高壓直流輸電用直流有源濾波器

采用滯環比較控制方式的研究

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高壓直流（HVDC）輸電系統在整流和逆變過程中會產生大量諧波，這些諧波既對線路沿線的音頻通訊系統產生干擾，又在電力系統內部引起一些不良后果。傳統的解決辦法是在換流站的交流側與直流側并聯多組LC諧振型無源濾波器。隨著對HVDC輸電系統等效諧波干擾電流指標要求的提高，只靠加裝多組無源濾波器難以解決HVDC系統直流側的諧波干擾問題。隨著電力電子技術及計算機技術的發展，有源濾波技術逐步應用于HVDC輸電系統直流側的濾波。與直流側無源濾波器相比，直流有源濾波器（ADF）有許多優點，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的性能價格比越高；

（3）當頻率發生變化或諧振失調時，ADF也能進行準確的跟蹤補償，且不存在過載問題；

（4）占地少。

目前工程上多采用有源和無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，充分發揮無源濾波器吸收大功率諧波電流的優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點，達到最佳濾波效果和經濟效益。

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時產生補償電流。這就要求直流有源濾波器不僅檢測精度好，還要求它動態響應速度快，文獻[4]對跟蹤型PWM控制方式進行了研究。仿真與實驗結果表明，采用滯環瞬時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瞬時值PWM比較方式，對該種控制方式的跟蹤和補償效果進行了實驗和仿真研究。

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：串聯式或并聯式。本文的直流濾波器如圖1所示，由12/24次雙調諧無源濾波器與有源濾波器串聯組成混合型濾波系統，并聯在直流母線之間。系統中將有源濾波器串接在無源濾波器底端，另一端接DC零線，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

高壓直流輸電用直流有源濾波器采用滯環比較控制方式的研究

諧振點的阻抗，提高其濾波效果，另外濾除無源濾波器不能濾去的其他次諧波（如對通訊線路干擾比較嚴重的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為直流傳輸線阻抗，Zf為無源濾波器的阻抗（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上的諧波電流有關。由圖2可以看出，線路上的諧波電流由兩部分組成：由產生的諧波電流和由產生的諧波電流。由疊加原理可得，當起作用時，線路上的諧波電流為：==·(1)當起作用時，線路上的諧波電流為：==·（2）

從而線路上總的諧波電流為：=＋=(3)通過檢測線路上的電流，輸出對有源濾波器的逆變器進行PWM控制的信號，進而得到補償線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，有源濾波器不起作用，線路上的諧波電流取決于無源濾波器的濾波效果；當k>0時，有源濾波器與無源濾波器構成混合型濾波器，共同抑制線路上的諧波電流。而且可以看出當k足夠大時，線路上的諧波電流可以得到完全濾除。實際上k不可能做到足夠大，所以只能對諧波電流進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圖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。通過電流檢測電路檢測出線路上的電流，經過Butterworth低通濾波電路得到線路上的諧波電流信號，該諧波電流信號作為產生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。滯環比較器根據該偏差信號得到控制主電路開關器件通斷的PWM信號，從而得到抑制線路諧波電流的電壓，達到有源濾波器抑制諧波的目的。

4采用滯環瞬值比較方式的直流有源

濾波器補償性能的仿真

本文采用本課題組開發的電力電子電路自動控制系統仿真軟件PECS來進行仿真。該系統直流母線上電壓為500V左右，負載為電阻性負載，母線上電流為51A左右，控制電路中滯環比較器的環寬取輸入誤差信號（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為僅無源濾波器工作時線路上的電流波形和頻譜圖，圖5為無源、有源濾波器同時工作時線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

圖2直流有源濾波器等效電路圖

圖3直流有源濾波器控制系統結構圖

圖4僅無源濾波器工作時線路上的電流波形及其頻譜圖

(a)線路上的電流波形(b)電流波形的頻譜圖

圖5無源、有源濾波器同時工作時的仿真結果

(a)有源濾波器輸出的補償電壓波形

(b)無源加有源濾波器時線路上的電流波形

(c)無源加有源濾波器時線路上的電流波形頻譜圖

圖6僅無源濾波器時的實驗波形

圖7無源加有源濾波器時的實驗波形

5采用滯環瞬值比較方式的直流有源濾波

器補償性能的實驗研究

采用Tektronix公司TD340數字示波器，得到僅無源濾波器、無源加有源濾波器時的實驗波形，分別如圖6及圖7所示。由圖可以看出，加了有源濾波器以后對消除低次諧波有明顯的作用，但是卻加大了高次諧波分量，這與仿真結果是一致的。

6結語

本文針對無源—有源濾波器的混合型濾波系統，采用滯環瞬值比較方式得到PWM信號控制有源濾波器逆變器開關器件的通斷。文中分析了直流有源濾波器的工作原理，設計了相應控制電路。仿真實驗結果表明，采用滯環瞬值比較控制方式的直流有源濾波器動態響應速度快，跟蹤效果好，對低次諧波補償效果明顯，但是卻增加了高次諧波的分量。該種控制方

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式的最大缺點就是器件的開關頻率不固定，在這方面有待于進一步研究。