摘  要: 依照实际的高压直流输电系统，在两个换流站同时设置直流有源电力滤波器，采用短距离输电线路等值电路模型，本文详细分析了这种情况下直流有源电力滤波器的滤波特性并进行了相应的实验研究。同时为了评价有源电力滤波器的滤波性能，引入了有源电力滤波衰减倍数的概念。理论分析和实验结果均表明，采用无源滤波器与有源电力滤波器构成的混合滤波器，能大大提高高压直流输电系统直流侧的滤波性能。本文的研究结果为有源电力滤波器在高压直流输电系统中的实际应用提供了理论基础。

关键词：高压直流输电  有源电力滤波器  直流滤波器

The study on the filtering characteristic of the DC active power filter for HVDC system

XIAO Guo-chun, LI Kuang, WANG Zhao-an

（School of Electrical Engineering，Xian Jiaotong University , Xi’an 710049，China）

Abstract: According to the practical HVDC system, the dc active power filter is installed in both converters respectively. Adopting short distance transmission line equivalent circuit model, the filtering characteristic of the dc active power filter is analyzed and its corresponding experiment investigation is presented in the paper. In order to evaluate the filtering characteristic of the dc active power filter, an active filtering attenuation coefficient is also introduced. The theory analysis and experimental results show that the hybrid filters consisting of passive filter and active filter can further increase the filtering performance on the DC side in HVDC system.

Key words: HVDC system  Active power filter  DC filter

1  引  言

现代电力系统的发展，输电容量和输电距离增加，区域网络互联，出现了系统稳定、低频振荡和次同步振荡等动态问题，使交流输电的应用受到了限制。而直流输电具有节约能源、线路造价低、无系统稳定问题等优点[1]，运用直流输电技术可以提高电力系统的经济指标、技术性能、运行的可靠性和调度的灵活性。高压直流输电（HVDC）在远距离、大容量输电中占有重要的地位，特别是目前西电东送、全国联网势在必行的形势下，直流输电以其独特的优点，在我国具有广阔的发展前景[2]。

然而，在高压直流输电系统中，换流站（含整流站和逆变站）在直流输电线路的直流电流和电压中将产生谐波。当直流输电系统采用架空线路，长距离、大功率传送直流电流时这些谐波的流动将会对与之相邻运行的通讯线路产生干扰，主要的干扰频率范围为300~3000Hz[3]。为了滤除高压直流输电线路上的谐波，避免对沿线通讯线路的干扰，传统的方法是在直流侧设置无源电力滤波器，但无源电力滤波器本身存在局限性。当直流输电系统直流侧需要高性能滤波时，无源电力滤波器的造价将大幅度上升，而此时采用直流有源电力滤波器与无源电力滤波器构成的混合型电力滤波器将具有更强的竞争力[4]。为推动我国直流输电技术的发展，消除直流输电线路对邻近通讯线路的干扰，积极开展高压直流输电系统用直流有源电力滤波器的理论及应用研究具有重大的实际意义。

文献[5]对高压直流输电用直流有源电力滤波器的结构、基本原理进了理论和实验研究。本文是上述工作的继续，依照实际的高压直流输电系统，在整流侧和逆变侧同时设置直流有源电力滤波器，采用短距离输电线路等值电路模型，本文详细分析了这种情况下直流有源电力滤波器的滤波特性并进行了相应的实验研究。同时，为了评价有源电力滤波器的滤波性能，引入了有源电力滤波衰减倍数的概念。理论分析和实验结果均表明，采用无源滤波器与有源电力滤波器构成的混合型滤波器，能大大提高高压直流输电系统直流侧的滤波性能。本文的研究结果为有源电力滤波器在高压直流输电系统中的实际应用提供了理论基础。

2        设置直流有源电力滤波器的高压直流输电系统

一般来说，高压直流输电系统主要由换流器、电力滤波器与无功补偿装置、平波电抗器及直流线路组成[1]。为了抑制架空线路中的谐波分量，使其对通信线路的干扰控制在规定的范围内，在直流侧设置了直流电力滤波器。为了研究在直流侧设置直流有源电力滤波器（DCAPF）与无源电力滤波器构成的混合型电力滤波器的控制方法及其在直流输电母线出、入口处的滤波性能，针对高压直流输电工程的实际情况，对目前在世界及我国广泛应用的双极12脉波高压直流输电系统（如葛洲坝至上海、天生桥至广州、三峡至常州直流输电工程）进行简化。简化后的高压直流输电直流侧系统如图1所示，这恰好为实际双极12脉波高压直流输电系统对称的一半（正极或负极系统），换流站（包括整流站和逆变站）的结构也是对称的，所以该模型完全符合双极12脉波高压直流输电系统直流侧的实际情况。需要说明的是，由于直流输电的潮流方向是可以任意控制的，这里以整流和逆变来区分两个换流站主要是使以下叙述得到简化。

图1  设置直流有源电力滤波器的直流输电系统直流侧简图

图1中，两个换流站，一个作为整流，另一个作为逆变；LS1、LS2为换流器的平波电抗器；C11、L11与C21、L21，C12、L12与C22、L22构成双调谐滤波器即12/24次滤波器；CH1与LH1、RH1，CH2与LH2、RH2构成高通滤波器。双调谐滤波器可以同时消除两个不同频率的谐波，而且其中一个谐振回路承受电压的强度较低，因而与完成同样功能的两个单调谐滤波器相比，它的投资少，经济性好。我国葛洲坝至上海、天生桥至广州、三峡至常州直流输电工程都采用了双调谐滤波器。

在图1中，根据文献[4][5]的分析及实际应用，在两个换流站的双调谐无源滤波器的底部设置了直流有源电力滤波器DCAPF 1#及DCAPF 2#。双调谐无源滤波器滤除12次、24次谐波（这在系统中占相当大的比例），而有源电力滤波器用于进一步改善其滤波特性。这样，有源电力滤波器承受的电压、电流及容量将大大减小。这种由无源电力滤波器与有源电力滤波器共同构成的滤波器称混合型电力滤波器。利用有源电力滤波器优良的动态补偿性能，将使直流输电系统的谐波减小到理想状态，达到消除对邻近通信线路干扰的目的。

3  设置直流有源电力滤波器时直流侧滤波性能分析

为了减小直流输电架空线路的谐波干扰而在直流侧滤波系统中设置了有源电力滤波器，其结构如图1所示。严格地说，输电线路的等值电路应是均匀分布参数等值电路，但这种电路的分析计算过于复杂，一般用集中参数的等值电路来代替它[6]。为了使对有源电力滤波器的滤波性能的理论分析得到简化并便于实验验证，下面采用简化的短距离输电线路等值电路模型对上述结构的有源电力滤波器的滤波效果、特性进行分析。

对于短距离线路，可以不计分布参数和对地电容的影响，用一阻抗代表输电线路。这样，对于某次（如n次）谐波，高压直流输电系统直流侧的等效电路图如图2所示。图中，为了书写方便，省略标识谐波次数的下标“n”，下同。图中，US1、US2为直流系统中的等效n次谐波电压源（如12次等效谐波电压等）；ZS1、ZS2为n次谐波源的内阻抗，包括平波电抗器的感抗及整流变压器的漏抗；ZL为直流输电线的n次谐波阻抗，这里以集总参数表示；ZD1、 ZD1为双调谐无源滤波器的n次谐波阻抗；ZH1、 ZH2为高通无源滤波器的n次谐波阻抗；Ua1、Ua2为有源电力滤波器注入直流系统的n次谐波电压源，由直流有源电力滤波器的工作原理[5]，该电压源与输电线路上的n次谐波电流iL有关，为一受控电压源。假定以上各阻抗参数为线性参数，则满足叠加原理。以下分析在有源电力滤波器的作用下，直流输电线路上的n次谐波电流iL与两个换流器的等效n次谐波电压源之间的关系。

图2  短距离线路等值电路模型时直流侧系统的等效电路图

由图2，按图示参考方向，当 起作用，而其它电压源不起作用时，输电线路上的谐波电流为：

                                  （1）

式中，“//”表示阻抗并联，下同。 是n次谐波电压源 在输电线路上产生的n次谐波电流的等效复导纳，以下 、 及 的定义类似。

同样，当 、 及 分别起作用，而其它相应谐波电压源不起作用时，输电线路上的n次谐波电流分别为：

                            （2）

                            （3）

                            （4）

由叠加原理，则输电线路上的n次总谐波电流为：

    （5）

由直流有源电力滤波器的工作原理[5]，通过检测输电线路上的n次谐波电流来控制有源电力滤波器的输出，使：

                   （6）

                   （7）

式中， 、 为有源电力滤波器的n次谐波电流放大系数，该系数具有电阻的性质。

将式（1）~（4）、（6）及（7）代入式（5）并化简，可得到直流输电线路上的n次谐波电流iL与两个换流器的等效n次谐波电压源之间的关系：

    （8）

分析式（8），直流有源电力滤波器对输电线路上的谐波电流的抑制作用，是通过在每个谐波电压源的等效复导纳项的分母上增加了相同的无量纲系数项（ ）。显然，通过控制有源电力滤波器的谐波电流放大系数 、 ，就可以减小输电线路上的谐波电流iL。 、 越大，有源电力滤波器对输电线路的滤波效果就越好，但是 、 的大小将受到系统稳定性和有源电力滤波器容量的限制。

为了评价有源电力滤波器的滤波效果和性能，对直流输电系统某一等效谐波电压源来说，未加有源电力滤波器时与加入有源电力滤波器时输电线路上的谐波电流大小之比定义为有源电力滤波器对该谐波电压源产生的谐波电流的有源电力滤波衰减倍数 ，简称有源衰减倍数。按照该定义，该模型对输电系统两个n次等效谐波电压源US1、US2的有源衰减倍数是相同的，均为：

    （9）

显然，当未接入有源电力滤波器时， ，有源衰减倍数均为1，即有源电力滤波器对上述谐波电压源在输电线路上产生的谐波电流没有进一步的衰减作用。

4  实验研究

为了验证上述高压直流输电系统中有源电力滤波器的滤波性能和效果，依照实际的高压直流输电系统，制作了一套5kVA的高压直流输电系统模拟装置。该装置主要由12脉波可控整流装置及逆变装置、平波电抗器、双调及高通无源滤波装置、有源电力滤波器组成，其系统如图1所示。该系统的主要参数如下：换流器线电压50Hz, 100V;平波电抗LS1=27.6mH, LS2=15.8mH；双调滤波器C11=10.13μF, L11=3.46mH, C21=21.45μF, L21=1.67mH, C12=10.27μF, L12=3.59mH, C22=21.27μF, L22=1.74mH; 高通滤波器CH1=8.16μF, LH1=0.98mH, RH1=50.8Ω, CH2=8.29μF, LH2=0.98mH, RH2=49.5Ω；线路参数RL=4.2Ω, LL=0.22mH。系统中所配无源电力滤波器的参数参考了三峡至常州直流输电工程的有关数据[7]，并按相同标么值折算得到的。

依照实验所采用的实际参数，按照上面介绍的分析方法，当有源电力滤波器的谐波电流放大系数 =30、 =44时，仅投入整流侧、逆变侧及同时投入整流侧和逆变侧的有源电力滤波时的有源电力滤波衰减倍数随频率变化的计算曲线分别如图3、图4、图5所示。从图中可以看出，在本文介绍的拓扑结构中，采用检测线路谐波电流的直流有源电力滤波器控制方法时，直流有源电力滤波器在双调谐无源滤波器的两个调谐点600Hz（12次）、1200Hz（24次）的滤波效果最好，有源电力滤波器对线路谐波的衰减倍数最大，而在其它频率段，有源电力滤波器的滤波效果很差。这也说明，这种形式安装结构的直流有源电力滤波器的滤波效果与双调谐无源滤波器的参数有很大关系，下面的实验结果也将进一步证明这一点。

图3  仅投入DCAPF 1#时有源滤波衰减倍数随频率变化曲线

图4  仅投入DCAPF 2#时有源滤波衰减倍数随频率变化曲线

图5  两个DCAPF同时投入时有源滤波衰减倍数随频率变化曲线

当输电系统直流回路电流为5A，加无源滤波器、加整流侧有源滤波器（DCAPF 1#）、加逆变侧有源滤波器（DCAPF 2#）、同时加入整流侧和逆变侧的有源电力滤波器时线路电流交流成份波形记录如图6、图7、图8及图9所示，表1是对上述相应波形的FFT分析结果。对比图6 ~图9及其相应的FFT分析结果，基本上可以看出有源电力滤波器在几种不同工作方式下均能对输电线路谐波电流进行进一步的有效衰减。实验波形是采用美国Tektronix公司TD3014数字式示波器记录和分析的。

图6  接无源滤波器时的线路电流交流成份波形

图7  仅投DCAPF 1#时线路电流交流成份波形

图8  仅投DCAPF 2#时线路电流交流成份波形

图9  两侧DCAPF同时投入时线路电流交流成份波形

表1  高压直流输电系统中有源电力滤波器滤波效果频谱分析值（Id=5A）

从表1中可以看出，同时加入整流侧和逆变侧的有源电力滤波器时，有源电力滤波器的滤波性能是非常优秀的。在600Hz处有源电力滤波器的滤波能力最好，其有源电力滤波衰减倍数达到8倍，即相对无源电力滤波器，有源电力滤波器能进一步滤去87.5%的线路谐波电流，这与上述对该输电系统的有源滤波衰减倍数的理论分析是基本相符的。在1200Hz处有源电力滤波衰减倍数达到3倍，理论分析与实验存在一定误差，这主要是由于有源电力滤波器不是理想的受控电压源，它的性能将受到诸如脉宽调制（PWM）的开关频率、指令的跟踪误差等限制，抑制的谐波频率愈高，开关频率的问题愈突出。

5  结  论

依照实际的高压直流输电系统，在整流侧和逆变侧同时设置了直流有源电力滤波器，采用短距离输电线路等值电路模型，本文详细分析了这种混合型滤波器结构下直流有源电力滤波器的滤波特性并进行了相应的实验研究。同时为了评价有源电力滤波器的滤波性能，引入了有源电力滤波衰减倍数的概念。

（1）理论计算显示，该种混合型滤波器的滤波效果与无源滤波器的参数非常密切，有源滤波衰减倍数在双调无源滤波器的调谐点达到最大；

（2）实验结果表明，整流侧和逆变侧同时加入有源电力滤波器时，在600Hz处有源电力滤波器的滤波能力最好，其有源电力滤波衰减倍数达到8倍，即相对无源电力滤波器，有源电力滤波器能进一步滤去87.5%的线路谐波电流；

（3）理论分析和实验结果均表明，采用无源电力滤波器与有源电力滤波器构成的混合电力滤波器，能大大提高高压直流输电系统直流侧的滤波性能。

本文的研究结果为有源电力滤波器在高压直流输电系统中的实际应用，提高直流输电性能，消除直流输电线路对邻近通讯线路的干扰，提供了理论指导。

参考文献：

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[6] 王锡凡主编. 电力工程基础[M]. 西安：西安交通大学出版社，1998年1月

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