(wú)源濾波器相比，直流有源濾波器(ADF)有許多優(yōu)點(diǎn)，主要有：

(1)在音頻范圍(300Hz~3000Hz)內，直流有源濾波器對每次諧波都具有很強的抑制效果;

(2)要求抑制的等效諧波干擾電流越小，ADF的性能價(jià)格比越高;

(3)當頻率發(fā)生變化或諧振失調時(shí)，ADF也能進(jìn)行準確的跟蹤補償，且不存在過(guò)載問(wèn)題;

(4)占地少。

目前工程上多采用有源和無(wú)源混合型直流有源濾波器，這既可以降低ADF的絕緣水平，減少ADF的容量，充分發(fā)揮無(wú)源濾波器吸收大功率諧波電流的優(yōu)越性及有源濾波器抑制變化頻率和多次諧波電流的高效性等優(yōu)點(diǎn)，達到最佳濾波效果和經(jīng)濟效益。

直流有源濾波器的濾波效果取決于它是否能準確地跟蹤諧波電流并實(shí)時(shí)產(chǎn)生補償電流。這就要求直流有源濾波器不僅檢測精度好，還要求它動(dòng)態(tài)響應速度快，文獻[4]對跟蹤型PWM控制方式進(jìn)行了研究。仿真與實(shí)驗結果表明，采用滯環(huán)瞬時(shí)值比較方式的跟蹤效果最好。本文在直流有源濾波器中采用滯環(huán)瞬時(shí)值PWM比較方式，對該種控制方式的跟蹤和補償效果進(jìn)行了實(shí)驗和仿真研究。

1直流有源濾波器的系統構成

高壓直流輸電系統直流側的諧波電壓和諧波電流主要是12次、24次、36次……等，在系統中裝設有源濾波器可選擇兩種方式：串聯(lián)式或并聯(lián)式。本文的直流濾波器如圖1所示，由12/24次雙調諧無(wú)源濾波器與有源濾波器串聯(lián)組成混合型濾波系統，并聯(lián)在直流母線(xiàn)之間。系統中將有源濾波器串接在無(wú)源濾波器底端，另一端接DC零線(xiàn)，以降低有源濾波器的絕緣水平。這里有源濾波器的作用是減小雙調諧濾波器在諧振點(diǎn)的阻抗，提高其濾波效果，另外濾除無(wú)源濾波器不能濾去的其他次諧波(如對通訊線(xiàn)路干擾比較嚴重的18次諧波以及一些高次諧波)，這些諧波分量含量比較小。

2直流有源濾波器的工作原理

直流有源電力濾波器(DCAPF)與交流有源電力濾波器，也就是我們一般所說(shuō)的有源電力濾波器(APF)，都是采用主動(dòng)的而不是被動(dòng)的方法或手段去吸收或消除諧(紋)波。因而直流有源電力濾波器和交流有源電力濾波器的工作原理是相同或相近的。但是，由于作用的對象不同，直流有源電力濾波器也有自己的特點(diǎn)。與交流有源電力濾波器相似，按照其與直流負載的聯(lián)結方式，直流有源電力濾波器也可分為串聯(lián)直流有源電力濾波器和并聯(lián)直流有源電力濾波器，分別如圖1和圖2所示。串聯(lián)直流有源電力濾波器的工作原理是：檢測整流器經(jīng)平波電抗器(無(wú)源濾波器)后的輸出電壓，如圖1所示，通過(guò)低通濾波器將紋波電壓分離出來(lái)，用此信號控制直流有源電力濾波器的輸出電壓，并使與的大小相等，相位相反，從而達到顯著(zhù)減小直流負載中紋波電流的目的，在理論上完全可以使直流負載中不存在紋波電壓。這里，直流有源電力濾波器相當于電壓控制電壓源(VCVS)的逆變器。嚴格地講，采用串聯(lián)直流有源電力濾波器時(shí)，可以不必串聯(lián)平波電抗器。

圖2給出了高壓直流輸電系統直流側的等效電路圖。圖中，為系統中的諧波電壓源，ZS為諧波源的內阻抗，ZL為直流傳輸線(xiàn)阻抗，Zf為無(wú)源濾波器的阻抗(包括耦合變壓器的漏抗)，為有源濾波器注入系統的諧波電壓源，該電壓源與直流母線(xiàn)上的諧波電流有關(guān)。

由圖2可以看出，線(xiàn)路上的諧波電流由兩部分組成：由產(chǎn)生的諧波電流和由產(chǎn)生的諧波電流。由疊加原理可得，

當起作用時(shí)，線(xiàn)路上的諧波電流為：

=

=·(1)

當起作用時(shí)，線(xiàn)路上的諧波電流為：

=

=·(2)

從而線(xiàn)路上總的諧波電流為：

=+=(3)

通過(guò)檢測線(xiàn)路上的電流，輸出對有源濾波器的逆變器進(jìn)行PWM控制的信號，進(jìn)而得到補償線(xiàn)路上諧波電流所需的、有源濾波器注入系統的等效電壓源，設

=-k(4)由式(3)、(4)可以得到：

=·(5)由式(5)可以看出，當k=0時(shí)，有源濾波器不起作用，線(xiàn)路上的諧波電流取決于無(wú)源濾波器的濾波效果;當k>0時(shí)，有源濾波器與無(wú)源濾波器構成混合型濾波器，共同抑制線(xiàn)路上的諧波電流。而且可以看出當k足夠大時(shí)，線(xiàn)路上的諧波電流可以得到完全濾除。實(shí)際上k不可能做到足夠大，所以只能對諧波電流進(jìn)行一定程度的抑制和消除。

3直流有源濾波器控制系統結構

根據上述有源濾波器工作原理分析，可以得到該有源濾波器的控制系統結構圖如圖3所示。通過(guò)電流檢測電路檢測出線(xiàn)路上的電流，經(jīng)過(guò)Butterworth低通濾波電路得到線(xiàn)路上的諧波電流信號，該諧波電流信號作為產(chǎn)生PWM控制信號的給定信號，與有源濾波器反饋信號相比較得出一偏差信號。滯環(huán)比較器根據該偏差信號得到控制主電路開(kāi)關(guān)器件通斷的PWM信號，從而得到抑制線(xiàn)路諧波電流的電壓，達到有源濾波器抑制諧波的目的。

4采用滯環(huán)瞬值比較方式的直流有源

本文采用本課題組開(kāi)發(fā)的電力電子電路自動(dòng)控制系統仿真軟件PECS來(lái)進(jìn)行仿真。該系統直流母線(xiàn)上電壓為500V左右，負載為電阻性負載，母線(xiàn)上電流為51A左右，控制電路中滯環(huán)比較器的環(huán)寬取輸入誤差信號(給定信號和反饋信號的差值)的5%左右。以下給出有源濾波器仿真結果。圖4為僅無(wú)源濾波器工作時(shí)線(xiàn)路上的電流波形和頻譜圖，圖5為無(wú)源、有源濾波器同時(shí)工作時(shí)線(xiàn)路上的電流波形和有源濾波器輸出的補償電壓波形以及電流波形的頻譜圖。

圖1混合型直流有源濾波器系統結構圖