用于高压直流输电的交流混合有源滤波系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高压直流输电交流的谐波治理与无功功率补偿，更具体地说，是涉及 一种用于高压直流输电的交流混合有源滤波系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 我国用电负荷与发电能源的分布很不均衡，东部地区负荷多而能源少，西北、西南 地区能源多而负荷少。在能源中心建立火电、水电基地，大容量、远距离将电能输送到负荷 中心是解决该矛盾的较好途径。这就需要建立全国能源传输通道，进行"西电东送、南北互 供、全国联网"的部署。高压直流输电可远距离、大容量传输电能，适合大区电网非同步互 联，具有功率损耗小，线路造价低，功率调节迅速灵活，不存在系统稳定性问题等优点，在国 内外得到了广泛应用。高压直流输电的换流站通常采用的是12脉动换流装置，其在交流侧 产生12n±l次特征谐波。这些谐波电流，不仅影响着电能的质量，而且对电网本身、电网中 的电力设备、计量装置、保护装置、附近的通信系统都会产生严重的干扰，因此，对高压直流 输电谐波滤除方法的研宄是直流输电系统的一个重要研宄课题。
[0003] 目前，在解决高压直流输电交流侧电能质量问题方面主要的滤波技术包括增加换 流装置的脉波数及无源滤波。通过增加换流装置的脉波数可以减少特征谐波的组成成分并 提高最低次特征谐波的次数，从而使特征谐波含量减小，但这将造成变压器的接线很复杂， 而且也不经济。无源滤波由于装置结构比较简单、设计与制造比较容易，且初期投资成本较 低，在实际系统中得到了广泛应用。但是，无源滤波器的滤波效能容易受到系统侧阻抗的影 响。在电网电压存在谐波的情况下，当电力网络结构发生变化时，有可能引起滤波器阻抗与 系统阻抗间的串/并联谐振，这不仅影响供电系统稳定性，而且限制了滤波性能的发挥。 另外，无源滤波尽管能够抑制特定次谐波，但对低次谐波具有放大作用，且电容器参数随时 间的推移容易发生变化，这会导致调谐频率发生偏移，加之设计无源滤波器时为避免与系 统阻抗发生谐振，通常采用偏调谐设计，从而影响实际的滤波性能。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种用于高压直流输电的交 流混合有源滤波系统及其控制方法，从根本上解决传统有源滤波系统无法直接应用在高压 直流输电交流滤波的技术难题；有效降低设备投资和运行维护成本，降低单位容量产生的 电能损耗，提高高压直流输电（HVDC，High-Voltage Direct Current)交流滤波装置的经济 性。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
[0006] 一种用于高压直流输电的交流混合有源滤波系统，包括相互连接的无源滤波器和 有源滤波器；所述无源滤波器的输出端直接连接高压直流输出电系统两端换流站的交流 侧；
[0007] 所述无源滤波器包括三组单调谐无源滤波器组，其中每一组单调谐无源滤波器组 对应连接换流站交流侧的一相，所述单调谐无源滤波器组具有串联谐振特性；
[0008] 所述有源滤波器包括模块化多电平变流器以及与其相连的控制器，所述模块化多 电平变流器的直流端并联一电容器；模块化多电平变流器交流输出端的每一相连接一组单 调谐无源滤波器组的输入端，单调谐无源滤波器组的输出端连接到换流站交流侧上的对应 相；
[0009] 所述模块化多电平变流器包括三个变流桥，每个变流桥的输出端分别作为三相交 流输出端的一相，每个变流桥包括一个正变流臂、一个负变流臂和两个滤波电抗器；每个变 流臂包括多个依次正负串联的功率子模块；
[0010] 每个变流桥中，正变流臂的正端连接到模块化多电平变流器的直流正端，正变流 臂的负端通过一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；负变流臂的负端连接到模块化多电 平变流器的直流负端，负变流臂的正端通过另一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；
[0011] 所述控制器的控制输出端与模块化多电平变流器中的各个功率子模块连接，用于 控制各个功率子模块的开关，进而改变每个变流臂中有效工作的功率子模块的数量，以控 制模块化多电平变流器输出的补偿信号。
[0012] 进一步地，所述单调谐无源滤波器组包括相互并联的11次单调谐滤波器、13次单 调谐滤波器、23次单调谐滤波器、25次单调谐滤波器。
[0013] 进一步地，所述无源滤波器在特定次谐波频率下达到串联谐振状态，同时在基波 频率下呈容性，补偿非线性负荷消耗的无功功率；
[0014] 无源滤波器在进行滤波的同时，承受所有的基波电压，有源滤波器几乎不承受基 波电压；在每组单调谐无源滤波器组中，具有串联谐振特性的h次单调谐滤波器在设计电 容器C h和电抗器L h参数时，满足如下条件：
【主权项】
1. 一种用于高压直流输电的交流混合有源滤波系统，其特征在于：包括相互连接的无 源滤波器和有源滤波器；所述无源滤波器的输出端直接连接高压直流输出电系统两端换流 站的交流侧； 所述无源滤波器包括三组单调谐无源滤波器组，其中每一组单调谐无源滤波器组对应 连接换流站交流侧的一相，所述单调谐无源滤波器组具有串联谐振特性； 所述有源滤波器包括模块化多电平变流器以及与其相连的控制器，所述模块化多电平 变流器的直流端并联一电容器；模块化多电平变流器交流输出端的每一相连接一组单调谐 无源滤波器组的输入端，单调谐无源滤波器组的输出端连接到换流站交流侧上的对应相； 所述模块化多电平变流器包括三个变流桥，每个变流桥的输出端分别作为三相交流输 出端的一相，每个变流桥包括一个正变流臂、一个负变流臂和两个滤波电抗器；每个变流臂 包括多个依次正负串联的功率子模块； 每个变流桥中，正变流臂的正端连接到模块化多电平变流器的直流正端，正变流臂的 负端通过一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端；负变流臂的负端连接到模块化多电平变 流器的直流负端，负变流臂的正端通过另一个滤波电抗器连接到变流桥的输出端； 所述控制器的控制输出端与模块化多电平变流器中的各个功率子模块连接，用于控制 各个功率子模块的开关，进而改变每个变流臂中有效工作的功率子模块的数量，以控制模 块化多电平变流器输出的补偿信号。
2. 根据权利要求1所述的混合有源滤波系统，其特征在于：所述单调谐无源滤波器组 包括相互并联的11次单调谐滤波器、13次单调谐滤波器、23次单调谐滤波器、25次单调谐 滤波器。
3. 根据权利要求1所述的混合有源滤波系统，其特征在于：所述无源滤波器在特定次 谐波频率下达到串联谐振状态，同时在基波频率下呈容性，补偿非线性负荷消耗的无功功 率； 无源滤波器在进行滤波的同时，承受所有的基波电压，有源滤波器几乎不承受基波电 压；在每组单调谐无源滤波器组中，具有串联谐振特性的h次单调谐滤波器在设计电容器 Ch和电抗器L h参数时，满足如下条件：
式中，V为h次单调谐滤波器所承受的基波电压，Qc(h)为h次单调谐滤波器提供的无功 功率补偿容量，〇^为基波角频率。
4. 根据权利要求1所述的混合有源滤波系统，其特征在于：模块化多电平变流器在控 制器的作用下被控制成一个谐波电流控制型电压源U dl,它相当于在系统一次侧增加了虚拟 电阻K，模块化多电平变流器所要输出的电压满足如下关系： Uch= KI sh 其中，K为模块化多电平变流器的等效虚拟电阻，Ish为在线检测出的高压直流输电系 统中换流站交流侧的谐波电流。
5. -种对权利要求1至4任一所述的用于高压直流输电的混合有源滤波系统的控制方 法，其特征在于：包括以下步骤： 51、 谐波电流检测； 52、 外环电压控制； 53、 计算有源滤波器输出电压的指令信号； 54、 均压控制：包括相间均压控制和功率子模块均压控制； 55、 环流抑制； 56、 载波移相调制。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述Sl包括：高压直流输电系统两端交 流侧a相电压经锁相环为整个控制系统提供同步信号；高压直流输电系统两端交流侧三相 电流经DQ变换和高通滤波器后，将余下三相电流中谐波分量在DQ轴上的投影。
7. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述S4中，功率子模块均压控制的方法 包括：实时检测上、下桥臂的电流的瞬时值，当功率元件向公共直流母线输出有功功率时， 即对电容进行放电，反之，则对电容进行充电，由此得到独立电容电压的修正量，将此修正 量叠加在模块化多电平变流器上、下桥臂的参考电压上。
8. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述S5包括：采用两倍频负序的旋转变 换将两倍频环流分离为两个直流分量，将所述两个直流分量与环流DQ轴分量的参考值做 差比较后，经PI调节器，再引进电压的前馈量实现环流的解耦，通过坐标变换后得到内部 电压的不平衡量，最后在上、下桥臂的电压指令信号中将此压降补偿掉。
9. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述S6包括： 对于每个桥臂中的N个子模块，控制器均产生N条三角载波，使每个桥臂的N条三角载 波依次移开1/N三角载波周期，360° /N相位角，然后与叠加了模块化多电平变流器（MMC) 相间电压修正量uAMf、独立电容电压修正量u Bref和环流抑制不平衡分量u &ef后的上、下桥臂 电压调制波进行比较，产生出N组PWM调制波信号，分别驱动N个子模块单元，决定它们是 投入或是切除。
【专利摘要】本发明提供了一种用于高压直流输电的交流混合有源源滤波系统及其控制方法，该系统运用于高压直流输电系统中，包括相互连接的无源滤波器和有源滤波器；所述无源滤波器的输出端直接连接高压直流输出电系统两端换流站的交流侧；所述无源滤波器包括三组单调谐无源滤波器组，其中每一组单调谐无源滤波器组对应连接换流站交流侧的一相，所述单调谐无源滤波器组具有串联谐振特性；所述有源滤波器包括模块化多电平变流器以及与其相连的控制器，所述模块化多电平变流器的直流端并联一电容器。本发明有效降低了设备投资和运行维护成本，降低了单位容量产生的电能损耗，提高了高压直流输电交流滤波装置的经济性。
【IPC分类】H02J3-36, H02J3-01
【公开号】CN104682390
【申请号】CN201510033171
【发明人】李勇, 韩继业, 段义隆, 张明敏, 罗隆福, 曹一家
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年1月22日