直流輸電系統中的一種新型濾波措施

21ic智能電網(wǎng)：摘要： 針對直流輸電系統對電網(wǎng)的諧波污染日益嚴重的問(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)側的電流波形，并串入電容器來(lái)補償電感上的壓降，這種方法使得直流輸電系統的濾波器大大簡(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交流側電流波形的影響，并通過(guò)6脈動(dòng)的整流實(shí)驗，驗證了該方法在直流輸電系統中應用的可行性。

0 引言

近年來(lái)，大量的電力電子設備的普遍使用造成電力系統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(xiàn)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)換流變壓器的閥側和網(wǎng)側繞組后流至交流系統中，所以必須在網(wǎng)側安裝大量的無(wú)功補償和濾波裝置，但是這些設備要求電壓水平等級高，設計難度大，且控制和保護技術(shù)難度也較大。電力系統的諧波污染與功率因數降低等電能質(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諧波抑制措施普遍采用裝設無(wú)源濾波器[8]，它雖然能在一定程度上滿(mǎn)足系統濾波要求，但深入研究不難發(fā)現其存在如下不足：①為提高電能質(zhì)量，通常是在電力系統公共連接點(diǎn)處加裝濾波兼無(wú)功補償裝置[9-10]，但由于電力系統阻抗一般很小， 這類(lèi)方法的實(shí)際效果欠佳，而且諧波電流在相關(guān)設備內部流動(dòng)造成損耗增加，設備老化加快，振動(dòng)與噪音增加，干擾其他設備正常運行等[11];②濾波器按照諧振原理進(jìn)行設計，失諧現象對濾波器參數特別是濾波器容量和調諧頻率的選擇具有重要影響。在現有的設計方法中，一般都是憑借工程上的經(jīng)驗來(lái)選定濾波器的參數，再通過(guò)軟件仿真來(lái)調整確定[12-15]，導致設計過(guò)程復雜，并且濾波效果不夠穩定，易于系統阻抗發(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交流側諧波抑制。

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(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)現特點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗現象來(lái)對比分析該新型濾波方式與傳統無(wú)源、有源濾波方式在濾波器設計難易程度、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(chēng)為單橋換流器)串聯(lián)構成12 脈動(dòng)換流器(又稱(chēng)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(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理，以6 脈動(dòng)換流器為例即可，對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。

由于正常運行時(shí)單橋整流器的6 個(gè)閥臂順序導通，所以不妨假設VT1、VT2 2 個(gè)閥臂正處于導通狀態(tài)，以此分析后續時(shí)間中各閥臂的導通過(guò)程：

1)VT1、VT2導通階段。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導通階段。在實(shí)際運行中，相電流不可能瞬時(shí)改變。因此，電流從一相轉移到另一相需要一定的時(shí)間，稱(chēng)為換相時(shí)間或疊弧時(shí)間。相應的“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(mǎn)負載值在15°~25°范圍內。當0° μ 60°時(shí)， 換相過(guò)程中有3 個(gè)閥同時(shí)導通。每隔60°開(kāi)始一次新的換相，并持續角度為μ 的一個(gè)時(shí)段，因此，當無(wú)觸發(fā)延遲(即α=0)時(shí)，2 個(gè)閥同時(shí)導通的時(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)。這是因為此刻分析的是通過(guò)電感2Lc的線(xiàn)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(mǎn)足i1=Id-i3。因此，換相角主要取決于Lc和α，當α 接近0°時(shí)，換相時(shí)間最長(cháng)，所以在工程中，一般α 都將設置的比較小。如果要進(jìn)一步的增大換相時(shí)間，就需要改變Lc。

1.3 換相角對交流側電流波形的影響

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

如果1 個(gè)閥臂在1 個(gè)周期內導通時(shí)間越長(cháng)，其電流波形的畸變就會(huì )越小，現分析如下。

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、負相間的方波組成。以a相電流為例， 適當選取坐標進(jìn)行傅里葉分解可知，電流波形中只含有6k±1 次的諧波，ia的表達式為

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