CN103023012B - 一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法，其特征在于：1)选择谐振峰频率次数N_WP，确定滤波支路电容C_F；2)选择谐振谷频率为滤波器支路调谐频率N_WC，确定滤波支路电感L_F；3)确定品质因数Q值，确定滤波支路电抗R_F；4)判断是否符合滤波要求，修正滤波参数。本发明通过选择谐振峰频率计算电压源换流器滤波器设计，同时考虑到谐振峰、谷频率影响，因此，设计出来的柔性直流输电系统换流站滤波器的滤波效果很好，滤波后的THD(％)远远小于IEEE-519规范不同电压等级要求的值，节省滤波器占地面积达60％。3、采用本发明设计的滤波器，可提高换流站输出的电能质量。

Description

一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法，属于直流输送电设备技术领域。

背景技术

常规直流输电中换流器等效为谐波电流源，滤波性能主要取决的是PCC点对地的谐波阻抗，即现有技术的直流输电中谐波电容的设计主要基于滤波支路特性，调谐滤波器参数设计方法存在如下缺点：(1)由于电压源换流器的特征谐波频率较高，调谐滤波器的调谐频率通常要远高于在常规直流输电的应用，在基波频率点和谐振频率点之间滤波支路阻抗为容性，在这段频率范围之内滤波支路阻抗和交流系统谐波阻抗之间可能会发生并联谐振，有可能带来相应频率的谐波放大。(2)附图3给出了滤波器支路的阻抗为图2时的H_upcc的频率特性曲线。H_upcc的数值意义为对应频率次数时PCC点谐波电压相对于换流器端口谐波电压的衰减或放大关系。图中几条曲线显示了不同滤波器参数时的H_upcc曲线。可以看出，与应用于常规直流输电换流器时不同，H_upcc频率特性曲线存在两个谐振频率点。其中单调谐滤波支路的串联谐振频率点ω_s使H_upcc达到谷底，这里称之为H_upcc曲线的谐振谷值点，在这一点对PCC点谐波电压的抑制效果达到最好。随着频率低于滤波串联谐振ω_s1，滤波支路会逐渐呈现电容性，并可能与系统阻抗(包括换流变压器漏抗)和换流器连接电抗发生并联谐振，谐振点为ω_p。在这一点H_upcc曲线达到谐振峰值点。在谐振峰值点附近，PCC点的谐波电压不仅没有得到衰减，反而被放大。

由于在柔性直流输电系统中，虽然换流器端口等效为谐波电压源，但PCC点的谐波电压取决于滤波支路、交流系统电抗(及换流变漏抗)、换流器连接电抗的共同作用，因此，现有技术中仅分析滤波支路的特性，已经不满足柔性直流输电系统滤波器的参数设计要求。对于柔性直流输电系统中电压源换流器的滤波器设计，虽然可以直流输电换流器的滤波器形式，但是不能套用常规直流输电中的设计方法，必须考虑到谐振峰频率的选择。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，即本发明的目的，是为了提供一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法，其特征在于：

1)选择谐振峰频率次数N_WP，确定滤波支路电容C_F；

2)选择谐振谷频率为滤波器支路调谐频率N_WC，确定滤波支路电感L_F；

3)确定品质因数Q值，确定滤波支路电抗R_F；

4)判断是否符合滤波要求，修正滤波参数。

另外，对于单调谐滤波器，第n次谐波下的滤波支路阻抗可以表示为：

$Z_F\left(n\right)=R_F+\mathrm{jn}{\mathrm{\ω}}_1{L}_F+\frac{1}{\mathrm{jn}{\mathrm{\ω}}_1{C}_F}$

谐振频率为： 

${\mathrm{\ω}}_s={\mathrm{n\ω}}_1=\frac{1}{\sqrt{L_F{C}_F}}$

如滤波电阻R_F已确定，滤波器的品质因数为：

$Q=\frac{\sqrt{L_F/C_F}}{R_F}$

或者说如果已经设计好了滤波器的品质因数，则滤波电阻为：

$R_f=\frac{\sqrt{L_F/C_F}}{Q}$

图2给出了在谐振频率点为60次时不同品质因数(Q)时滤波支路的阻抗频率典型特性图。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

进一步地，附图4是换流器谐波计算原理图，可以用于计算交流母线的换流器运行引起的PCC点谐波电压、注入网侧的谐波电流和注入滤波器的谐波电流。

1)确定滤波支路电容C_F的方法如下： 

首先，在低于调谐频率时，将单调谐滤波器支路近似为等效为电容，只考虑滤波电容C_F的作用，即近似将柔性直流输电系统电抗和连接电抗看做是并联的作用，计算等效电抗表达式为：

$L_{\mathrm{par}}=\frac{L_C(L_S+L_T)}{L_C+L_S+L_T}$

然后，将这个等效并联电抗Lpar看作和滤波支路电容CF发生并联谐振，产生并联谐振峰值点，该谐振峰频率表达式为：

${\mathrm{\ω}}_P=\frac{1}{\sqrt{L_{\mathrm{par}}{C}_F}}$

第三，在确定了谐振峰频率次数N_WP后，采用如下的方式计算滤波支路电容C_F：

$C_F=\frac{1}{N_{\mathrm{wp}}^2{\mathrm{\ω}}_1^2{L}_{\mathrm{par}}}$

从上述表达式看出，在系统和连接电抗确定的情况下，谐振峰频率越低，所需的滤波电容参数越大。因此提高(等效)开关频率，可以使谐振峰频率设计在更高点，有利于降低所需的滤波电容值。

为了避免并联谐振作用所带来的谐波放大，一般应使谐振峰频率大于基波频率10倍。考虑到过高开关频率可能带来较大的损耗，建议开关频率应是谐振峰频率的4倍以上。

根据PWM调制的谐波分布规律，调节谐振峰频率使其与基波频率和最低次谐波中心频带有一定距离，在这个频率范围内使换流器端口的谐波畸变度接近于零，即使有一些谐振放大效应，在PCC点引起的电压畸变在有限控制范围内，即

谐振峰频率应满足如下条件：

$N_1{\mathrm{\&omega;}}_1<{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{cp}}<\frac{{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{sw}}}{2}$

其中ω₁为基波频率，ω_cp为并联谐振频率，ω_sw为等效开关频率。N₁和N₂越大，谐振峰频率距离基波频率和最低次谐波频率越远，越有利于滤波器的设计。所以电压源换流器开关频率的提高是有利于滤波器的设计的。电平数目的提高使等效开关频率提高也具有同样的效果。在设计中应根据开关损耗的限制，详细的计算评估结果选择合适的开关频率和谐振峰频率。

2)确定滤波支路电感L_F的方法如下： 

首先，在最低次的中心频带选择谐振谷频率，或者将谐振谷频率选择在换流器的等效开关频率点，即滤波支路调谐频率表达式为：

${\mathrm{\&omega;}}_C=\frac{1}{\sqrt{L_F{C}_F}}$

然后，根据已经确定的滤波支路电容C_F，得到滤波支路电感的表达式为：

$L_F=\frac{1}{N_{\mathrm{wc}}^2{\mathrm{\&omega;}}_1^2{C}_F}$

3)确定滤波电阻值R_F的方法如下 

根据已经确定的滤波支路电感L_F和滤波支路电容C_F，最后确定滤波电阻；

将调谐滤波器的品质因数定义为如下表达式：

$Q=\frac{\sqrt{L_F/C_F}}{R_F}$

本发明具有如下突出的有益效果：

1、本发明通过选择谐振峰频率计算电压源换流器滤波器设计，同时考虑到谐振峰、谷频率影响，因此，设计出来的柔性直流输电系统换流站滤波器的滤波效果很好，滤波后的THD(％)远远小于IEEE-519规范不同电压等级要求的值。

2、本发明创新了直流输电换流器滤波器设计计算方法，减小了滤波器容量；随着滤波器容量的减小，节省滤波器占地面积达60％。

3、采用本发明设计的滤波器，可提高换流站输出的电能质量。

附图说明

图1a是MMC变流器中变流单元的结构示意图。

图1b是MMC变流器中级联桥臂的结构示意图。

图1c是三相MMC变流器的结构示意图。

图2是不同Q值时的单调谐滤波器阻抗特性曲线图。

图3是PCC/换流器端口谐波电压转移特性曲线图。

图4是换流器谐波计算原理图。

图5是不同并联谐振峰频率时的Hupcc频率特性曲线图。

图6a、图6b不同Q值时谐振峰频率次数(NWP＝15)时的HUPCC频率特性曲线图。

下结合附图对本发明涉及的设计方法进行详细说明。

附图4是换流器谐波计算原理图，可以用于计算交流母线的换流器运行引起的PCC点谐波电压、注入网侧的谐波电流和注入滤波器的谐波电流。

1)选择谐振峰频率N_WP，计算出C_F

首先在低于调谐频率时，将单调谐滤波器支路近似等效为电容，只考虑滤波电容C_F的作用。近似将系统电抗和连接电抗看做是并联的作用，计算等效电抗为：

$L_{\mathrm{par}}=\frac{L_C(L_S+L_T)}{L_C+L_S+L_T}$

认为这个等效并联电抗L_par和C_F发生并联谐振，产生并联谐振峰值点。谐振峰频率为

${\mathrm{\&omega;}}_P=\frac{1}{\sqrt{L_{\mathrm{par}}{C}_F}}$

因此在确定了谐振峰频率次数N_WP后，可以采用如下的方式计算滤波电容参数：

$C_F=\frac{1}{N_{\mathrm{wp}}^2{\mathrm{\&omega;}}_1^2{L}_{\mathrm{par}}}$

可以看出在系统和连接电抗确定的情况下，谐振峰频率越低，所需的滤波电容参数越大。因此提高(等效)开关频率，可以使谐振峰频率设计在更高点，有利于降低所需的滤波电容值。

为了避免并联谐振作用所带来的谐波放大，一般应使谐振峰频率大于基波频率10倍。考虑到过高开关频率可能带来较大的损耗，建议开关频率应是谐振峰频率的4倍以上。

附图5是选择了不同谐振峰频率时H_upcc频率特性曲线的比较，表1为所对应的滤波器参数。

表1不同谐振峰频率时的单调谐滤波器参数

谐振峰频率	Nwp＝15	Nwp＝20	Nwp＝25
				电感Lf(mH)	1.22mH	2.17mH	3.39mH
电容Cf(uF)	2.31uF	1.30uF	0.83uF
				电阻Rf	1Ω	1Ω	1Ω
基频下电容无功容量	16.31Mvar	9.17Mvar	5.87Mvar
				基频下滤波支路电流	62.76A	35.30A	22.59A
滤波电阻基频损耗	11.82kW	3.74kW	1.53kW
				滤波后THD(％)	0.39	1.15	1.54

2)选择谐振谷频率(滤波器支路调谐频率)N_WC，计算出L_F；

谐振谷频率一般选择在最低次的中心频带，也可以说是选择在换流器的等效开关频率点。滤波支路调谐频率为：

${\mathrm{\&omega;}}_C=\frac{1}{\sqrt{L_F{C}_F}}$

在滤波电容C_F已经确定的情况下，可以计算得到滤波支路电感为：

$L_F=\frac{1}{N_{\mathrm{wc}}^2{\mathrm{\&omega;}}_1^2{C}_F}$

3)确定滤波电阻值RF

在LF和CF已经确定后，最后一个参数就是滤波电阻的选择。调谐滤波器的品质因数定义为：

$Q=\frac{\sqrt{L_F/C_F}}{R_F}$

在常规直流输电系统的滤波器设计中，滤波电阻值是影响品质因数的重要参数。品质因数越大，调谐锐度越大，滤波器在调谐频率下的阻抗越小，但是对频率的偏移也越为敏感(失谐)。

在柔性直流输电系统中，由于所需滤除的是中心频带及其附近的谐波，因此对失谐并不是很敏感，相反是希望调谐振点的周边频率谐波都能够得到一定程度的滤除。因此品质因数主要是反映了调谐点附近的阻抗特性。附图6给出了谐振峰、谷频率相同时，选择不同Q值时滤波支路阻抗和Hupcc频率特性曲线的一个实例，可以看出品质因数越大(滤波电阻越小)，滤波支路在调谐频率附近的阻抗越小，PCC点的谐波电压畸变度的衰减作用也越好。从图中也可以看出，品质因数主要影响的是谐振谷频率附近的阻抗，对于谐振峰频率附近特性影响不大。因此建议在单调谐滤波器中可以尽量降低电阻值(提高品质因数值)，或者说仅滤波电感自身的电阻即可。表2给出了相对应的滤波器参数值。表3给出了具体的谐波数据。

表2不同Q值时时的单调谐滤波器参数

	Q＝10	Q＝50	Q＝100
				电感LF(mH)	1.22mH	1.22mH	1.22mH
电容CF(uF)	2.31uF	2.31uF	2.31uF
				电阻RF	2.30Ω	0.46Ω	0.23Ω
基频下电容无功容量	16.31Mvar	16.31Mvar	16.31Mvar
				基频下滤波支路电流	62.76A	62.76A	62.76A
滤波电阻基频损耗	27.18kW	5.44kW	2.72kW
				滤波后THD(％)	0.48	0.40	0.40

表3MMC换流器谐波畸变度计算数据表

根据表1～表3的总谐波畸变率THD(％)：THD(％)的值与标准(IEEE-519)来判断是否符合滤波的要求。

通过表2、表3可以知道选择谐振峰频率计算电压源换流器滤波器设计的办法带来的滤波效果是很理想的，滤波后的THD(％)远远小于现有的IEEE-519规范不同电压等级要求的值，如果滤波后的THD(％)达不到要求的值就尽量通过降低电阻值(提高品质因数值)来实现。

修正参数可以通过调整L_F和C_F的参数值来进行修正，可以尽量降低电阻值(提高品质因数值)，或者说仅滤波电感自身的电阻即可。因为根据公式品质因数是：

$Q=\frac{\sqrt{L_F/C_F}}{R_F}$

因为L_F和C_F确定的情况下只有通过调整RF来实现对品质因数的提高。品质因数决定了滤波器的调谐锐度。品质因数越大，在谐振频率下的阻抗越小，滤波器在调谐频率下的阻抗越小，PCC点的谐波电压畸变度的衰减作用也越好，但是对于频率的偏移也更为敏感。

品质因数现在也没有相应的规范说应该是取多大，要结合不同的实际来确定，一般式10、50或100各取一个值然后进行仿真，仿真的结果那个效果好就取那个。本发明实施例中选择的品质因数取得是50。当然，其他未列举的实施方式中也可以根据仿真结果选择10或100作为品质因数。

在柔性直流输电系统中，由于所需滤除的是中心频带及其附近的谐波，因此对失谐并不是很敏感，相反是希望调谐振点的周边频率谐波都能够得到一定程度的滤除。因此品质因数主要是反映了调谐点附近的阻抗特性。品质因数越大(滤波电阻越小)，滤波支路在调谐频率附近的阻抗越小，PCC点的谐波电压畸变度的衰减作用也越好。试验表明，品质因数主要影响的是谐振谷频率附近的阻抗，对于谐振峰频率附近特性影响不大。因此建议在单调谐滤波器中可以尽量降低电阻值(提高品质因数值)，或者说仅滤波电感自身的电阻即可。表2给出了相对应的滤波器参数值。表3给出了具体的谐波数据。

对于电压源换流器的滤波器设计，在谐振峰值点附近，PCC点的谐波电压会被放大。所以在柔性直流输电换流器应用时，滤波器的设计必须考虑到谐振峰点的放大作用。

本发明涉及的名词解释如下：

柔性直流输电：一种基于电压源换流器的高压直流输电技术(VSC-HVDC)，其主要的特点就是采用由全控型电力电子器件构成的电压源换流器(VSC)，取代常规直流输电中基于半控晶闸管器件的电流源换流器；

MMC：英文“Modular Multilevel Converter”的缩写，即“模块化多电平换流器”，其电路的拓扑结构见附图1；

PCC：英文“Point of common coupling”的缩写，即“电网公共连接点”；

PWM：英文“Pulse Width Modulation”的缩写，即“脉冲宽度调制” 。

Claims (3)

1.一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法，其特征在于：

1)选择谐振峰频率次数N_WP，确定滤波支路电容C_F；

2)选择谐振谷频率为滤波器支路调谐频率N_WC，确定滤波支路电感L_F；

3)确定品质因数Q值，确定滤波支路电抗R_F；

4)判断是否符合滤波要求，修正滤波参数；

5)确定滤波支路电容C_F的方法如下：

首先，在低于调谐频率时，将单调谐滤波器支路近似为等效为电容，只考虑滤波电容C_F的作用，即近似将柔性直流输电系统电抗和连接电抗看做是并联的作用，计算等效电抗表达式为：

式中，参数Lc为桥臂连接电抗值，参数Ls为交流系统电抗值，参数L_T为连接换流变压器电抗值；

然后，将这个等效并联电抗Lpar看作和滤波支路电容C_F发生并联谐振，产生并联谐振峰值点，该谐振峰频率表达式为：

第三，在确定了谐振峰频率次数N_WP后，采用如下的方式计算滤波支路电容C_F：

式中，参数ω₁为基波频率。

2.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法，其特征在于确定滤波支路电感L_F的方法如下：

首先，在最低次的中心频带选择谐振谷频率，或者将谐振谷频率选择在换流器的等效开关频率点，即滤波支路调谐频率表达式为：

然后，根据已经确定的滤波支路电容C_F，得到滤波支路电感的表达式为：

3.根据权利要求1所述的一种柔性直流输电系统换流站滤波器的设计方法，其特征在于确定滤波电阻值R_F的方法如下：

根据已经确定的滤波支路电感L_F和滤波支路电容C_F，最后确定滤波电阻；

将调谐滤波器的品质因数定义为如下表达式：