直流輸電系統中的一種新型濾波措施

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(jìn)行計算，可以將計算結果繪成曲線(xiàn)。由曲線(xiàn)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α=15°，μ=0°時(shí)，I5=20%I1，I7=14.5%I1;但是當時(shí)μ=60°，I5=6.2%I1，I7=2%I1。而且當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 濾波電路設計

通過(guò)前面的分析可知： 在直流輸電系統中，交流側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的電感。通過(guò)增大LC，可以延長(cháng)換相時(shí)間、增大換相角，進(jìn)而可以降低交流側的諧波含量。根據這一思路，設計電路圖見(jiàn)圖3。

在換流器與交流系統之間串聯(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)驗驗證

通過(guò)實(shí)驗來(lái)驗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，測量與換流器相聯(lián)的電網(wǎng)側的電壓和電流波形。實(shí)驗過(guò)程中，為了分析方便，將控制角α 調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)側的電壓和電流的波形圖，并對其進(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： 當串聯(lián)電感未投入時(shí)，電網(wǎng)側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(xiàn)性的特性產(chǎn)生的，其諧波含有率遠遠超出了電力系統的諧波限值標準[17-21]。當投入串聯(lián)電感、增大換流器的換相角時(shí)，電網(wǎng)側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(mǎn)足了小于5%的諧波標準。

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：當投入串聯(lián)電感后，電網(wǎng)側的電流會(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)驗中，電網(wǎng)通過(guò)1 個(gè)調壓器給換流器供電， 如果將調壓器調至124 V (線(xiàn)電壓)， 但是換流器得到的電壓只有57 V(線(xiàn)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)濟的運行方式，也不能滿(mǎn)足未來(lái)智能電網(wǎng)高效節能的要求[22-23]，所以需要對這種濾波方法進(jìn)行改進(jìn)。

3.3 改進(jìn)的濾波實(shí)驗電路

在前面的實(shí)驗中，用示波器對串聯(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)行補償，從而達到既能濾波又無(wú)過(guò)大電壓損失的目的。改進(jìn)的濾波實(shí)驗電路圖見(jiàn)圖6。

改進(jìn)后的實(shí)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(shí)際操作中，Cr是可調電容，通過(guò)調節其大小，使Cr上的電壓接近于Lr上的電壓，當二者的電壓值相當時(shí)， 總的電壓損失就會(huì )大大減小，滿(mǎn)足工程中的要求。

下面來(lái)驗證這種方法的正確性：為與前面的實(shí)驗做比較， 仍然保持換流器交流側線(xiàn)電壓57 V 不變，并記錄此時(shí)電網(wǎng)側的電壓電流波形，觀(guān)察串聯(lián)補償電容Cr后是否會(huì )對電網(wǎng)波形產(chǎn)生影響。實(shí)驗現象分析：串聯(lián)Cr后，保持換流器交流側線(xiàn)電壓57 V 不變， 此時(shí)電網(wǎng)只需輸入70.7 V 的線(xiàn)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上的壓降得到補償。通過(guò)圖7還可以看出，串入Cr對電網(wǎng)側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可行，對逆變側同樣適用。工程中的直流輸電系統一般為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 結論

1)通過(guò)增大換流器的換相角進(jìn)行諧波抑制，實(shí)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(cháng)1 個(gè)周期內換流器閥臂的導通時(shí)間，使換流器由非線(xiàn)性過(guò)渡為線(xiàn)性。

2)這種新型的濾波方式利用了串聯(lián)的形式實(shí)現了無(wú)源濾波，對所有頻率諧波均有抑制效果，有效的克服了傳統無(wú)源濾波器只能濾去固定頻率諧波的缺陷，而且結構簡(jiǎn)單。