一種高壓直流輸電用直流有源濾波器的設(shè)計和實現(xiàn)

HVDC(高壓直流輸電)是ABB 50多年前開發(fā)的一項技術(shù)，旨在提高遠距離輸電的效率。發(fā)電廠產(chǎn)生的電是交流電(AC);大多數(shù)輸電線路--無論是高壓、中壓還是低壓配電網(wǎng)，傳輸?shù)亩际且悦棵?0或60個周期進行振蕩的交流電;而最終到達用戶端，即家庭、工廠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(tǒng)中，交流電在換流站被轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過架空線纜傳輸至接收點。在接收點，另一個換流站將直流電轉(zhuǎn)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)輸電線路。該技術(shù)一般采用地下或水下線路輸電，它的出現(xiàn)為改善交流電網(wǎng)的供電質(zhì)量提供了新的可能。隨著電力電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，有源濾波技術(shù)逐步應(yīng)用于HVDC輸電系統(tǒng)直流側(cè)的濾波。與直流側(cè)無源濾波器相比，直流有源濾波器(ADF)有許多優(yōu)點，主要有：

(1)在音頻范圍(300Hz~3000Hz)內(nèi)，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(dāng)頻率發(fā)生變化或諧振失調(diào)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(fā)揮無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，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時產(chǎn)生補償電流。這就要求直流有源濾波器不僅檢測精度好，還要求它動態(tài)響應(yīng)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(jié)果表明，采用滯環(huán)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(huán)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(tǒng)構(gòu)成

高壓直流輸電系統(tǒng)直流側(cè)的諧波電壓和諧波電流主要是12次、24次、36次……等，在系統(tǒng)中裝設(shè)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(diào)諧無源濾波器與有源濾波器串聯(lián)組成混合型濾波系統(tǒng)，并聯(lián)在直流母線之間。系統(tǒng)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(diào)諧濾波器在諧振點的阻抗，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

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的有源電力濾波器(APF)，都是采用主動的而不是被動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。與交流有源電力濾波器相似，按照其與直流負載的聯(lián)結(jié)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(無源濾波器)后的輸出電壓，如圖1所示，通過低通濾波器將紋波電壓分離出來，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(dāng)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，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(tǒng)直流側(cè)的等效電路圖。圖中，為系統(tǒng)中的諧波電壓源，ZS為諧波源的內(nèi)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(tǒng)的諧波電壓源，該電壓源與直流母線上的諧波電流有關(guān)。

由圖2可以看出，線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(dāng)起作用時，線路上的諧波電流為：

=

=·(1)

當(dāng)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(tǒng)的等效電壓源，設(shè)

=-k(4)由式(3)、(4)可以得到：

=·(5)由式(5)可以看出，當(dāng)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(dāng)k>0時，有源濾波器與無源濾波器構(gòu)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(dāng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。通過電流檢測電路檢測出線路上的電流，經(jīng)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(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(jù)該偏差信號得到控制主電路開關(guān)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(huán)瞬值比較方式的直流有源

本文采用本課題組開發(fā)的電力電子電路自動控制系統(tǒng)仿真軟件PECS來進行仿真。該系統(tǒng)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(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(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[!--empirenews.page--]

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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)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(huán)瞬值比較方式的直流有源濾波

采用Tektronix公司TD340數(shù)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(jié)果是一致的。

6結(jié)語

本文針對無源-有源濾波器的混合型濾波系統(tǒng)，采用滯環(huán)瞬值比較方式得到PWM信號控制有源濾波器逆變器開關(guān)器件的通斷。文中分析了直流有源濾波器的工作原理，設(shè)計了相應(yīng)控制電路。仿真實驗結(jié)果表明，采用滯環(huán)瞬值比較控制方式的直流有源濾波器動態(tài)響應(yīng)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。該種控制方式的最大缺點就是器件的開關(guān)頻率不固定，在這方面有待于進一步研究。