[发明专利]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

说明书

技术领域

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

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±1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究是直流输电系统的一个重要研究课题。

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

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。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

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；

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。

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。

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；

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：