直流输电系统中的一种新型滤波措施

分析式(10)：谐波电流的大小与α 和μ 都有关系，分别对各次谐波电流含有率进行计算，可以将计算结果绘成曲线。由曲线可知，谐波电流受μ 角的影响较大，μ 角的增大会使谐波电流减小。

例如，当α=15°，μ=0°时，I5=20%I1，I7=14.5%I1;但是当时μ=60°，I5=6.2%I1，I7=2%I1。而且当μ 为较小值时，无论α 为何值，谐波电流的含有率都比较大。

这就验证出了，增大换流器的换相角μ，能有效的进行谐波抑制。

2滤波电路设计

通过前面的分析可知： 在直流输电系统中，交流侧电流波形的谐波含有率与换流器的换相角紧密相关，并且换流器的换相角主要受交流电源电感LC的影响，LC中包含换流变压器漏抗所对应的电感。通过增大LC，可以延长换相时间、增大换相角，进而可以降低交流侧的谐波含量。根据这一思路，设计电路图见图3。

在换流器与交流系统之间串联1 组电感Lr，这组电感与原交流电源电感LC串联相加成为新的电源电感LC+Lr。

3 实验验证

通过实验来验证这种方法的可行性，为进行滤波效果比较，分别将串联电感Lr退出和投入，测量与换流器相联的电网侧的电压和电流波形。实验过程中，为了分析方便，将控制角α 调为最小值并保持不变。

3.1 未增大换相角时

用示波器记录串联电感Lr未投入时电网侧的电压和电流的波形图，并对其进行谐波分析，波形图见图4， 总的波形畸变率与各次谐波的含有率记录见表1。

3.2 增大换相角时

此时的电网侧电压电流波形图见图5， 谐波分析见表2。

分析上述2 个实验： 当串联电感未投入时，电网侧的电压和电流波形中含有一定的谐波，总的畸变率分别为3.29%和26.8%，电压中的谐波是电网的固有谐波或是由于调压器的三相不平衡造成的;而电流中的大量谐波是由换流器的非线性的特性产生的，其谐波含有率远远超出了电力系统的谐波限值标准[17-21]。当投入串联电感、增大换流器的换相角时，电网侧电压的谐波含有率基本不变，但是电流畸变率减小为3.34%，满足了小于5%的谐波标准。

可以看出，通过增大换相角来进行谐波抑制的方法是切实可行的，而且效果非常明显。但是这种方法也有个不足之处：当投入串联电感后，电网侧的电流会在这个电感上产生1 个压降，使电网的电压有1 个较大的电压损失。在上述实验中，电网通过1 个调压器给换流器供电， 如果将调压器调至124 V (线电压)， 但是换流器得到的电压只有57 V(线电压)，这时电网消耗在串联电感上的电压过大，这显然是一种不经济的运行方式，也不能满足未来智能电网高效节能的要求[22-23]，所以需要对这种滤波方法进行改进。

3.3 改进的滤波实验电路

在前面的实验中，用示波器对串联电感上的电压进行谐波分析， 此时电感上的电压为60.8 V，其总的电压波形畸变率为15.2%，由此可知，电感上的压降由电流基波和谐波共同产生，谐波产生的压降为60.8×15.2%≈9.2 V，这就说明电感上的大部分压降是基波电流产生的，而这部分的压降可以通过串联电容进行补偿，从而达到既能滤波又无过大电压损失的目的。改进的滤波实验电路图见图6。

改进后的实验电路中，在串联电感Lr与换流器之间再传入1 组电容器Cr，这组电容主要起补偿Lr上压降的作用。在实际操作中，Cr是可调电容，通过调节其大小，使Cr上的电压接近于Lr上的电压，当二者的电压值相当时， 总的电压损失就会大大减小，满足工程中的要求。

下面来验证这种方法的正确性：为与前面的实验做比较， 仍然保持换流器交流侧线电压57 V 不变，并记录此时电网侧的电压电流波形，观察串联补偿电容Cr后是否会对电网波形产生影响。实验现象分析：串联Cr后，保持换流器交流侧线电压57 V 不变， 此时电网只需输入70.7 V 的线电压， 与未串联Cr需输入124 V 相比大大减小，这说明串入电容后，Lr上的压降得到补偿。通过图7还可以看出，串入Cr对电网侧的电压电流波形并无影响。

图6 所示的电路原理图就是这种新型滤波方法的最终形式， 这种方法不仅仅在整流侧可行，对逆变侧同样适用。工程中的直流输电系统一般为12脉动的换流器，只需串联2 组即6 个电感、6 个电容即可。

4 结论

1)通过增大换流器的换相角进行谐波抑制，实验验证这种方法具有良好的滤波效果，其滤波机制在于延长1 个周期内换流器阀臂的导通时间，使换流器由非线性过渡为线性。

2)这种新型的滤波方式利用了串联的形式实现了无源滤波，对所有频率谐波均有抑制效果，有效的克服了传统无源滤波器只能滤去固定频率谐波的缺陷，而且结构简单。