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针对传统无源滤波器占地面积大、易与交流电网阻抗引发串并联谐振等固有问题,提出一种适用于基于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)系统交流侧滤波的混合型滤波器。该混合型滤波器的无源滤波部分与有源滤波部分串联后与电网并联,其中无源滤波部分为传统的双调谐滤波器,有源滤波部分基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构。分析了有源滤波部分的输出电压控制增益、交流电网等效阻抗对混合型滤波器滤波性能的影响,利用根轨迹法确定了增益的取值范围。最后在Cigre模型的整流侧完成仿真验证。结果表明,该混合型滤波器能够减少传统无源滤波器的占地面积,具有良好的滤波效果及较强的鲁棒性,能实现换流站无功功率的全补偿。
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第 40 卷 第 6 期
2020 年 6 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.40 No.6
Jun. 2020
基于 MMC 拓扑的混合型滤波器设计及其
在 LCC-HVDC 中的应用
李双健
1
,贾秀芳
1
,季一鸣
2
,赵成勇
1
(1. 华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206;2. 国网北京经济技术研究院,北京 102209)
摘要:针对传统无源滤波器占地面积大、易与交流电网阻抗引发串并联谐振等固有问题,提出一种适用于基
于电网换相换流器的高压直流输电(LCC-HVDC)系统交流侧滤波的混合型滤波器。该混合型滤波器的无源
滤波部分与有源滤波部分串联后与电网并联,其中无源滤波部分为传统的双调谐滤波器,有源滤波部分基于
模块化多电平换流器(MMC)拓扑结构。分析了有源滤波部分的输出电压控制增益、交流电网等效阻抗对混
合型滤波器滤波性能的影响,利用根轨迹法确定了增益的取值范围。最后在 Cigre 模型的整流侧完成仿真验
证。结果表明,该混合型滤波器能够减少传统无源滤波器的占地面积,具有良好的滤波效果及较强的鲁棒
性,能实现换流站无功功率的全补偿。
关键词:LCC-HVDC;混合型滤波器;MMC;滤波;抑制谐振;无功补偿
中图分类号:TM 743;TM 721.1 文献标志码:A DOI:10.16081/j.epae.202006013
0 引言
目前几乎所有的基于电网换相换流器的高压直
流输电(LCC-HVDC)工程均在换流母线处装设无源
滤波器用于滤除谐波,降低直流系统对交流系统和
通信系统的影响
[1⁃2]
。无源滤波器虽然能够滤除大
部分谐波,但是有其固有缺陷:滤波设备及无功补偿
装置约占换流站占地面积的 1/3,是换流站中最主要
的占地成本之一
[2]
;无源滤波器的滤波效果与交流
电网的阻抗特性关系紧密,在某些频率下交流系统
阻抗与无源滤波器的阻抗可能会引发串并联谐振,
加重交流系统的谐波污染
[2⁃5]
;无源滤波器滤波效果
受 电 网 频 率 和 元 件 参 数 变 化 的 影 响 ,容 易 引 起
失谐
[3⁃5]
。
随着电力电子装置的高速发展,设备性能的不
断提升,滤波性能更优、占地面积更小的有源滤波器
在LCC-HVDC系统中的应用具备了可能。文献[6⁃7]
提出一种基于模块化多电平换流器(MMC)拓扑结
构的并联型有源滤波器,将有源滤波器控制成谐波
电流源,使其产生和负载谐波电流大小相等、相位相
反的补偿电流,从而达到滤波的目的。但若将该滤
波装置直接应用于 LCC-HVDC 系统,每相需串联上
百个子模块,成本高。文献[8]研制了一种大功率并
联混合型滤波器,有源滤波器基于两电平电压源换
流器,为减小其容量,将有源滤波器通过变压器耦合
到无源滤波器 2 次滤波支路的电感和电容两端。该
滤波装置拓扑较复杂,并且具有耦合变压器容量不
足、高频谐波无法通过的问题。文献[9]提出一种高
电压等级的新型混合型滤波器,有源滤波器通过耦
合变压器与单调谐滤波器的部分电感并联。该滤波
器除具有文献[8]中的问题以外,仅在 35 kV 的电压
等级下进行了仿真分析,能否应用于 LCC-HVDC 系
统有待验证。总体而言,目前关于大容量高电压等
级的混合型滤波器的研究越来越多,但是有源部分
的研究集中在两电平电压源型逆变器,而且由于电
力电子器件本身的电压、电流等级限制,此类混合型
滤波器的容量有限,很少应用于高压直流输电系统
中。为解决这一问题,采用 MMC 拓扑结构代替两电
平电压源型逆变器,从而在器件容量的允许范围内
实现有源滤波器补偿容量的提升。
本文提出一种适用于 LCC-HVDC 系统交流侧滤
波的混合型滤波器,该混合型滤波器为无源滤波与
有源滤波直接串联后与电网并联,其中无源滤波为
传统的双调谐滤波器,有源滤波基于 MMC 全桥子模
块级联结构。全桥 MMC 能够通过低压器件实现高
压大功率输出,无需变压器,输出电压波形理想,适
用于高压直流输电系统。以 Cigre 模型的整流侧为
应用对象,对混合型滤波器中无源滤波部分的参数
进行了计算,结合混合型滤波器的单相谐波等效电
路定义了谐波电流抑制函数、谐波电压抑制函数,并
利用二者分析了增益、交流电网阻抗对混合型滤波
器滤波性能的影响。在 PSCAD/EMTDC 仿真平台
中搭建了仿真电路,从滤波、动态跟踪、无功补偿等
方面进行了仿真分析。
1 混合型滤波器拓扑结构及工作模式
1.1 混合型滤波器的拓扑结构
混合型滤波器的拓扑结构如图 1 所示。图中,
收稿日期:2019-12-03;修回日期:2020-04-07
基金项目:国家电网有限公司科技项目(SGTYHT/18-JS-206)
Project supported by the Science and Technology Project
of SGCC(SGTYHT/18-JS-206)
电 力 自 动 化 设 备
第 40 卷
U
S
、Z
S
分别为交流电网电压和阻抗;i
S
、i
L
分别为交流
电网、负载电流;i
F
为滤波支路电流。在低压小容量
场合,对于无源滤波器和有源滤波器直接串联的混
合型滤波器,无源滤波部分常采用多组单调谐滤波
器并联的结构
[5]
。考虑到在 LCC-HVDC 工程中,双
调谐滤波器与完成同样功能的 2 个单调谐滤波器相
比,投资更少,经济性更好
[10⁃12]
,因此无源滤波部分
采用 11/13 次双调谐滤波器,由电容 C
1
、C
2
和电感
L
1
、L
2
组成。无源滤波器还并有无功补偿电容器 C
3
,
用以对换流站进行无功补偿。有源滤波部分基于
MMC 拓扑结构,可通过增加级联子模块数来实现高
压大功率输出,其中 L 为有源滤波器的桥臂电感,
SM
1
、SM
2
、…、SM
n
为子模块。
该混合型滤波器可通过改造现有的无源滤波器
实现。无源滤波部分在基波频率处呈现容性,可承
受大部分交流电网的基波电压,因而能够有效降低
有源滤波部分的输出电压,减少子模块的级联数,在
一定程度上保证经济性。
另外,该混合型滤波器在占地面积上具有一定
优势,其原因主要有以下 2 点。
(1)传统无源滤波器常采用调谐滤波器、高通滤
波器以及带高通的调谐滤波器等多种滤波器
[2]
。该
混合型滤波器只采用了 11/13 次双调谐滤波器,无
源滤波器的种类减少;并且有源滤波部分能够消除
或抑制所有次谐波,因此 11/13 次双调谐滤波器还
可以省略阻尼电阻,减小体积
[13⁃14]
。
(2)传统无源滤波器及无功补偿电容器每组容
量不能太大,否则投切时会带来较大的无功突变和
电压波动,因此传统无源滤波器及无功补偿电容器
通常会分成很多组,这也是影响占地面积的重要因
素。有源滤波器能够通过控制动态无功输出
[15]
,对
电容器的投切波动进行补偿,即可增加并联电容器
每组的无功容量,减少组数,从而减少占地面积。
1.2 混合型滤波器的工作模式
为简化分析,以单相为基础,混合系统的谐波等
效电路如图 2 所示。图中,Z
Sh
、Z
Fh
分别为交流电网、
无源滤波器的等效谐波阻抗;I
Lh
、I
Sh
分别为负载、交
流电网谐波电流;I
Fh
为滤波支路谐波电流;U
Sh
为交
流电网谐波电压;有源滤波部分采用交流电网谐波
电流反馈控制,即有源滤波器输出电压 U
C
=KI
Sh
,K 为
增益
[3⁃4]
。
根据基尔霍夫定律和叠加定理,由图 2 可得:
I
Sh
=
Z
Fh
Z
Sh
+ Z
Fh
+ K
I
Lh
+
U
Sh
Z
Sh
+ Z
Fh
+ K
(1)
当仅考虑对负载谐波电流 I
Lh
进行补偿时,等效
电路如图 2(b)所示,有源滤波部分相当于在交流电
网侧串联了阻值为 K 的大电阻,增大了交流电网阻
抗,大部分的负载谐波电流 I
Lh
流入滤波器,从而改
善了无源滤波器的滤波效果,抑制了电网与无源滤
波器引发的并联谐振。
当仅考虑对电网谐波电压 U
Sh
进行补偿时,等效
电路如图 2(c)所示,有源滤波部分相当于在电网和
无源滤波器回路上串联了阻值为 K 的大电阻,不仅
能够抑制电网谐波电压产生的谐波电流,还能够抑
制 Z
Fh
和 Z
Sh
产生的串联谐振。
2 无源滤波部分参数计算
为设计适用于 Cigre 模型整流侧的混合型滤波
器,需对无源滤波部分的参数进行计算。Cigre 模型
整流侧的拓扑结构见附录中图 A1
[16]
,参考图 A1 中
无源滤波器参数,对图 1 中 11/13 次双调谐滤波器
及无功补偿电容器进行参数计算。
对于高压直流输电系统,换流站消耗的无功功
率主要是由并联在交流母线上的无功补偿电容器和
无源滤波器中的高压电容进行就地补偿
[17]
,其补偿
的无功功率为基频下的无功功率
[3]
:
Q
C
= U
2
ωC = U
2
C × 2π f
(2)
其中,U 为交流母线的基波电压;ω 为基波角频率;C
为无功补偿电容器与无源滤波器中的高压电容之
和;f 为基波频率
。
图 1 混合型滤波器的拓扑结构
Fig.1 Topology structure of hybrid filter
图 2 混合系统的谐波等效电路
Fig.2 Harmonic equivalent circuit s of hybrid filter
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