高壓直流輸電用直流有源濾波器

采用滯環(huán)比較控制方式的研究

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高壓直流（HVDC）輸電系統(tǒng)在整流和逆變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，這些諧波既對(duì)線路沿線的音頻通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，又在電力系統(tǒng)內(nèi)部引起一些不良后果。傳統(tǒng)的解決辦法是在換流站的交流側(cè)與直流側(cè)并聯(lián)多組LC諧振型無(wú)源濾波器。隨著對(duì)HVDC輸電系統(tǒng)等效諧波干擾電流指標(biāo)要求的提高，只靠加裝多組無(wú)源濾波器難以解決HVDC系統(tǒng)直流側(cè)的諧波干擾問(wèn)題。隨著電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)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(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(nèi)，直流有源濾波器對(duì)每次諧波都具有很強(qiáng)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(dāng)頻率發(fā)生變化或諧振失調(diào)時(shí)，ADF也能進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤補(bǔ)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(dá)到最佳濾波效果和經(jīng)濟(jì)效益。

直流有源濾波器的濾波效果取決于它是否能準(zhǔn)確地跟蹤諧波電流并實(shí)時(shí)產(chǎn)生補(bǔ)償電流。這就要求直流有源濾波器不僅檢測(cè)精度好，還要求它動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，文獻(xiàn)[4]對(duì)跟蹤型PWM控制方式進(jìn)行了研究。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)該種控制方式的跟蹤和補(bǔ)償效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(wú)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(wú)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

高壓直流輸電用直流有源濾波器采用滯環(huán)比較控制方式的研究

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(duì)通訊線路干擾比較嚴(yán)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(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(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(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(shí)，線路上的諧波電流為：==·(1)當(dāng)起作用時(shí)，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(guò)檢測(cè)線路上的電流，輸出對(duì)有源濾波器的逆變器進(jìn)行PWM控制的信號(hào)，進(jìn)而得到補(bǔ)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(shí)，有源濾波器不起作用，線路上的諧波電流取決于無(wú)源濾波器的濾波效果；當(dāng)k>0時(shí)，有源濾波器與無(wú)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(shí)，線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(duì)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(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(guò)電流檢測(cè)電路檢測(cè)出線路上的電流，經(jīng)過(guò)Butterworth低通濾波電路得到線路上的諧波電流信號(hào)，該諧波電流信號(hào)作為產(chǎn)生PWM控制信號(hào)的給定信號(hào)，與有源濾波器反饋信號(hào)相比較得出一偏差信號(hào)。滯環(huán)比較器根據(jù)該偏差信號(hào)得到控制主電路開(kāi)關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)，從而得到抑制線路諧波電流的電壓，達(dá)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

濾波器補(bǔ)償性能的仿真

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(tǒng)仿真軟件PECS來(lái)進(jìn)行仿真。該系統(tǒng)直流母線上電壓為500V左右，負(fù)載為電阻性負(fù)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(hào)（給定信號(hào)和反饋信號(hào)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(wú)源濾波器工作時(shí)線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)線路上的電流波形和有源濾波器輸出的補(bǔ)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

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(wú)源濾波器工作時(shí)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(wú)源、有源濾波器同時(shí)工作時(shí)的仿真結(jié)果

(a)有源濾波器輸出的補(bǔ)償電壓波形

(b)無(wú)源加有源濾波器時(shí)線路上的電流波形

(c)無(wú)源加有源濾波器時(shí)線路上的電流波形頻譜圖

圖6僅無(wú)源濾波器時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

圖7無(wú)源加有源濾波器時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形

5采用滯環(huán)瞬值比較方式的直流有源濾波

器補(bǔ)償性能的實(shí)驗(yàn)研究

采用Tektronix公司TD340數(shù)字示波器，得到僅無(wú)源濾波器、無(wú)源加有源濾波器時(shí)的實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yǔ)

本文針對(duì)無(wú)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(hào)控制有源濾波器逆變器開(kāi)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(jì)了相應(yīng)控制電路。仿真實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，跟蹤效果好，對(duì)低次諧波補(bǔ)償效果明顯，但是卻增加了高次諧波的分量。該種控制方

高壓直流輸電用直流有源濾波器采用滯環(huán)比較控制方式的研究

式的最大缺點(diǎn)就是器件的開(kāi)關(guān)頻率不固定，在這方面有待于進(jìn)一步研究。