一種高壓直流輸電用直流有源濾波器的設計和實現

HVDC(高壓直流輸電)是ABB 50多年前開發的一項技術，旨在提高遠距離輸電的效率。發電廠產生的電是交流電(AC);大多數輸電線路--無論是高壓、中壓還是低壓配電網，傳輸的都是以每秒50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。直流電不產生振蕩，因此直流輸電的電能損失較少。在直流輸電系統中，交流電在換流站被轉換為直流電，然後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換為交流電並接入交流電網。ABB在1954年建成了世界上第一條HVDC輸電線路，並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。該技術一般採用地下或水下線路輸電，它的出現為改善交流電網的供電質量提供了新的可能。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於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：

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(1)在音頻範圍(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幹擾電流越小，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)佔地少。

目前工程上多採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於它是否能準確地跟蹤諧波電流並實時產生補償電流。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，採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採用滯環瞬時值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：串聯式或並聯式。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，並聯在直流母線之間。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。這裡有源濾波器的作用是減小雙調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(如對通訊線路幹擾比較嚴重的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)，都是採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，由於作用的對象不同，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結方式，直流有源電力濾波器也可分為串聯直流有源電力濾波器和並聯直流有源電力濾波器，分別如圖1和圖2所示。串聯直流有源電力濾波器的工作原理是：檢測整流器經平波電抗器(無源濾波器)後的輸出電壓，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，並使與的大小相等，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。這裡，直流有源電力濾波器相當於電壓控制電壓源(VCVS)的逆變器。嚴格地講，採用串聯直流有源電力濾波器時，可以不必串聯平波電抗器。

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於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

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採用滯環瞬值比較方式的直流有源

本文採用本課題組開發的電力電子電路自動控制系統仿真軟體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