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【摘要】大量高次谐波对电网的污染很严重，不仅影响了设备的使用并且对周围的通信有干扰，谐波已成为电能质量的一个重要指标，本文针对直流输电系统设计混合电力滤波器，以更好地滤除电网的谐波和补偿无功功率。
【关键词】谐波抑制;高压直流输电系统;混合滤波器
1.高压直流系统谐波危害及治理的必要性
1.1 谐波危害
谐波产生的主要来源是在电力系统中的各种非线性元件。大量高次谐波对电网的污染很严重，不仅影响了设备的使用并且对周围的通信有干扰。谐波引起的事故随着非线性电子装置广泛应用所引起电网污染日益严重，发生频率不断提高，让人们对谐波问题的严重性越来越重视。
电网谐波会对输电系统和用户产生以下影响：
（1）系统中的谐波分量使系统元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。
（2）谐波除使电机产生附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，加快绝缘老化，可能造成设备故障。
（3）谐波分量可能会在局部引起并联或串联谐振，从而使谐波放大，加大了谐波危害，甚至引起严重事故。
（4）谐波会造成继电保护和自动装置的误动作，并会引起电气测量仪表测量不准确。
（5）电力系统谐波的存在还会干扰邻近的通信系统，降低通信质量。
（6）系统与弱交流系统连接时可能出现谐波不稳定性。
1.2 谐波治理的必要性
综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。因此，无论是保障电力系统安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。
2.混合型有源电力滤波器谐波抑制措施
迄今为止，对高压直流输电所产生的谐波进行抑制的唯一实用方法是采用平波电抗器和滤波装置。由于滤波装置需要很多投资并占用大量场地，因此也在研究消除谐波的其他方法。
本文是针对直流输电系统设计混合电力滤波器，以更好地滤除电网的谐波和补偿无功功率。
直流输电系统本身有无源滤波器组，但是在滤除非特征谐波的效果不是很理想。而且它的无功功率补偿方式为分组投切无源滤波器组来达到按需求补偿无功这种補偿无功的方式是分段补偿是不连续的。
所以在设计混合电力滤波器的时候，各部分的功能应该是：无源滤波器承担主要的滤除谐波和补偿无功的责任。而有源滤波器主要是改善无源滤波器的滤波特性，以相对较低的容量应用到大容量场合。设计混合电力滤波器的连接方式为并联有源滤波器与无源滤波器并联接入电网。
这样设计混合电力滤波器的重点就是对有源电力滤波器的设计。
2.1 有源电力滤波器的主电路设计
有源电力滤波器在实际应用中往往要求容量较大，如采用单个PWM变流器不能达到容量要求时，通常采用多重化的主电路形式。
2.1.1 单重化的主电路
由于电力系统中主要的谐波源如各种大型整流装置的容量很大，而对于办公及民用建筑所产生的谐波又只能采取集中补偿的方法，容量也很大，这就相应地要求有源电力滤波器的容量要大。解决这个问题可采用多重化主电路，最基本的一点是容易实现大容量，此外，还可以提高有源电力滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟踪性能。从另一方面看，由于等效开关频率的提高，可以降低单个器件的工作频率，而这既可以降低对器件工作频率的要求，又可以减小器件的开关损耗。以下介绍有源电力滤波器中采用的几种多重化主电路形式。这种方式原理如图，这种方式中，直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，它是最容易实现的一种接线形式。
图1 串联电抗器多重化
2.1.2 采用平衡电抗器的多重化方式
这种方式如图，在这种方式中，在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波器之间的环流。当有源电力滤波器的开关频率低时，会有较大的换流，因而这种方式适用于开关频率低的情况。
图2 平衡电抗器的多重化
2.1.3 用变压器的串联多重化方式
这种方式的原理如图3所示，这种方式中，通过变压器二次侧绕组将有源电力滤波器的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为多绕组的特殊形式。
由于有源电力滤波器输出的PWM波直接经过变压器叠加，使得变压器会有较大的铁损耗。
图3 采用变压器的多重化方式
2.2 有源电力滤波器的指令电流运算电路设计
指令电流运算电路的作用是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即期望由有源电力滤波器产生的补偿电流信号。指令电流运算电路的核心是谐波和无功电流实时检测方法。既然指令电流运算电路的出发点是为了有源电力滤波器的补偿目的，那么首先必须确定补偿目的。要确定补偿目的，又必须明确补偿对象即负载的工作情况。假设此对作为负载的三相挢式全控整流器的触发延迟角，则此时负载电流波形如图4所示。
图4 补偿对象电压和电流波形
图4中同时给出电源电压波形，以便观察负载电流与交流电源电压之间的相位关系。由波形可以看出，此时负载电流中含有谐波，同时负载还消耗无功功率。图中仅给出一相的波形，原三相对称，其他两相的波形一样，相位依次差120o。
2.3 有源电力滤波器的电流跟踪控制电路设计
有源电力滤波器可分为两大部分，指令电流运算电路的作用是得出补偿电流的指令信号，据此由补偿电流发生电路产生补偿电流。电流跟踪控制电路正是补偿电流发生电路中的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前跟踪型PWM控制的方法主要有两种，既瞬时值比较方式和三角波比较方式。 （1）瞬时值比较方式的特点
1）硬件电路十分简单;
2）属于实时控制方式，电流响应很快;
3）不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量;
4）属于闭环控制方式，这是跟踪型PWM控制方式的共同特点;
5）若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。
在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，由此导致主电路中电力半导体的开关频率是变化的。尤其是当实际的补偿电流信号ic变化的范围较大时，一方面，在ic值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大;另一方面，在ic值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率面导致器件损坏。
针对采用滞环比较器的瞬时值比较方式在环宽固定时的这一缺点，一种解决的方法是将滞环比较器的宽度H设计成可随ic大小而自动调节的;另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式，其原理图如图5所示。
该方式中，用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器。每个时钟周期对△ic判断一次，使的PWM信号需要至少一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避免器件开关频率过高的情况发生。该方式的不足是，补偿电流的跟随误差是不固定的，从波形上看，就是毛刺忽大忽小。
图5 定时控制的瞬时值比较方式原理图
（2）三角波比较方式的特点
与瞬时值比较方式相比，该方式具有如下特点：
1）硬件较为复杂;
2）跟随误差较大;
3）输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波：
4）放大器的增益有限;
5）器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率;
6）电流响应比瞬时值比较方式慢。
瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点，不能孤立地说谁优谁劣，实际应用时可以根据系统要求选择。
参考文献
[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[2]邓亚平，同向前.一种高压混合滤波器的两种控制方法比较[J].电力电子技术，2013（9）.
[3]黄彬，邰能灵，傅晓红等.基于混合滤波器的大型船舶电力系统谐波抑制分析[J].上海交通大学学报，2011（6）.
[4]陈贵.基于混合有源滤波器的电力牵引系统电能质量改善方法研究[D].重庆：重庆大学，2004.
作者简介：
何耀宇，男，毕业于湖南工业大学电气與信息工程学院，现供职于湖南工业大学电气与信息工程学院，研究方向：电网的谐波和无功补偿。
何益平，男，现供职于湖南省电力公司东江水力发电厂。
【关键词】谐波抑制;高压直流输电系统;混合滤波器
1.高压直流系统谐波危害及治理的必要性
1.1 谐波危害
谐波产生的主要来源是在电力系统中的各种非线性元件。大量高次谐波对电网的污染很严重，不仅影响了设备的使用并且对周围的通信有干扰。谐波引起的事故随着非线性电子装置广泛应用所引起电网污染日益严重，发生频率不断提高，让人们对谐波问题的严重性越来越重视。
电网谐波会对输电系统和用户产生以下影响：
（1）系统中的谐波分量使系统元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。
（2）谐波除使电机产生附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，加快绝缘老化，可能造成设备故障。
（3）谐波分量可能会在局部引起并联或串联谐振，从而使谐波放大，加大了谐波危害，甚至引起严重事故。
（4）谐波会造成继电保护和自动装置的误动作，并会引起电气测量仪表测量不准确。
（5）电力系统谐波的存在还会干扰邻近的通信系统，降低通信质量。
（6）系统与弱交流系统连接时可能出现谐波不稳定性。
1.2 谐波治理的必要性
综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。因此，无论是保障电力系统安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。
2.混合型有源电力滤波器谐波抑制措施
迄今为止，对高压直流输电所产生的谐波进行抑制的唯一实用方法是采用平波电抗器和滤波装置。由于滤波装置需要很多投资并占用大量场地，因此也在研究消除谐波的其他方法。
本文是针对直流输电系统设计混合电力滤波器，以更好地滤除电网的谐波和补偿无功功率。
直流输电系统本身有无源滤波器组，但是在滤除非特征谐波的效果不是很理想。而且它的无功功率补偿方式为分组投切无源滤波器组来达到按需求补偿无功这种補偿无功的方式是分段补偿是不连续的。
所以在设计混合电力滤波器的时候，各部分的功能应该是：无源滤波器承担主要的滤除谐波和补偿无功的责任。而有源滤波器主要是改善无源滤波器的滤波特性，以相对较低的容量应用到大容量场合。设计混合电力滤波器的连接方式为并联有源滤波器与无源滤波器并联接入电网。
这样设计混合电力滤波器的重点就是对有源电力滤波器的设计。
2.1 有源电力滤波器的主电路设计
有源电力滤波器在实际应用中往往要求容量较大，如采用单个PWM变流器不能达到容量要求时，通常采用多重化的主电路形式。
2.1.1 单重化的主电路
由于电力系统中主要的谐波源如各种大型整流装置的容量很大，而对于办公及民用建筑所产生的谐波又只能采取集中补偿的方法，容量也很大，这就相应地要求有源电力滤波器的容量要大。解决这个问题可采用多重化主电路，最基本的一点是容易实现大容量，此外，还可以提高有源电力滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟踪性能。从另一方面看，由于等效开关频率的提高，可以降低单个器件的工作频率，而这既可以降低对器件工作频率的要求，又可以减小器件的开关损耗。以下介绍有源电力滤波器中采用的几种多重化主电路形式。这种方式原理如图，这种方式中，直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，它是最容易实现的一种接线形式。
图1 串联电抗器多重化
2.1.2 采用平衡电抗器的多重化方式
这种方式如图，在这种方式中，在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波器之间的环流。当有源电力滤波器的开关频率低时，会有较大的换流，因而这种方式适用于开关频率低的情况。
图2 平衡电抗器的多重化
2.1.3 用变压器的串联多重化方式
这种方式的原理如图3所示，这种方式中，通过变压器二次侧绕组将有源电力滤波器的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为多绕组的特殊形式。
由于有源电力滤波器输出的PWM波直接经过变压器叠加，使得变压器会有较大的铁损耗。
图3 采用变压器的多重化方式
2.2 有源电力滤波器的指令电流运算电路设计
指令电流运算电路的作用是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即期望由有源电力滤波器产生的补偿电流信号。指令电流运算电路的核心是谐波和无功电流实时检测方法。既然指令电流运算电路的出发点是为了有源电力滤波器的补偿目的，那么首先必须确定补偿目的。要确定补偿目的，又必须明确补偿对象即负载的工作情况。假设此对作为负载的三相挢式全控整流器的触发延迟角，则此时负载电流波形如图4所示。
图4 补偿对象电压和电流波形
图4中同时给出电源电压波形，以便观察负载电流与交流电源电压之间的相位关系。由波形可以看出，此时负载电流中含有谐波，同时负载还消耗无功功率。图中仅给出一相的波形，原三相对称，其他两相的波形一样，相位依次差120o。
2.3 有源电力滤波器的电流跟踪控制电路设计
有源电力滤波器可分为两大部分，指令电流运算电路的作用是得出补偿电流的指令信号，据此由补偿电流发生电路产生补偿电流。电流跟踪控制电路正是补偿电流发生电路中的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前跟踪型PWM控制的方法主要有两种，既瞬时值比较方式和三角波比较方式。 （1）瞬时值比较方式的特点
1）硬件电路十分简单;
2）属于实时控制方式，电流响应很快;
3）不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量;
4）属于闭环控制方式，这是跟踪型PWM控制方式的共同特点;
5）若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。
在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，由此导致主电路中电力半导体的开关频率是变化的。尤其是当实际的补偿电流信号ic变化的范围较大时，一方面，在ic值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大;另一方面，在ic值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率面导致器件损坏。
针对采用滞环比较器的瞬时值比较方式在环宽固定时的这一缺点，一种解决的方法是将滞环比较器的宽度H设计成可随ic大小而自动调节的;另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式，其原理图如图5所示。
该方式中，用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器。每个时钟周期对△ic判断一次，使的PWM信号需要至少一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避免器件开关频率过高的情况发生。该方式的不足是，补偿电流的跟随误差是不固定的，从波形上看，就是毛刺忽大忽小。
图5 定时控制的瞬时值比较方式原理图
（2）三角波比较方式的特点
与瞬时值比较方式相比，该方式具有如下特点：
1）硬件较为复杂;
2）跟随误差较大;
3）输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波：
4）放大器的增益有限;
5）器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率;
6）电流响应比瞬时值比较方式慢。
瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点，不能孤立地说谁优谁劣，实际应用时可以根据系统要求选择。
参考文献
[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.
[2]邓亚平，同向前.一种高压混合滤波器的两种控制方法比较[J].电力电子技术，2013（9）.
[3]黄彬，邰能灵，傅晓红等.基于混合滤波器的大型船舶电力系统谐波抑制分析[J].上海交通大学学报，2011（6）.
[4]陈贵.基于混合有源滤波器的电力牵引系统电能质量改善方法研究[D].重庆：重庆大学，2004.
作者简介：
何耀宇，男，毕业于湖南工业大学电气與信息工程学院，现供职于湖南工业大学电气与信息工程学院，研究方向：电网的谐波和无功补偿。
何益平，男，现供职于湖南省电力公司东江水力发电厂。