高压直流输电系统中滤波器对控制效果影响的研究

高压直流输电系统中滤波器对控制效果影响的研究

刘德发

十四冶建设集团云南机械制造安装工程有限公司云南昆明651701

摘要：在高压直流输电系统中，换流器由很多电力电子设备组成，一方面它会给系统的控制带来问题，另一方面它又能造成电力电子设备的谐波污染问题。从这两大问题着手，本文分析了高压直流输电系统中滤波器与控制器的相互作用，利用Matlab设计了高压直流输电系统仿真模型，并把滤波器仿真高压直流输电线路的电压电流波形，搭建在指定控制器的直流仿真模型上。最后仿真结果证明，在高压直流输电中安装滤波器，会提高系统中控制器的控制效果。

关键词：高压直流输电；滤波器；Matlab仿真；控制效果

眼下我们正处于一个“西电东送，南北互联”的电气时代之下，交流输电技术已经无法满足时代需求，面对远距离，大容量的输电现状，高压直流输电技术的独特价值彰显得愈发明显。在直流输电技术中，处于核心地位的，必然是换流设备。但是，变压器，互感器和电抗器由大量的电力电子设备组合而成，这直接导致了高压直流输电系统出现了两大问题——控制器对系统的控制，以及电力电子设备带来的谐波问题。为了减少系统中的谐波污染，技术人员投入到各种控制器，滤波器的研究工作中，通过不断对比，试图寻找出效果最好的控制策略。

1高压直流输电系统的原理与结构

目前看来，对于控制器和滤波器的研究工作，主要是在各自的领域内进行的。也就是说，要么只研究控制器的控制策略，要么只研究谐波对整个系统的电压和电流畸变产生的影响。这两者的研究工作都是相互独立的，并没有将它们整合在一起进行综合地分析。所以，本文将PI控制器（ProportionalIntegralController）与滤波器相结合，通过研究滤波器对控制器的控制效果有哪些影响，进一步对高压直流输电系统的整体功能进行详细综合地分析。

1.1高压直流输电系统的结构

高压直流输电系统主要由五部分组成：交流电源，整流换流站，直流输电线路，逆变换流站，以及另一侧的交流电源。

1.2高压直流输电系统的基本原理

从发电厂发出的交流电，经过整流装置，由交流形成直流，在直流线路的输送下，再通过逆变装置的作用，逆变成交流供负荷用电。在整个直流输电系统中，从整流至逆变的过程是最为核心的，也就是换流装置，在换流装置中，控制器又是它的核心部分。

本文中直流系统的控制器，采用的便是传统的PI控制策略，它的基本原理是，输入电流偏差后，利用非常简单的闭环来控制最后的输出，从而令输出达成预定效果。因为换流装置需要大量的电力电子器材，为了避免这些器材给系统造成的谐波污染，所以必须安装滤波器。

本文选择的是双调谐滤波器。

双调谐滤波器的电路形成：串联电容C1，串联电感L1的串联谐振电路，并联电容C2，并联电感L2，电阻R的并联谐振电路。因为双调谐与两个独立的单调谐等效，所以可以根据单调谐参数的计算方法，分别算出两组独立的参数：第一组单调谐电容Cd1和单调谐电感Ld1。第二组单调谐Cd2和单调谐电感Ld2。当电阻R不予考虑时，可根据公式（1），公式（2），公式（3），公式（4）计算出双调谐的参数值。

2双调谐滤波器的设计

目前高压直流输电系统中普遍采用双调谐滤波器，相比两个独立的单调谐滤波器，双调谐滤波器的优点很明显，可以同时过滤掉两个特征谐波，而且低损耗，投资较少，占用面积很小，方便维护和检修。

双调谐滤波器的电路图以及阻抗-频率特性曲线见图1。

通常情况下，高压直流输电工程会选择第1组解：ωr1，1，ωr2，1。因为这组解的串联谐振角频率和并联谐振角频率的差值小，所以，双调谐滤波器在ω1、ω2调谐点附近的阻抗-频率特性曲线相对平坦，可以达到更好的滤波效果。

2.2双调谐滤波器的设计

当计及线路受到电阻影响时，双调谐波器的电路见图1（a），阻尼电阻R，分别和双调谐滤波器的品质因数Q、谐振阻抗Zfr有关。R，Q成反比，R越大，Q越小，Zfr越小，滤波的效果就越好，但是滤波器比较容易失调。双调谐滤波器的设计思路为：先不考虑R的影响，通过公式（12），（5），（6）先确定了4个参数C1、C2、L1、L2之后，再通过Q来确定R。

具体设计步骤：：①确定ω1、ω2，然后再根据相关经验和技术水平，对C1和C2进行合理选择；②通过公式（12）、（5）和（6）确定L1、L2；③结合实际情况，将Q和Zfr综合在一起进行分析，最终选择R。

3直流输电系统模型的建立与仿真

根据基本原理，通过交流-直流-交流构成了高压直流输电系统模型的5部分，也就是交流电源-整流模块-直流输电线路-逆变模块-对侧交流电源。其中整流逆变模块里的控制模块用的是PI控制器，通过临界比例度法计算出参数。为了更好地分析滤波器是如何对系统的控制效果产生影响的，所以本文选择了控制效果并不太好的控制器，用来搭建Matlab仿真模型，也就是说，如果系统不稳定，当交流侧发出交流电的时候，该系统的控制器就没法与之很好地进行整流。

双调谐滤波器由两部分组成：DT11/13，DT23/25。它们是针对高压直流输电的第11，13，23，25次特性谐波分别设计的，通过滤波器的原理公式（1）—公式（4）所得出的滤波器需要的电容和电感参数值，进而计算出交流滤波器的参数。而直流滤波器的参数设计，不用考虑无功分配，直接利用公式选好C1、C2，再利用公式把L1、L2计算出来，最后把具有相应控制器，滤波器的高压直流输电系统搭建起来。系统的仿真方式，有以下三种。

（a）采用传统的PI控制作为整流和逆变侧控制模块的控制策略，直流输电系统中没有安装滤波器。

（b）以方式（a）为基础，将交流侧的滤波器装在交流母线上。

（c）以方式（b）为基础，将直流侧的滤波器装在直流极线上。

仿真的时间定为1s，采用ode23tb的仿真计算方法。为了对系统的控制效果更好地进行检验，在0.3s的时候设置参考线变化，并对电压，电流的跟随性进行观察。在0.6s时进行故障设置，设置的故障类型是：交流线路单相接地短路，然后观察在故障结束后，系统是否可以自动恢复正常。

在（a）（b）（c）三种方式下，通过Matlab仿真系统的示波器对直流线路进行观察，最后看到的电压电流波形，分别为图2，图3，图4。横坐标为仿真时间，单位是s。纵坐标为整流之后直流线路的电压电流的波形，单位分别是V，标幺值。“———”代表电压、电流的波形，“——×—×”是事先设定好的电流基准参考线。

对表1所示的仿真后的控制参数进行分析，结果如下：

（a）系统启动时，第三种方式的跟踪最快，启动过程跟踪参量时间最短：0.161s。

（b）当系统稳定运行时，第三种方式的跟随性最佳，参考量波后超调量最小：6.09%

（c）0.6s，交流线路接地短路故障发生时，第三种方式的恢复时间最快：0.7267s。

结束语

通过Matlab-Simulink仿真搭建起高压直流输出线路模型，模型采用PI控制器与交直流滤波器，仿真实验的结果是：交直流两侧全部安装滤波器，能够有效改良控制器在高压直流输电系统中的控制效果，系统稳定性得以增强。所以，若想加强高压直流输电系统中控制器的控制效果，可以通过安装交直流滤波器的方法来实现。

参考文献：

[1]段志芳，张恺.高压直流输电系统中滤波器对控制效果影响的研究[J].山西电力，2014，（3）：8-10.

[2]宋蕾，文俊，闫金春等.高压直流输电系统直流滤波器的设计[J].高电压技术，2008，34（4）：647-651，677.