高压输电系统用混合式有源滤波器

  完成单位：国网经济技术研究院有限公司

  主要完成人：马为民，宋胜利，季一鸣、王玲、吴方劼、李明、杨一鸣、蒲莹、钟启迪、李志闯

一、研发背景

目前我国建设的特高压直流大多数为LCC型高压直流工程，随着特高压直流的大量投运和输送功率的大幅提升，直流接入的交流电网的安全稳定性与电能质量问题引起了广泛的关注。直流系统是交流电网中重要的谐波源，换流器运行时产生特征谐波注入交流系统，引起了交流电网畸变，需要采用无源滤波器进行滤波。常规无源滤波器由大量的电容、电感元件串并联组成，是目前常规直流换流站占地面积大的主要原因之一；无源滤波器与可投切电容器组一起承担了换流站无功补偿的功能，有固定的单组容量，投切时产生无功阶跃，造成一定的无功缺额或盈余，因此受交流系统电压波动的限制，无源滤波器投切小组的容量是受限的，导致配置组数较多。另一方面，随着风能、太阳能等新能源在直流工程送端的高比例接入，送端交流系统的阻抗特性变得非常复杂，在一定的无源滤波器投切组合下，交流系统阻抗可能与无源滤波器的阻抗在某些频率下相匹配，引发谐振问题。因此，如何提升现有的无源滤波器技术，适应更复杂的交流系统条件，更高程度的提升滤波性能和灵活性，成为了迫切需要解决的问题。

随着电力电子技术快速发展，基于压接型功率器件的级联多电平换流器已经成功应用于高压大容量系统中，如柔性直流输电。而先进控制技术也依托柔性直流输电取得了长足的发展，多种先进控制函数已经在工程中得到了应用和验证。这一切都为高压交流输电网用的大容量的混合式有源滤波器技术的诞生提供了条件。高压大容量的级联多电平换流器可以取代传统混合有源电力滤波器中的耦合变压器和低压逆变器，极大提升滤波器的容量和滤波性能，使有源滤波器能够大幅提高直流系统的谐波性能，消除无源器件与电网的谐振风险，降低直流系统对近区电网的影响，提升电力系统的整体电能质量和安全稳定性，这在目前日益增多的大容量直流接入高比例可再生能源的系统条件下具有非常重要的意义。

在1993年到2002年之间，世界上的高压直流工程共计安装了14台直流侧有源电力滤波器和1台交流侧有源电力滤波器，这些有源滤波器都是基于全控器件的两电平电压源换流器，通过变压器耦合串联一个无源滤波器，构成“混合有源电力滤波器”。直流侧的有源滤波器因为平抗的存在，容量一般在1MVA以下。第一个应用于高压直流工程交流侧的有源滤波器由西门子公司于1998年在丹麦Tjele换流站安装运行，有源部分为IGBT组成的电压源变换器，每相额定电压750V、额定容量200kW，换流阀通过变压器升压至10kV，耦合串联接入无源滤波器中。而国内采用有源滤波器的工程，是南网的天广工程，其中的直流滤波器采用了有源滤波技术，此外，中南大学和湖南大学研制的容量为 500kVA 谐振注入式并联混合有源电力滤波器在湖南娄底早元变电站的10kV母线运行，拓扑与Tjele工程相似，有源部分采用两电平逆变器容量为500kVA，通过500V：1000V变压器耦合串联接入无源滤波器，无源滤波器容量为9MVA。总的来说，目前国内外使用的有源滤波器，均是电力电子换流阀通过变压器接入无源滤波器，且应用的场景大多在直流工程的直流测。而应用在交流系统中的混合式有源滤波器尚无对应的研究和工程应用，相关技术领域尚为一片空白。

为了完成高压输电系统用有源滤波技术的开发，国网经济技术研究院有限公司牵头电力电子阀制造单位，完成国网科技项目《主动滤波技术在LCC直流工程中的应用》的研究任务，期间共同完成有源滤波技术的开发和样机的研制。国网经研院完成了高压输电系统用混合式有源滤波器的主控制策略的设计。

 二、发明团队介绍

高压输电系统用混合式有源滤波器的第一发明人为马为民同志。马为民，男，汉族，1966年7月出生，清华大学博士后，国家百千万人才，高级工程师。1994年4月参加工作，现任国网北京经济技术研究院副总经理，一直从事直流输电的技术研究和管理工作。

自1996年以来，马为民同志一直从事高压直流系统的咨询和设计。参加了几乎全部三峡外送和全国联网等重大直流工程的建设，以及±800kV特高压直流输电系统的成套设计。他主持建立的一整套具有自主知识产权的直流系统咨询研究体系和成套设计体系，使我国的高压直流工程建设摆脱了依赖外国进行咨询和成套设计的局面，为我国直流输电技术的发展、直流工程国产化和特高压工程建设作出了积极贡献。

马为民同志曾获国家电网公司“劳动模范”荣誉称号。承担和负责的项目曾荣获国家电网公司科技进步奖一等奖、二等奖、电力咨询协会一等奖各一项。该同志还是公司特高压试验示范工程建设专家委员会、全国电力电子学标准化技术委员会等学术机构委员。

马为民同志带领着国网经研院直流咨询中心技术团队，共同完成了有源滤波器控制策略的开发。

国网经济技术研究院有限公司作为国内直流工程成套设计方，参与了±400kV、±500kV、±660kV、±800kV多个电压等级长距离输电和背靠背输电工程的系统研究和成套设计工作，主要包括直流输电电力系统相关设计研究、控制保护设计研究、直流主设备的设计研究和换流站阀厅设计及关键技术研究，培养了大量直流设计人才。近年来，通过技术引进与自身创新，积极开展技术研发工作，在直流工程成套技术、直流工程联调测试和国家重大科技项目方面取得了显著成绩。

在直流工程成套技术方面，已完全掌握直流工程的成套关键技术，具备独立进行各电压等级直流工程成套设计的能力，打破了国外公司的技术垄断。中心先后独立开展了宁东－山东±660kV、三沪二回、德宝、呼辽、灵宝扩建等常规直流工程，以及锦苏、哈郑、溪浙等特高压直流工程的成套设计。获得2004年度电力行业优秀工程咨询成果一等奖；“PSC－9500高压直流控制和保护系统及其工程应用”获得国家电网公司科学技术进步特等奖；“西北－华中联网灵宝直流背靠背工程”获得国家电网公司科学技术进步一等奖。

在人才队伍建设、交流合作和标准编制方面，国网经济技术研究院有限公司开展了一系列颇具特色的工作。在人才队伍建设方面。为了提高研发能力，中心逐年引进高技术、高学历人才，目前，研发中心40％职工拥有博士学历，拥有享受国家电网公司专项津贴专家4名、享受国务院津贴专家1名，还聘请了5位有丰富直流工程建设和设计经验的老专家，形成了一支高水平研发队伍，为科技创新和科技进步打下了坚实基础。在交流合作方面。研发中心重视与高等院校、科研机构、设计单位、设备厂家的合作交流，已与清华大学、华北电力大学、武汉大学等高校建立了长期合作机制，共同完成了多项研究和软件开发工作。国网北京经济技术研究院还将成套设计研究成果无偿提供给西电集团、许继集团、中电装备集团、南瑞继保公司等多个设备厂家，作为设备开发的依据。通过与各方面的合作，提高了我国整个直流输电行业的科研、设计、设备制造、调试水平，共同推进了直流输电技术的国产化。

参与本项目研制的主要骨干人员见表1。

表1  本项目主要骨干成员表

三、成果(专利)简介

专利1（核心专利）：一种有源滤波器的控制方法、系统、设备和介质

取得时间：2022年8月26日   类别：发明专利

本发明专利的目的是提供一种控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的控制方法、系统、设备和介质，能够有效控制交流母线上的谐波电压。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种有源滤波器的控制方法，其包括以下步骤：

确定用于控制高压交流输电网谐波的有源滤波器的拓扑结构；

根据有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标滤波次数的谐波电压，控制有源滤波器输出可控谐波电流或可控谐波电压，并确定其控制系数；

基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则返回上一步骤对控制系数进行修改，直至系统稳定。

进一步，所述有源滤波器的拓扑结构，其等效电路包括：电力电子换流阀等效电压源和等效连接阻抗，所述等效连接阻抗的高压端连接高压交流输电网，所述等效连接阻抗的低压端直接连接电力电子换流阀等效电压源，电力电子换流阀等效电压源另一端接于地。具体如图1所示。

    图1  有源滤波器的拓扑结构

进一步，当控制有源滤波器输出可控谐波电流时，所述有源滤波器输出的可控谐波电流与接入点的目标滤波次数的谐波电压所形成的等效阻抗，阻抗角度在±45°之间通过调整可控谐波电流和接入点谐波电压之间的角度差可以补偿延时；

当控制有源滤波器输出可控谐波电压时，所述有源滤波器输出的可控谐波电压与接入点的目标滤波次数的谐波电压诺顿等效后所形成的等效虚拟阻抗，阻抗角度在±45°之间通过调整可控谐波电压和接入点谐波电压之间的角度差可以补偿延时。

进一步，所述有源滤波器在高压交流输电网接入点的目标谐波次数的电压通过直接采集接入点谐波电压实现，或通过采集并联在高压交流输电网同一电气接入点的其他并联设备的电流后转换实现。

进一步，基于确定的控制策略及其控制系数，计算当前有源滤波器的等效动态阻抗及系统谐波阻抗，并根据阻抗计算结果判断系统是否稳定，若不稳定则返回上一步骤对控制系数进行修改，直至系统稳定的方法，包括：

计算有源滤波器接入高压交流输电网后的等效动态阻抗；

判断有源滤波器的等效动态阻抗和系统谐波阻抗的加和后的阻抗曲线是否顺时针围绕阻抗零点，若否则系统稳定，若是则系统不稳定，需重新调整控制系数。

进一步，所述系统传递函数的计算公式为：

其中，为系统背景谐波电压；为系统电流；为接入点的系统谐波阻抗；为有源滤波器的等效动态阻抗。

进一步，所述有源滤波器的等效动态阻抗为有源滤波器的端口电压和支路电流的动态比值。

本发明专利由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明原理简单，实现方便，通过对有源滤波器进行控制，使其输出可控谐波电流或可控谐波电压，有效压低接入点的谐波电压；

2、本发明的稳定性判据简单，可视化：根据柯西定理对系统谐波阻抗和有源滤波器动态阻抗进行判定，进而实现对系统稳定性的判定；

3、使用本控制策略的有源滤波器，能较好的补偿延时。

因此，本发明可以广泛应用于输电系统设计领域。

专利2：用于补偿高压直流输电系统特征谐波的交流有源滤波器

取得时间：2017年11月21日   类别：实用新型专利

本实用新型的目的是提供一种能够有效滤除直流特征谐波且降低发生串联谐振风险的用于补偿高压直流输电系统特征谐波的交流有源滤波器。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：用于补偿高压直流输电系统特征谐波的交流有源滤波器，其特征在于，该交流有源滤波器包括有源滤波器和基波电容，所述有源滤波器的交流出线经所述基波电容连接所述高压直流输电系统的换流母线；所述有源滤波器的一次系统包括三相滤波支路，每相所述滤波支路均包括若干单相全桥换流单元，每相所述滤波支路的单相全桥换流单元依次串联连接构成单相全桥串联结构，每一所述单相全桥串联结构出口均连接一滤波电抗器，三相所述滤波支路通过△型连接方式进行连接。

优选地，每一所述单相全桥换流单元均包括两变流桥和一直流侧电容器，且每一所述变流桥均包括一上桥臂和一下桥臂，每一所述上桥臂正端均分别连接所述直流侧电容器正极，每一所述下桥臂负端均分别连接所述直流侧电容器负极，每一所述上桥臂负端并联连接相应所述下桥臂正端和交流侧出线，每相所述滤波支路的单相全桥换流单元交流侧出线依次串联连接。

优选地，所述基波电容的基波电流分量根据所承担所述高压直流输电系统中交流

系统基波电压的90％～95％进行确定。

优选地，所述有源滤波器采用并联型有源滤波器。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型的有源滤波器出口经基波电容连接现有高压直流输电系统，与常规采用特征谐波调谐的无源滤波器相比，能够使单相全桥换流单元的串联个数大幅减少，能够提高滤波性和灵活性，减小设备占地，降低设备制造难度，节省设备投资。2、本实用新型的有源滤波器采用三相△型连接方式，可以进一步减少每相滤波支路的单相全桥换流单元串联数目，实现对直流特征谐波的全补偿，降低发生串联谐振的风险，本实用新型可以广泛应用于高压直流输电技术领域中。

专利3：用于补偿高压直流输电系统特征谐波的交流有源滤波器

取得时间：2022年11月1日   类别：发明专利

本发明专利的目的是提供一种有源滤波器控制方法及系统，其能解决高压直流输电工程交流系统背景谐波放大导致的换流母线谐波水平严重超标的问题，且控制效果稳定、灵活，不受交流系统阻抗影响，且对于不同的控制目标均能响应。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种有源滤波器控制方法，其包括：步骤1、选择有源滤波器并入高压电网的基本拓扑结构；步骤2、设置有源滤波器谐波容量；步骤3、设置电流检测点，根据检测点的电流值得到电网电流，将电网电流与APF出力电流比较，利用比例系数K得到APF的调制电压。

进一步，所述步骤1中，有源滤波器间接连接在高压场，通过降压变或者串联无源滤波器的方式进行连接。

进一步，所述步骤3中，检测点包括无源滤波器支路、APF支路及换流站出口。

进一步，所述有源滤波器的控制包括无功功率、有功功率及谐波电流补偿的控制，其中有功功率控制用于补偿APF装置的有功损耗，使电容电压能够平衡。

进一步，所述APF的调制电压获取方法为：步骤3.1、确定APF的谐波电流给定值；步骤3.2、将APF支路的采样电流经低通滤波处理后得到APF谐波电流，将  APF谐波电流取负后与APF的谐波电流给定值进行叠加，输入APF谐波电流控制器，得到APF谐波调制电压；步骤3.3、对APF的有功和无功功率控制进行调节，生成APF基频控制电压；步骤3.4、将APF谐波调制电压与APF基频控制电压叠加后，得到APF的调制电压。

进一步，所述步骤3.3中，对APF的有功功率控制采用双闭环控制，电流内环用于实现有功电流及谐波电流的快速跟踪，电压外环为内环提供指令电流信号。进一步，所述步骤3.2中，电流控制器采用准比例谐振控制器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能够有效抑制低频次背景谐波放大，大大降低换流母线的谐波水平。2、本发明的控制目标为并联无源滤波器某一支路的谐波电流，通过控制该谐波电流的电流值来间接控制并网点的谐波电压，稳定性好，且谐波电流测量设备精度更高。3、本发明的APF出力电流指令通过与电网电流进行比较，利用比例系数K来实现APF的目标出力，将电网电流快速转化为APF的出力电流指令，控制目标明确，控制效果明显。4、本发明可同时滤除换流站的谐波电流，此时需要额外检测换流站出口的谐波电流。5、本发明不受交流系统阻抗变化的影响，均能达到目标控制效果。6、本发明在控制目标不同时，能分别达到不同的滤波效果，控制灵活。

四、成果（专利）转化情况介绍

目前该技术经过国网经济技术研究院牵头的科技攻关团队历时3年研发，目前已经完成了系统成套研究，样机制造和见证，设备研发和生产，经过了3轮厂内试验，以及高于IEC和国标的型式试验和厂内试验考核，转化为3项授权专利和2项受理专利，目前已经在闽粤背靠背直流工程授权于荣信汇科公司，实现了2台高压混合式有源滤波设备投运和商业试运行。

闽粤联网直流工程为背靠背常规直流换流站，交流电压系统等级500kV，直流电压等级±200kV，输送容量2000MW，该工程是国网和南网首次联网，也是国内首次在高压直流输电系统的交流侧应用有源滤波技术，在世界上首次有源阀容量突破了100MVA，容量和接入电网电压等级均为世界最高。

在闽粤联网工程中，国网经研院承担了闽粤工程滤波方案的系统设计，特别是有源滤波方案的设计，包括直流系统谐波的滤波性能计算，和交流系统的阻抗匹配，以及和其他无功补偿设备的相互协调。有源滤波设备采用全桥级联换流器直接串联接入500kV/140MVar的HP12/24滤波器，滤除交流系统的低次背景谐波以及高压直流系统的特征次谐波，最高滤除谐波次数为49次。

荣信汇科公司承担了福建侧两台混合有源电力滤波器设备的研制，设计制造混合有源电力滤波器的有源换流阀及其控制系统，保证了在复杂交流系统中的稳定性和滤波性能。

闽粤工程投运的混合式有源滤波器经过了现场站系统试验和系统试验的层层考核，超额完成了设计目标，将换流站交流母线谐波电压控制在直流设计限制值内。其中核心专利由国网经研院授权给设备厂家使用，每台混合式有源滤波器专利使用费用100万元以上，总计200万元以上。

五、经济效益与社会效益介绍

混合式有源滤波器能够完全替代传统换流站的无源滤波器，实现交流输电网的谐波滤除和电能质量提升。一般传统“双八百”换流站内配置20台左右不同类型无源滤波器，使用该技术后，换流站可只配置1台有源滤波器和并联电容器，实现相同甚至更优的滤波性能。该技术也可用于交流系统，实现交流系统局域的谐波控制。目前交流电网内5、7等奇次谐波污染严重，使用该技术能够很好的控制区域内的谐波。