直流輸電系統中的一種新型濾波措施

21ic智能電網：摘要： 針對直流輸電系統對電網的諧波污染日益嚴重的問題，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程，通過串聯電感來增大換相角從而改善換流器電網側的電流波形，并串入電容器來補償電感上的壓降，這種方法使得直流輸電系統的濾波器大大簡化，利用較低的成本獲得了較佳的濾波效果。以6脈動的整流器為例，說明了整流器的換相過程，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6脈動的整流實驗，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，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，因換流器的非線性工作方式，換流器會產生大量的諧波并消耗大量的無功功率。這些諧波和無功電流通過換流變壓器的閥側和網側繞組后流至交流系統中，所以必須在網側安裝大量的無功補償和濾波裝置，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量問題引起了電力工作者的廣泛關注[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源濾波器[8]，它雖然能在一定程度上滿足系統濾波要求，但深入研究不難發現其存在如下不足：①為提高電能質量，通常是在電力系統公共連接點處加裝濾波兼無功補償裝置[9-10]，但由于電力系統阻抗一般很小， 這類方法的實際效果欠佳，而且諧波電流在相關設備內部流動造成損耗增加，設備老化加快，振動與噪音增加，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驗來選定濾波器的參數，再通過軟件仿真來調整確定[12-15]，導致設計過程復雜，并且濾波效果不夠穩定，易于系統阻抗發生串、并聯諧振。有源濾波器具有良好的動態補償效果，但濾波容量較小, 安裝容量受到開關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源濾波器、有源濾波器所面臨的種種問題。描述了該濾波方式的原理及實現特點，并通過實驗現象來對比分析該新型濾波方式與傳統無源、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6 脈動換流器(又稱為單橋換流器)串聯構成12 脈動換流器(又稱為雙橋換流器)的形式;對于±800 kV 特高壓直流工程，每極采用2 個12 脈動換流器串聯。文中主要討論新型濾波方法的機理，以6 脈動換流器為例即可，對12 脈動換流器同樣適用。6 脈動的整流原理圖見圖1。

由于正常運行時單橋整流器的6 個閥臂順序導通，所以不妨假設VT1、VT2 2 個閥臂正處于導通狀態，以此分析后續時間中各閥臂的導通過程：

1)VT1、VT2導通階段。此時，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。在實際運行中，相電流不可能瞬時改變。因此，電流從一相轉移到另一相需要一定的時間，稱為換相時間或疊弧時間。相應的“換相角”或“疊弧角”表示為μ。正常運行狀態下，換相角小于60°; 典型的滿負載值在15°~25°范圍內。當0° μ 60°時， 換相過程中有3 個閥同時導通。每隔60°開始一次新的換相，并持續角度為μ 的一個時段，因此，當無觸發延遲(即α=0)時，2 個閥同時導通的時段角度為60°-μ。在每次換相過程中，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。

在換相過程中，VT1、VT2、VT3均導通，等效的換流器見圖2。

在換相過程中，加入閥中的電流i3包括1 個恒定分量(Is2cosα)和1 個滯后于換流電壓90°的正弦分量(-Is2cosωt)。這是因為此刻分析的是通過電感2Lc的線間短路情況。i3的恒定分量取決于α，該分量使換相開始時i3=0。

換相時，i1的波形滿足i1=Id-i3。因此，換相角主要取決于Lc和α，當α 接近0°時，換相時間最長，所以在工程中，一般α 都將設置的比較小。如果要進一步的增大換相時間，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、關斷有直接的關系，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 個閥臂在1 個周期內導通時間越長，其電流波形的畸變就會越小，現分析如下。

1.3.1 忽略換相過程影響時的諧波電流

假設換流器交流的電抗值為零，忽略換相過程影響時各相電流波形由正、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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