CN106998067A - 用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，该交流有源滤波器包括有源滤波器和基波电容；所述有源滤波器的交流出线经所述基波电容连接所述高压直流输电***的换流母线，所述基波电容用于承担所述高压直流输电***的基波电压，所述有源滤波器用于通过内部产生PWM脉宽调制信号进行驱动导通后滤除所述高压直流输电***换流产生的直流特征谐波电流，本发明与常规采用特征谐波调谐的无源滤波器相比，能够提高滤波性和灵活性，减小设备占地，降低发生串联谐振的风险，可以广泛应用于高压直流输电技术领域中。

Description

用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器
技术领域
本发明是关于一种用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，属于高压直流输电技术领域。
背景技术
我国能源资源和用能的分布格局，决定了“西电东送”的基本能源流向，随着负荷需求的增长，电网输电的压力越来越大，采用更高电压等级的直流输电方式可以实现长距离、大规模的西电东送。近年来特高压直流输电在全国范围内建设投运，实现了大规模跨区联网，获得包括错峰、调峰、水火互济、互为备用和减少弃水电量等巨大的联网效益，并同时降低了网损，对建设资源节约型和环境友好型电网、加快能源资源优化配置具有重要意义。
高压直流输电***的核心器件是换流器，通过它实现从交流到直流的变换，换流器的工作原理是通过控制晶闸管在工频周期内固定的角度导通，从而将交流电转变为直流电，这个过程将会产生大量谐波注入电网，故常规高压直流工程都需要配置无源滤波器设备。目前国内众多的高压直流工程通常采用十二脉动换流器结构，相比六脉动结构能有效降低(6k±1)次数的直流特征谐波，但依然会产生比例较大的(12k±1)次数直流特征谐波。该系列次数的直流特征谐波占换流器产生总谐波含量的80％以上，故交流滤波器往往需要设置11、13、23、25、35以及37次数附近的调谐点。尽管无源滤波器具有结构简单、制造方便等优点，但其滤波性能单一，往往会因电网电压、频率的改变或自身电路元件的失谐，导致滤波效果大受影响；同时无源滤波器存在占地面积大、投切控制策略复杂等缺点，以及可能与交流***在特定次数发生串联谐振的风险，威胁交流***与直流工程的安全运行。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够有效滤除直流特征谐波且降低发生串联谐振风险的用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，该交流有源滤波器包括有源滤波器和基波电容；所述有源滤波器的交流出线经所述基波电容连接所述高压直流输电***的换流母线，所述基波电容用于承担所述高压直流输电***的基波电压，所述有源滤波器用于通过内部产生PWM脉宽调制信号进行驱动导通后，滤除所述高压直流输电***换流产生的直流特征谐波电流。
优选地，所述有源滤波器的一次***包括三相滤波支路，每相所述滤波支路均包括若干单相全桥换流单元，每相所述滤波支路的单相全桥换流单元依次串联连接构成单相全桥串联结构，每一所述单相全桥串联结构出口均连接一滤波电抗器，三相所述滤波支路通过△型连接方式进行连接。
优选地，每一所述单相全桥换流单元均包括两变流桥和一直流侧电容器，且每一所述变流桥均包括一上桥臂和一下桥臂，每一所述上桥臂正端均分别连接所述直流侧电容器正极，每一所述下桥臂负端均分别连接所述直流侧电容器负极，每一所述上桥臂负端并联连接相应所述下桥臂正端和交流侧出线，每相所述滤波支路的单相全桥换流单元交流侧出线依次串联连接。
优选地，有源滤波器的二次***包括测量单元、控制计算单元、脉宽调制单元和辅助电源，其中，控制计算单元包括一锁相模块、两快速傅里叶计算模块、12k±1个比例积分模块和一时钟信号同步模块；所述测量单元用于实时采集所述高压直流输电***的直流负载侧和所述有源滤波器输出侧的电流信号并发送至所述控制计算单元，实现对所述高压直流输电***的换流母线状态电量的实时检测；所述锁相模块用于实时跟随所述高压直流输电***中交流***电压的相位并发送到所述快速傅里叶计算模块；两所述快速傅里叶计算模块用于对电流信号进行快速傅立叶分析，提取出其中的12k±1次直流特征谐波分量，将直流负载侧电流与三相所述滤波支路输出侧电流的对应次数直流特征谐波分量作差作为输入量发送到相应所述比例积分模块；所述比例积分模块用于实现动态无差的跟随输入量信号并将输出量信号发送到所述时钟信号同步模块；所述时钟信号同步模块用于将三相所述滤波支路内部各桥臂的所述比例积分模块输出量信号进行同步后将输出信号发送至所述脉宽调制单元；所述脉宽调制单元用于接收所述时钟信号同步模块的输出信号，通过PWM脉宽调制算法将输出信号转变成所述有源滤波器的驱动信号使各所述单相全桥换流单元导通，实时控制所述有源滤波器的输出波形，滤除所述高压直流输电***产生的12k±1次直流特征谐波电流；所述辅助电源用于为所述有源滤波器的各器件提供电能。
优选地，所述基波电容的基波电流分量根据所承担所述高压直流输电***中交流***基波电压的90％～95％进行确定。
优选地，所述有源滤波器采用并联型有源滤波器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的有源滤波器出口经基波电容连接现有高压直流输电***，使现有高压直流输电***中交流***电压的大部分由基波电容承担，有源滤波器只需承担很小一部分的基波电压和谐波电压，进而使单相全桥换流单元的串联个数大幅减少，降低设备制造难度，节省设备投资。2、本发明的有源滤波器采用三相△型连接方式，可以进一步减少每相滤波支路的单相全桥换流单元串联数目，同时由于直流特征谐波不包含3k次数的谐波分量，采用三相△型连接方式能够实现对直流特征谐波的全补偿。3、本发明通过有源滤波器设置的控制计算单元采用快速傅立叶算法，能够实现对固定次数直流特征谐波的针对性补偿，测量单元通过采集有源滤波器的直流负载侧和输出侧的电流信号，实现对换流母线状态电量的实时检测，使有源滤波器能够动态滤除高压直流输电***产生的直流特征谐波，与常规采用特征谐波调谐的无源滤波器相比，能够提高滤波性能和灵活性，减小设备占地，降低发生串联谐振的风险，本发明可以广泛应用于高压直流输电技术领域中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中有源滤波器的一次***结构示意图；
图3是本发明中单相全桥换流单元的结构示意图；
图4是本发明中有源滤波器的二次***结构示意图；
图5是本发明中控制计算单元的内部原理图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
如图1所示，现有高压直流输电***以换流母线为界，换流母线一侧连接交流***，换流母线另一侧并联连接两直流换流变压器的原边，每一直流换流变压器的副边均连接换流阀，换流阀为单桥六脉动结构，两换流阀串联连接形成双桥十二脉动结构，双桥十二脉动结构换流阀的出口侧通过平波电抗器连接直流架空线路或电缆线路。换流母线上设置有无功补偿设备，无功补偿设备用于补偿直流***运行所消耗的无功功率，同时换流母线上还需要设置有滤波装置，滤波装置用于滤除高压直流输电***运行所产生的直流特征谐波电流。
本发明提供的用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器包括有源滤波器1和基波电容2。有源滤波器1的交流出线经基波电容2连接现有高压直流输电***的换流母线，基波电容2用于承担高压直流输电***的基波电压，有源滤波器1用于通过内部产生PWM脉宽调制信号进行驱动导通后，滤除现有高压直流输电***换流产生的直流特征谐波电流。
如图2所示，有源滤波器1的一次***包括三相滤波支路31，每相滤波支路31均包括若干单相全桥换流单元32和一滤波电抗器33，每相滤波支路31的单相全桥换流单元32依次串联连接构成单相全桥串联结构，每一单相全桥串联结构出口均连接滤波电抗器33，三相滤波支路31通过△型连接方式进行连接。
如图3所示，每一单相全桥换流单元32均包括两变流桥34和一直流侧电容器35，且每一变流桥34均包括一上桥臂341和一下桥臂342，每一上桥臂341正端均分别连接直流侧电容器35正极，每一下桥臂342负端均分别连接直流侧电容器35负极，每一上桥臂341负端并联连接相应下桥臂342正端和交流侧出线，每相滤波支路31的单相全桥换流单元32交流侧出线依次串联连接。
如图4、图5所示，有源滤波器1的二次***包括测量单元41、控制计算单元42、脉宽调制单元43和辅助电源44，其中，控制计算单元42包括一锁相模块421、两快速傅里叶计算模块422、(12k±1)个比例积分模块423和一时钟信号同步模块424。
测量单元41用于实时采集现有高压直流输电***的直流负载侧和有源滤波器1输出侧的电流信号并发送至控制计算单元42，实现对换流母线状态电量的实时检测。
锁相模块421用于实时跟随交流***电压Uc的相位并发送到快速傅里叶计算模块422，保证快速傅里叶计算模块422输出电流相位的准确性。两快速傅里叶计算模块422用于对电流信号进行快速傅立叶分析，提取出其中的(12k±1)次直流特征谐波分量，将直流负载侧电流il与三相滤波支路31输出侧电流ic的对应次数直流特征谐波分量作差作为输入量发送到相应比例积分模块423。比例积分模块423用于实现动态无差的跟随输入量信号并将输出量信号发送到时钟信号同步模块424。时钟信号同步模块424用于将三相滤波支路31内部各桥臂的比例积分模块输出量信号进行同步后将输出信号发送至脉宽调制单元43。
脉宽调制单元43用于接收时钟信号同步模块424的输出信号，通过PWM脉宽调制算法将输出信号转变成有源滤波器1的驱动信号使各单相全桥换流单元32导通，实时控制有源滤波器1的输出波形，滤除高压直流输电***产生的(12k±1)次直流特征谐波电流。
辅助电源44用于为有源滤波器1的各器件提供电能。
在一个优选的实施例中，在能够满足基本的现有高压直流输电***无功补偿功能的基础上，基波电容2的基波电流分量根据所承担现有高压直流输电***中交流***基波电压的90％～95％进行确定。
在一个优选的实施例中，有源滤波器1可以采用并联型有源滤波器。
在一个优选的实施例中，有源滤波器1可以采用0.75的调制度。
下面以一特高压直流工程为例详细说明本发明用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器的使用过程：
该特高压直流工程的额定直流电压为±800kV，双极额定输送容量为10000MW，每站每极由两串联的12个脉动换流器构成，送端换流站接入交流***额定电压为530kV，该特高压直流工程在双极正向满功率输送时，直流注入送端换流站的40次以内各次谐波电流最大值如下表1所示：
表1：直流注入各次谐波电流
谐波次数 电流/A 谐波次数 电流/A 谐波次数 电流/A 谐波次数 电流/A
1 12890.59 11 481.45 21 11.08 31 5.17
2 3.03 12 1.53 22 0.67 32 0.43
3 48.76 13 312.52 23 124.67 33 6.83
4 2.64 14 1.07 24 0.97 34 0.43
5 28.03 15 15.4 25 102.8 35 50.52
6 3.25 16 0.89 26 0.62 36 0.5
7 24.59 17 9.11 27 9.11 37 47.91
8 1.94 18 0.93 28 0.51 38 0.41
9 28.86 19 8.5 29 5.56 39 6.21
10 1.51 20 0.67 30 0.57 40 0.38
可以看出，(12k±1)次直流特征谐波分量约占总谐波含量的85％，采用本发明的交流有源滤波器对直流特征谐波进行治理，首先选取基波电容2，按照承担电网基波电压95％的要求，基波电容2两端的基波电压为：
选择基波电容2无功补偿容量为400Mvar，则基波电容2取值为：
有源滤波器1的每一单相全桥换流单元32直流侧电容的额定电压为2.4kV，为产生高次谐波需要较高的单相全桥换流单元32开关频率，设定选取每相串联的单相全桥换流单元32个数为45个，假设表1中直流特征谐波的峰值同相位，最大谐波电流采取各次谐波代数和叠加，则叠加后的谐波电流峰值为：
进一步地，考虑基波电容2的基波电流分量，有源滤波器1每相滤波支路31流过的最大电流峰值为：
有源滤波器1的调制度通常取0.7～0.8，本发明的调制度选取0.75，则有源滤波器1的额定容量为：
可以看出，由于不承担主要的交流***基波电压，本发明的额定电压与容量均大幅降低，仅约为直流工程常规配置的交流滤波器小组容量的一半，采用本发明后注入电网的直流特征谐波电流对比如下表2所示：
表2：直流特征谐波电流对比
谐波次数 11th 13th 23th 25th 35th 37th
原始 0.48kA 0.31kA 0.12kA 0.10kA 0.05kA 0.05kA
加装APF 0.008kA 0.005kA 0.0006kA 0.0005kA 0.0002kA 0.0001kA
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，该交流有源滤波器包括有源滤波器和基波电容；
所述有源滤波器的交流出线经所述基波电容连接所述高压直流输电***的换流母线，所述基波电容用于承担所述高压直流输电***的基波电压，所述有源滤波器用于通过内部产生PWM脉宽调制信号进行驱动导通后，滤除所述高压直流输电***换流产生的直流特征谐波电流。
2.如权利要求1所述的用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，所述有源滤波器的一次***包括三相滤波支路，每相所述滤波支路均包括若干单相全桥换流单元，每相所述滤波支路的单相全桥换流单元依次串联连接构成单相全桥串联结构，每一所述单相全桥串联结构出口均连接一滤波电抗器，三相所述滤波支路通过△型连接方式进行连接。
3.如权利要求2所述的用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，每一所述单相全桥换流单元均包括两变流桥和一直流侧电容器，且每一所述变流桥均包括一上桥臂和一下桥臂，每一所述上桥臂正端均分别连接所述直流侧电容器正极，每一所述下桥臂负端均分别连接所述直流侧电容器负极，每一所述上桥臂负端并联连接相应所述下桥臂正端和交流侧出线，每相所述滤波支路的单相全桥换流单元交流侧出线依次串联连接。
4.如权利要求1所述的用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，有源滤波器的二次***包括测量单元、控制计算单元、脉宽调制单元和辅助电源，其中，控制计算单元包括一锁相模块、两快速傅里叶计算模块、12k±1个比例积分模块和一时钟信号同步模块；
所述测量单元用于实时采集所述高压直流输电***的直流负载侧和所述有源滤波器输出侧的电流信号并发送至所述控制计算单元，实现对所述高压直流输电***的换流母线状态电量的实时检测；
所述锁相模块用于实时跟随所述高压直流输电***中交流***电压的相位并发送到所述快速傅里叶计算模块；两所述快速傅里叶计算模块用于对电流信号进行快速傅立叶分析，提取出其中的12k±1次直流特征谐波分量，将直流负载侧电流与三相所述滤波支路输出侧电流的对应次数直流特征谐波分量作差作为输入量发送到相应所述比例积分模块；所述比例积分模块用于实现动态无差的跟随输入量信号并将输出量信号发送到所述时钟信号同步模块；所述时钟信号同步模块用于将三相所述滤波支路内部各桥臂的所述比例积分模块输出量信号进行同步后将输出信号发送至所述脉宽调制单元；
所述脉宽调制单元用于接收所述时钟信号同步模块的输出信号，通过PWM脉宽调制算法将输出信号转变成所述有源滤波器的驱动信号使各所述单相全桥换流单元导通，实时控制所述有源滤波器的输出波形，滤除所述高压直流输电***产生的12k±1次直流特征谐波电流；
所述辅助电源用于为所述有源滤波器的各器件提供电能。
5.如权利要求1所述的用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，所述基波电容的基波电流分量根据所承担所述高压直流输电***中交流***基波电压的90％～95％进行确定。
6.如权利要求1所述的用于补偿高压直流输电***特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，所述有源滤波器采用并联型有源滤波器。
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