段志芳，張 愷

（1.山西大學(xué)，山西 太原 030013；2.國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

高壓直流輸電系統(tǒng)中濾波器對控制效果影響的研究

段志芳1，張 愷2

（1.山西大學(xué)，山西 太原 030013；2.國網(wǎng)山西省電力公司檢修公司，山西 太原 030032）

指出了在高壓直流輸電系統(tǒng)中，由大量電力電子設(shè)備構(gòu)成的換流器核心系統(tǒng)給直流輸電帶來了兩方面問題，即系統(tǒng)的控制問題和電力電子設(shè)備造成的諧波污染問題，針對這兩個問題，綜合分析濾波器和控制器在高壓直流輸電系統(tǒng)中的相互作用，通過Matlab仿真軟件，建立高壓直流輸電系統(tǒng)的仿真模型，并在給定控制器的直流系統(tǒng)仿真模型上搭建濾波裝置仿真直流輸電線路電壓電流波形，仿真結(jié)果證實在高壓直流輸電系統(tǒng)中，加裝濾波器會使得系統(tǒng)中控制器的控制效果更優(yōu)。

濾波器；控制效果；高壓直流輸電；Matlab仿真

0 引言

由于在遠(yuǎn)距離、大容量輸電的情況下，高壓直流輸電技術(shù)比起交流輸電技術(shù)更優(yōu)，特別是在我國這個西電東送、南北互聯(lián)的電氣時代，直流輸電技術(shù)就越發(fā)顯示了其獨(dú)特的價值。直流輸電技術(shù)中堪稱核心的要屬換流設(shè)備，然而，由大量電力電子設(shè)備組成的換流設(shè)備造成了高壓直流輸電系統(tǒng)的兩大問題，即控制器對整個系統(tǒng)的控制問題和電力電子設(shè)備造成的諧波問題。因此，研究者都致力于研究各種控制器，對比出能顯示更優(yōu)控制效果的控制策略，或者研究濾波器等各種濾波設(shè)備，希望減少整個系統(tǒng)的諧波污染。

目前，多數(shù)對控制器和濾波器的研究是針對各自的領(lǐng)域，也就是說或者是單純的對控制器的控制策略進(jìn)行研究，又或者是專門針對諧波在整個系統(tǒng)電壓、電流畸變影響的方面進(jìn)行研究，而把這兩方面綜合在一起，分析其相互間影響的研究很少。因此，本文將PI控制器（Proportional Integral Controller）和濾波器結(jié)合在一起，分析研究濾波器對控制器的控制效果的影響，進(jìn)而綜合分析高壓直流輸電系統(tǒng)的整體性能。

1 高壓直流輸電系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)

高壓直流輸電系統(tǒng)主要分為5個部分，即交流電源、整流換流站、直流輸電線路、逆變換流站、另一側(cè)交流電源。其基本原理為發(fā)電廠發(fā)出的交流電通過整流裝置整流成直流，通過直流線路輸送，再通過逆變裝置逆變回交流供負(fù)荷用電[1-2]。

直流輸電系統(tǒng)中最核心的部分就是整流—逆變部分，統(tǒng)稱為換流裝置?？刂破魇菗Q流裝置中的核心部分。本文直流系統(tǒng)的控制器采用傳統(tǒng)的PI控制策略。傳統(tǒng)的PI控制原理是輸入一個電流偏差，利用簡單的閉環(huán)控制最終的輸出，使輸出達(dá)到預(yù)期的效果[1-3]。

由于換流裝置會用到很多電力電子器件，這些器件就必然給系統(tǒng)帶來諧波污染，加裝濾波器是最有效的抑制諧波的方法之一。本文采用無源濾波器中的雙調(diào)諧濾波器。雙調(diào)諧濾波器的電路由串聯(lián)電容C1、串聯(lián)電感L1的串聯(lián)諧振電路與并聯(lián)電容C2、并聯(lián)電感L2和電阻R的并聯(lián)諧振電路串接而成。由于雙調(diào)諧可以等效為兩個獨(dú)立的單調(diào)諧，根據(jù)單調(diào)諧參數(shù)計算原則，確定了兩組獨(dú)立的參數(shù)為第1組單調(diào)諧電容Cd1、第1組單調(diào)諧電感Ld1、第2組單調(diào)諧電容Cd2、第2組單調(diào)諧電感Ld2，當(dāng)不考慮R 時，根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（4）[4]計算雙調(diào)諧的參數(shù)值。

2 直流輸電系統(tǒng)模型的建立與仿真

根據(jù)原理，高壓直流輸電系統(tǒng)模型是由交—直—交組成的5個模塊，即交流電源—整流模塊—直流輸電線路—逆變模塊—對側(cè)交流電源。

整流逆變模塊中的控制模塊采用PI控制器，參數(shù)計算采用臨界比例度法[3]。為了驗證濾波器對系統(tǒng)控制效果的影響，本文在搭建Matlab仿真模型時，選用了本身控制效果不太理想的控制器，即該系統(tǒng)中的控制器當(dāng)系統(tǒng)不穩(wěn)定時不能很好地對交流側(cè)發(fā)出的交流電進(jìn)行整流。

雙調(diào)諧濾波器分為兩部分，即DT11/13和DT23/25，分別針對高壓直流輸電的第11、13、23、25次特征諧波[1]設(shè)計。其中交流濾波器參數(shù)計算是由濾波器原理式（1）—式（4）得出濾波器所需的電容、電感參數(shù)值。直流濾波器的參數(shù)設(shè)定，不考慮無功的分配，直接通過經(jīng)驗公式[4]選定好C1、C2，根據(jù)公式計算出L1、L2。然后建立起具有相應(yīng)控制器和濾波器的高壓直流輸電系統(tǒng)。對系統(tǒng)分別采用如下3種方式進(jìn)行仿真。

a）整流、逆變側(cè)控制模塊的控制策略均為傳統(tǒng)PI控制，在直流輸電系統(tǒng)中不安裝濾波器。

b）在方式a）的基礎(chǔ)上，在交流母線加裝交流側(cè)的濾波器。

c）在方式b）的基礎(chǔ)上，在直流極線加裝直流側(cè)的濾波器。

仿真時間為1 s，仿真算法采用ode23tb算法。為了檢驗系統(tǒng)的控制效果，在0.3 s時設(shè)置參考線變動，觀察其電壓、電流的跟隨性。在0.6 s時設(shè)置故障，故障類型為交流線路單相接地短路故障，觀察在故障后是否能自動恢復(fù)。

圖 1、圖 2、圖 3分別是 3種方式下通過Matlab仿真系統(tǒng)中的示波器觀察到的直流線路的電壓、電流波形圖。橫坐標(biāo)表示仿真時間，單位為s。縱坐標(biāo)表示整流后直流線路上的電壓、電流的波形，其單位分別為V、標(biāo)幺值?！啊本€表示電壓、電流的波形，“——××”線是設(shè)定好的電流基準(zhǔn)參考線。

圖1 不加裝濾波器高壓直流輸電系統(tǒng)仿真波形

圖2 加裝交流濾波器高壓直流輸電系統(tǒng)仿真波形

方式a），如圖1所示，不加裝任何濾波器，由于設(shè)定的控制器本身控制性能不佳，啟動0.1 s后系統(tǒng)中電壓電流波形發(fā)散。正如筆者預(yù)設(shè)的結(jié)果一致：控制器不能很好地把電壓、電流整流成直線。

方式b），如圖2所示，在交流母線上加裝交流濾波器，控制器將交流的電壓、電流在一定的啟動波動后整流成一條直線，并且在0.3 s的參考線發(fā)生變動后還可以很好地跟隨。

方式c），如圖3所示，在直流極線上加裝直流濾波器后，不僅電壓電流很好地被整流成直線并有好的跟隨性，而且0.6s故障發(fā)生時，其波動最小。

表1 整流側(cè)電流波形控制參數(shù)

由表1給出的仿真后的控制參數(shù)分析結(jié)果有以下幾方面。

a）系統(tǒng)啟動過程中，方式三的啟動過程跟蹤參量時間最短為0.162 s，跟蹤最快。

b）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中，方式三的參考量波后超調(diào)量最小為6.08%，跟隨性更好。

c）在0.6 s，發(fā)生交流線路接地故障時，方式三的恢復(fù)時間最短為0.726 8 s。

3 結(jié)論

通過Matlab-Simulink進(jìn)行建模仿真，搭建采用PI控制器和交、直流濾波器的高壓直流輸電線路模型。通過仿真實驗得出在交、直流側(cè)都加裝濾波器可以改善控制器在高壓直流輸電系統(tǒng)中的控制效果，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定。因此，在生產(chǎn)實踐中，高壓直流輸電系統(tǒng)預(yù)加強(qiáng)其控制器的控制效果，還可以通過加裝交、直流濾波器來調(diào)試。

［1］ 韓民曉，文俊，徐永海.高壓直流輸電原理與運(yùn)行［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：64-92.

［2］ 趙畹君.高壓直流輸電工程技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004：93-122.

［3］ 路林娟.高壓直流輸電系統(tǒng)智能控制器的研究和設(shè)［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［4］ 李普明，徐政，黃瑩，等.高壓直流輸電交流濾波器參數(shù)的計算［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008，28（16）：115-121.

Research on the Controlling Effect of Filter for HVDC Transm ission System

DUAN Zhi-fang1，ZHANG Kai2
（1.Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030013，China；2.State Grid Maintenance Com pany of SEPC，Taiyuan，Shanxi 030032，China）

Converter coresystem consisted ofmultiple powerelectronic equipmentcauses twomajor problems for HVDCsystem:one is the control problem and the other is harmonic pollution due to power electronic equipment.In view of the problems，this paper comprehensively analysed the interactions between filter and controller.Based on Matlab simulating software，the simulation model of HVDC system was built，and filter was installed on themodel of the certain controller to simulate the voltage and currentwave of DC transmission lines.Thesimulation resultverified thatthe filter renders the controller tobemoreeffective for HVDC transmission system.

filter；controleffect；HVDC power transmission；Matlab simulation

TP15

A

1671-0320（2014）03-0008-03

2014-02-12，

2014-04-15

段志芳（1984-），女，山西大同人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士研究生，助教，主要研究方向為電力系統(tǒng)及自動化；

張 愷（1985-），男，山西太原人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)及自動化。