一种高压直流输电用直流有源滤波器的设计和实现

HVDC(高压直流输电)是ABB 50多年前开发的一项技术，旨在提高远距离输电的效率。发电厂产生的电是交流电(AC);大多数输电线路--无论是高压、中压还是低压配电网，传输的都是以每秒50或60个周期进行振荡的交流电;而最终到达用户端，即家庭、工厂和办公室的也是交流电。直流电不产生振荡，因此直流输电的电能损失较少。在直流输电系统中，交流电在换流站被转换为直流电，然后通过架空线缆传输至接收点。在接收点，另一个换流站将直流电转换为交流电并接入交流电网。ABB在1954年建成了世界上第一条HVDC输电线路，并承建了全球一半以上的HVDC项目。1997年，ABB建成了首条HVDC Light(轻型高压直流)输电线路。该技术一般采用地下或水下线路输电，它的出现为改善交流电网的供电质量提供了新的可能。随着电力电子技术及计算机技术的发展，有源滤波技术逐步应用于HVDC输电系统直流侧的滤波。与直流侧无源滤波器相比，直流有源滤波器(ADF)有许多优点，主要有：

(1)在音频范围(300Hz~3000Hz)内，直流有源滤波器对每次谐波都具有很强的抑制效果;

(2)要求抑制的等效谐波干扰电流越小，ADF的性能价格比越高;

(3)当频率发生变化或谐振失调时，ADF也能进行准确的跟踪补偿，且不存在过载问题;

(4)占地少。

目前工程上多采用有源和无源混合型直流有源滤波器，这既可以降低ADF的绝缘水平，减少ADF的容量，充分发挥无源滤波器吸收大功率谐波电流的优越性及有源滤波器抑制变化频率和多次谐波电流的高效性等优点，达到最佳滤波效果和经济效益。

直流有源滤波器的滤波效果取决于它是否能准确地跟踪谐波电流并实时产生补偿电流。这就要求直流有源滤波器不仅检测精度好，还要求它动态响应速度快，文献[4]对跟踪型PWM控制方式进行了研究。仿真与实验结果表明，采用滞环瞬时值比较方式的跟踪效果最好。本文在直流有源滤波器中采用滞环瞬时值PWM比较方式，对该种控制方式的跟踪和补偿效果进行了实验和仿真研究。

1直流有源滤波器的系统构成

高压直流输电系统直流侧的谐波电压和谐波电流主要是12次、24次、36次……等，在系统中装设有源滤波器可选择两种方式：串联式或并联式。本文的直流滤波器如图1所示，由12/24次双调谐无源滤波器与有源滤波器串联组成混合型滤波系统，并联在直流母线之间。系统中将有源滤波器串接在无源滤波器底端，另一端接DC零线，以降低有源滤波器的绝缘水平。这里有源滤波器的作用是减小双调谐滤波器在谐振点的阻抗，提高其滤波效果，另外滤除无源滤波器不能滤去的其他次谐波(如对通讯线路干扰比较严重的18次谐波以及一些高次谐波)，这些谐波分量含量比较小。

2直流有源滤波器的工作原理

直流有源电力滤波器(DCAPF)与交流有源电力滤波器，也就是我们一般所说的有源电力滤波器(APF)，都是采用主动的而不是被动的方法或手段去吸收或消除谐(纹)波。因而直流有源电力滤波器和交流有源电力滤波器的工作原理是相同或相近的。但是，由于作用的对象不同，直流有源电力滤波器也有自己的特点。与交流有源电力滤波器相似，按照其与直流负载的联结方式，直流有源电力滤波器也可分为串联直流有源电力滤波器和并联直流有源电力滤波器，分别如图1和图2所示。串联直流有源电力滤波器的工作原理是：检测整流器经平波电抗器(无源滤波器)后的输出电压，如图1所示，通过低通滤波器将纹波电压分离出来，用此信号控制直流有源电力滤波器的输出电压，并使与的大小相等，相位相反，从而达到显着减小直流负载中纹波电流的目的，在理论上完全可以使直流负载中不存在纹波电压。这里，直流有源电力滤波器相当于电压控制电压源(VCVS)的逆变器。严格地讲，采用串联直流有源电力滤波器时，可以不必串联平波电抗器。

图2给出了高压直流输电系统直流侧的等效电路图。图中，为系统中的谐波电压源，ZS为谐波源的内阻抗，ZL为直流传输线阻抗，Zf为无源滤波器的阻抗(包括耦合变压器的漏抗)，为有源滤波器注入系统的谐波电压源，该电压源与直流母线上的谐波电流有关。

由图2可以看出，线路上的谐波电流由两部分组成：由产生的谐波电流和由产生的谐波电流。由叠加原理可得，

当起作用时，线路上的谐波电流为：

=

=·(1)

当起作用时，线路上的谐波电流为：

=

=·(2)

从而线路上总的谐波电流为：

=+=(3)

通过检测线路上的电流，输出对有源滤波器的逆变器进行PWM控制的信号，进而得到补偿线路上谐波电流所需的、有源滤波器注入系统的等效电压源，设

=-k(4)由式(3)、(4)可以得到：

=·(5)由式(5)可以看出，当k=0时，有源滤波器不起作用，线路上的谐波电流取决于无源滤波器的滤波效果;当k>0时，有源滤波器与无源滤波器构成混合型滤波器，共同抑制线路上的谐波电流。而且可以看出当k足够大时，线路上的谐波电流可以得到完全滤除。实际上k不可能做到足够大，所以只能对谐波电流进行一定程度的抑制和消除。

3直流有源滤波器控制系统结构

根据上述有源滤波器工作原理分析，可以得到该有源滤波器的控制系统结构图如图3所示。通过电流检测电路检测出线路上的电流，经过Butterworth低通滤波电路得到线路上的谐波电流信号，该谐波电流信号作为产生PWM控制信号的给定信号，与有源滤波器反馈信号相比较得出一偏差信号。滞环比较器根据该偏差信号得到控制主电路开关器件通断的PWM信号，从而得到抑制线路谐波电流的电压，达到有源滤波器抑制谐波的目的。

4采用滞环瞬值比较方式的直流有源

本文采用本课题组开发的电力电子电路自动控制系统仿真软件PECS来进行仿真。该系统直流母线上电压为500V左右，负载为电阻性负载，母线上电流为51A左右，控制电路中滞环比较器的环宽取输入误差信号(给定信号和反馈信号的差值)的5%左右。以下给出有源滤波器仿真结果。图4为仅无源滤波器工作时线路上的电流波形和频谱图，图5为无源、有源滤波器同时工作时线路上的电流波形和有源滤波器输出的补偿电压波形以及电流波形的频谱图。

图1混合型直流有源滤波器系统结构图

图2直流有源滤波器等效电路图

图3直流有源滤波器控制系统结构图

图4仅无源滤波器工作时线路上的电流波形及其频谱图

(a)线路上的电流波形(b)电流波形的频谱图

图5无源、有源滤波器同时工作时的仿真结果

(a)有源滤波器输出的补偿电压波形

(b)无源加有源滤波器时线路上的电流波形

(c)无源加有源滤波器时线路上的电流波形频谱图

图6仅无源滤波器时的实验波形

图7无源加有源滤波器时的实验波形

5采用滞环瞬值比较方式的直流有源滤波

采用Tektronix公司TD340数字示波器，得到仅无源滤波器、无源加有源滤波器时的实验波形，分别如图6及图7所示。由图可以看出，加了有源滤波器以后对消除低次谐波有明显的作用，但是却加大了高次谐波分量，这与仿真结果是一致的。

6结语

本文针对无源-有源滤波器的混合型滤波系统，采用滞环瞬值比较方式得到PWM信号控制有源滤波器逆变器开关器件的通断。文中分析了直流有源滤波器的工作原理，设计了相应控制电路。仿真实验结果表明，采用滞环瞬值比较控制方式的直流有源滤波器动态响应速度快，跟踪效果好，对低次谐波补偿效果明显，但是却增加了高次谐波的分量。该种控制方式的最大缺点就是器件的开关频率不固定，在这方面有待于进一步研究。