#头条创作挑战赛#
背靠背闽粤联网直流输电工程是国家电网和南方电网联网的标志性工程，工程中混合式有源滤波器（HAPF）和静止无功发生器-有源滤波器（SVG-APF）方案尚属国内常规直流工程中的首次应用。福建中试所电力调整试验有限责任公司的研究人员陈明泉，在2022年第8期《电气技术》上撰文，介绍APF在高压直流工程中的首次示范性应用方案，阐述闽粤联网工程中HAPF和SVG-APF的应用原理、二次控制保护系统和接口设计方案，以及通过相应技术克服APF在高压领域应用的困难，期望为其他直流工程提供参考。
闽粤联网工程作为国家电力发展“十四五”规划重点建设项目，是国家明确的基础设施补短板重点输变电工程，也是国家电网和南方电网联网的标志性工程。闽粤联网工程采用常规直流背靠背双单元接线方式，直流额定电压为±100kV，输送容量2000MW，每个单元两组12脉动换流器，包括整流器和逆变器各一组，粤侧12脉动换流器中点（2个6脉动换流桥之间）接地，具有双向的功率输送能力。
换流站闽侧新建2回500kV线路，接至闽侧的500kV东林变电站；换流站粤侧新建2回500kV线路，接至粤侧的500kV嘉应变电站。在常规直流输电系统中，换流单元需消耗大量无功，本身又是个很大谐波源，向电网注入大量谐波，为保证直流系统在各种运行工况下将换流站交流母线电压畸变率和电流波形畸变系数限制在规定范围内，需在换流站配置一定数量的滤波器，从而在达到滤波目标的同时为换流站提供无功支撑。
1 总体设计方案
换流站一次主接线如图1所示。本工程设计在换流站闽侧和粤侧交流站各配置9组无源滤波器（passive filter, PF）。闽侧配置为2组HP12/24型无源滤波器、7组并联电容器（shunt capacitor, SC）；粤侧配置为3组BP11/13型无源滤波器、3组HP24/36型无源滤波器、2组HP3型无源滤波器、1组并联电容器。其中，闽侧加装混合式有源滤波器（hybrid active power filter, HAPF），主要用途为取代无源滤波器对谐波进行滤除。
粤侧加装升压式有源滤波器（active power filter, APF），主要用途有：①粤侧系统故障交流电压跌落时进行暂态快速无功补偿，支撑电网电压；②稳态时减小换流站和交流系统的无功交换，减小无源滤波器投切时的系统无功波动；③滤除低频谐波。因此，粤侧有源滤波器即静止无功发生器（static var generator, SVG），其作用相当于其他常规直流工程中的调相机，同时又是有源滤波器，下面统称SVG-APF。
目前，闽粤联网工程中HAPF和SVG-APF应用方案尚属国内常规直流工程中首次应用。由于无源滤波器技术成熟且应用较为普遍，所以本文主要针对有源滤波器在闽粤联网工程中的设计方案及其二次控保系统和接口方案进行分析说明。
图1 换流站一次主接线
1.1 闽侧HAPF设计方案
1）闽侧HAPF系统构成
闽侧配置两台荣信汇科电气股份有限公司生产的混合式有源滤波器，每台包含HP12/24双调谐高通型无源滤波器（下面简称HP12/24滤波器）和APF两部分，两者以串联方式接入换流站500kV系统，其中APF部分换流阀采用链式级联拓扑结构，级联的子模块采用全桥结构，单个子模块额定电压2400V、额定电流720A，主要由IGBT、二极管、电容器、快速旁路开关、均压电阻等一次元器件和中控板、取能电源、驱动板、旁路开关触发板等二次板卡组成。
每相换流阀由1个桥臂构成，每个桥臂由2个阀塔组成，每相子模块数量28个，含2个冗余子模块。闽侧HAPF拓扑结构如图2所示。
图2 闽侧HAPF拓扑结构
HP12/24滤波器部分无功容量140Mvar，在600Hz和1200Hz处有调谐点，用于滤除11、13、23、25次谐波，谐波阻抗小且具有高通特性，因此APF部分输出较小的电压就可以实现高频谐波电流控制，所需级联的功率单元数量较少。同时由于HP12/24滤波器的基波阻抗很大，500kV系统的基波电压大部分施加在HP12/24滤波器上，APF部分承受的基波电压很低，所以HAPF不具备无功调节能力。
另外，APF部分在运行过程中需要维持功率单元电容电压在额定值且有能量损耗，因此APF部分在滤除谐波的同时需吸收少量有功功率来弥补损耗。由于HP12/24滤波器接入电网后会产生一容性无功电流，APF部分仅需调制出与无功电流相位相同的基波电压就可实现有功功率的吸收，以维持自身能量稳定。
2）闽侧HAPF运行控制模式
闽侧HAPF运行控制模式分为电流控制模式和阻抗（电压）控制模式。
电流控制模式：其原理是通过对直流换流单元输出电流进行谐波采集分析，根据采集的谐波电流信号，HAPF控制APF支路输出一反相谐波电流进行补偿，以降低流入电网中的谐波电流。因此电流控制模式的谐波补偿效果受谐波电流采集精度影响，与系统阻抗大小无关。
电流控制模式控制框图如图3所示，其中谐波提取环节采用离散傅里叶变换（discrete Fourier transfer, DFT）算法进行谐波提取，根据电流互感器频率特性对提取出的谐波进行修正，减小电流互感器采样与传输延时带来的影响。谐波电流控制环节采用具有相位补偿功能的比例-谐振调节器，可以弥补控制延时带来的不利影响，提高系统的稳定性。
图3 电流控制模式控制框图
阻抗（电压）控制模式：以往阻抗控制模式需要采集交流母线谐波电压进行控制，而实际应用中由于系统电压很高，普通的电压采集装置很难精确采集到谐波电压信号，并且电压采样延时较大，因此工程中不建议直接通过采集谐波电压信号进行谐波电压控制。
本工程HAPF采集交流母线电压仅为了进行锁相控制和抑制电网的3、5、7次背景谐波，其阻抗控制模式原理是通过模拟近似无源滤波器的特性，在需补偿的谐波频率点上使APF支路呈现出较小的阻抗特性，达到被动吸收谐波电流的目的。因此阻抗控制模式的滤波能力受电网阻抗影响较大。从阻抗角度看，APF支路的阻抗可以写为：
式（1）
式（1）中：ZLC为APF支路无源器件构成的阻抗；Zctrl为APF支路电流控制器传递函数产生的阻抗。阻抗控制模式只需采集APF支路电流，通过设计合理的电流控制传递函数在局部频率上抵消ZLC的作用，使APF支路呈现低阻抗特性。APF支路在谐波点呈现出的阻抗越小，则谐波电压抑制作用越好，但要避免出现负阻抗现象导致的不稳定问题。阻抗控制模式控制框图如图4所示。
图4 阻抗控制模式控制框图
3）闽侧HAPF运行投退控制策略
HAPF的HP12/24滤波器和APF支路投退控制策略：若投运前HP12/24滤波器和APF支路均可用，则HAPF接收直流站控系统投运指令将HP12/24滤波器和APF支路同时投入运行；若投运前APF支路不可用，则可仅将HP12/24滤波器投入运行，即HAPF转换成HP12/24无源滤波器模式运行。
为了避免APF支路中串联的5mH限流电感L3使HP12/24滤波器的调谐点发生偏移，HP12/24滤波器的电感L1的电感值设计成24.62mH和19.62mH两档，可在停运时进行手动调节。所以在HP12/24+APF模式（L1运行在19.62mH档）转换成HP12/24无源滤波器模式运行时，若电感L1档位未手动调回至24.62mH档，HP12/24滤波器的调谐点将发生偏移，影响滤波效果，此时需限制直流单元输送功率至0.5p.u.以下，同时退出换流器无功功率控制，防止换流器在大功率运行或无功功率控制时增大换流阀侧触发延迟角造成系统谐波含量过大。
两台HAPF间投退控制策略：直流单元解锁前，闽侧两台HAPF以阻抗控制模式投运一台，解锁后随着直流单元功率上升按控制策略要求再次以阻抗控制模式投运第二台。当第一台HAPF检测到第二台HAPF投运时自动切换至谐波电流控制模式运行，两台HAPF均用于滤除12k±1（k =1, 2, 3,…）特征次谐波及3、5、7次背景谐波。
考虑谐波电流控制模式运行时，受高次谐波采样精度影响造成滤波效果不佳，甚至可能造成高频振荡的问题，本工程HAPF运行于谐波电流控制模式时优先滤除低次谐波。同时，若HAPF检测出某次谐波测量数据异常时，可单独退出某次谐波的滤除功能，该次谐波由该次调谐点的无源滤波器滤除。两台HAPF投运后，当一台HAPF故障切除后，剩余一台HAPF自动切换为阻抗控制模式，但当两台HAPF不可用且两台HP12/24滤波器不可用时，直流单元禁止解锁。
1.2 粤侧SVG-APF设计方案
1）粤侧SVG-APF系统构成
粤侧配置思源清能电气电子有限公司生产的2台升压式有源滤波器SVG-APF，额定电压40.5kV（实际运行电压为35kV），额定电流2 080A，三相链式星接拓扑，每个换流链由16只功率模块串联构成，含1个冗余功率模块，经升压变压器35kV侧母线接入500kV系统中。粤侧升压式SVG-APF拓扑结构如图5所示。
图5 粤侧升压式SVG-APF拓扑结构
2）粤侧SVG-APF运行控制模式
粤侧SVG-APF的SVG部分控制原理在文献[11]中已有详细描述，本文不再赘述。本工程SVG不同之处在于它集成了APF功能，使用SVG剩余能力来滤除直流换流单元产生的低次谐波电流，其原理相当于一台可控电流源，控制电流源输出与直流换流单元相反的谐波电流与之相互抵消。
粤侧SVG-APF运行控制模式：
①恒无功控制模式，直流站控系统在定无功控制模式下，SVG-APF实时接收直流站控系统下发的无功功率命令值，输出对应的无功功率，输出范围为感性无功功率40～120Mvar；
②谐波补偿模式，实时监测跟踪电网目标点谐波变化，输出相应谐波补偿电流，补偿换流站的3、5、7次背景谐波电流，同时在直流单元功率100MW时可输出感性无功40～100Mvar，配合动态无功功率控制，直流单元功率上升至450MW以上时无功出力固定为0Mvar，仅进行谐波补偿；
③恒电压控制模式，直流站控系统在定交流电压控制模式下，SVG-APF控制器根据实测电压值及直流站控系统下发的电压目标值，实时计算SVG-APF所需的无功出力，并输出对应的无功功率；
④暂态快速无功补偿控制模式（暂态强励模式），仅用于工程的交流侧故障穿越，当检测到交流电压低于475kV时，运行于无功补偿模式的SVG-APF进入暂态强励模式，瞬时增加160Mvar动态无功输出，待交流电压恢复至495kV以上或者强励时间超过10s后，该SVG-APF退出暂态强励模式，返回原稳态控制模式。
3）粤侧SVG-APF运行投退控制策略
粤侧SVG-APF与交流站无源滤波器投退实时配合，实现换流站动态无功功率控制和谐波补偿功能。对于动态无功功率控制配合，无源滤波器按站控无功功率控制死区进行投切，在无源滤波器投入时刻，SVG-APF无功出力受站控指令将无功输出调至设定的最大感性无功值；在无源滤波器切除时刻，SVG-APF无功出力按站控指令将无功输出调至设定的最小感性无功值，以减小无源滤波器投切引起的交流系统无功功率和交流电压大幅波动。对于谐波补偿配合，运行于谐波补偿模式的SVG-APF在功率升降、无源滤波器的投切过程中，始终进行低次谐波的滤除。
粤侧两台SVG-APF间投退控制策略：
①两台SVG-APF互为冗余备用，当两台SVG-APF均可用时，一台运行于恒无功控制模式，另一台运行于谐波补偿模式；
②若仅一台SVG-APF可用时，其仅运行于无功补偿模式，即如果运行于恒无功控制模式的SVG-APF出现故障，运行于谐波补偿模式的SVG-APF立即自动切换为恒无功控制模式继续运行；
③两台SVG-APF均有暂态强励能力，若两台均可用时，运行于无功补偿模式的SVG-APF进入暂态强励模式直至退出的整个过程中，另一台运行于谐波补偿模式的SVG-APF保持进入暂态强励模式前一时刻的无功出力不变，同时退出滤波功能，在暂态强励模式退出时恢复原稳态控制模式；
④直流单元解锁前，若两台SVG-APF不可用时，直流单元禁止解锁。解锁后，运行中两台SVG-APF不可用时，需限制直流单元输送功率至调度允许值以下，若此时直流单元无功功率控制处退出状态，即直流单元已无法通过控制换流器的触发延迟角来减小无源滤波器投切引起的无功功率和交流电压波动，可能造成换流变分接头反复调节，此时站控系统会自动投入无功功率控制，若无法投入则直流单元需停运。
2 控保系统设计方案
2.1 闽侧HAPF控保系统设计方案
闽侧HAPF控制保护以单套HAPF为基本单元进行配置。单套HAPF的控制和保护设备独立配置，控制和保护采用不同主机，且采用双重化配置。保护系统双套不分主备，同时工作，一套故障不影响另一套正常运行。
跳闸逻辑采用“启动+动作”模式，启动和动作的元件及回路完全独立。保护每一重的测量回路、电源回路、出口跳闸回路及通信接口回路均完全独立。阀组保护装设在控制系统装置中，其他保护元件装设于独立的保护主机中。
控制主机一主一备，任一个系统发生故障或系统维护时，不影响正常系统的运行。主控制器与备用控制器之间通过冗余的光纤通信实现备套对主套的跟随，主备套切换过程不会引起系统波动。本工程单套HAPF的控制保护系统组柜配置如图6所示，共6面柜体。
图6 HAPF控制保护系统配置
1）2面互为冗余的控制保护柜A、B，每面控制保护柜包含1台阀主控箱、1台阀保护箱、1台综保装置、1台控制交换机、1台保护交换机，实现对HAPF的控制和保护功能，以及对阀组的漏水检测进行监控。同时，将控制数据以IEC 61850通信规约上传至运行人员工作站和数据孪生网，将保护数据以IEC 61850通信规约上传至保信子站和数据孪生网，将控制数据以IEC 60044—8上传至直流控保。
2）1面监控录波柜，包括1台录波箱、1台工控机+显示器、1台录波交换机、2台数据孪生网交换机A、B。监控录波柜用于显示HAPF目前状态及进行人机交互，录波箱负责对整个系统出现的故障进行录波，并将数据传送给人机界面。
3）2面互为冗余的数据采集柜A、B，每面数据采集柜包含1台数据采集箱、2台接口箱，完成对一次设备、水冷系统等设备的高速数据采集和控制。
4）1面脉冲分配屏，包括2台脉冲箱，分别通过光纤连接阀组各功率单元主控板。根据阀控系统下发的控制命令，由脉冲板实现对每个功率模块的交叉控制，并将功率单元的状态反馈给阀控主机及录波装置。
闽侧HAPF的HP12/24滤波器保护与常规直流换流站无源滤波器保护配置基本一致，技术成熟，本文不再赘述。APF部分保护配置如图7所示，包含差动保护、中性点电抗器过负荷保护、阀组保护、Q1和Q2断路器失灵保护。其中，阀组保护又包含阀组过电流保护、阀组过电压保护、水冷系统故障保护、通信异常保护、控制装置异常保护、旁路超限（3个）保护、PT异常保护、子模块保护（直流过电压、直流欠电压、驱动异常、通信异常、电源异常）等。
图7 APF部分保护配置
2.2 粤侧SVG-APF控保系统设计方案
粤侧SVG-APF控制保护系统以单套SVG-APF为基本单元进行配置。每套SVG-APF的控制和保护设备独立配置，控制和保护采用不同主机，且采用双重化配置。单套SVG-APF的控制保护系统组柜配置如图8所示，共4面柜体。
图8 SVG-APF控制保护系统配置
控制系统与保护系统交叉通信。控制系统双套冗余配置，一主一备，单套控制系统柜由主控箱和脉冲分配箱构成；每套脉冲分配箱均与模块通信；任意N-1故障不停机，任意板块故障或者器件故障可在线更换。保护系统双套配置，不分主备，同时工作；由独立的保护箱构成；任意N-1故障不停机，可在线更换故障板块或故障器件。SVG-APF保护系统双套配置与HAPF一致，不再复述。
控制与保护装置具有内置故障录波功能，可在系统故障、电气量突变、开关量变化时启动录波，录波信号包括模块触发脉冲、回馈信号、系统间交互信号等。装置提供以太网接口，以IEC 61850通信规约与站内保护及故障信息管理子站通信。
粤侧SVG-APF保护配置分为支路保护和阀组保护。支路保护范围从SVG-APF支路开关QF2下端CT至末端中性点区域；阀组保护则是保护SVG- APF整个换流阀组。SVG-APF保护配置如图9所示。
图9 SVG-APF保护配置
支路保护配置有：过电流保护、断路器失灵保护、启动电阻过负荷保护、启动电阻过电流保护、差动保护、中性点电抗器过负荷保护。阀组保护配置有：阀组过电流、阀组直流过电压、阀组直流欠电压、旁路功率模块个数超限（2个）、控制装置异常、冷却系统异常、系统过电压、系统欠电压、高频保护、低频保护、断相保护、驱动故障、模块电源故障、单元通信故障、旁路失败、阀组过温、单元直流过电压、单元直流欠电压保护。
3 接口设计方案
3.1 闽侧HAPF接口设计方案
闽侧HAPF控制主机与直流站控系统接口方案是通过光纤采用IEC 60044—8通信协议进行交叉通信，其通信示意图如图10所示，其信息交互内容见表1。
图10 控制主机与直流站控系统通信图
HAPF控制主机与交流滤波器保护接口方案是通过电缆进行交叉通信，其通信示意图如图11所示。交流滤波器大组保护和交流滤波器小组保护通过硬线将跳闸信号传送给HAPF控制主机，控制主机收到跳闸信号后，输出零电平，同时闭合Q1，再闭锁阀组，同时跳开Q2。
表1 控制主机与站控系统信息交互内容
图11 控制主机与交流滤波器保护通信
为了使闽侧HAPF控制系统能更精确地采集直流单元注入500kV系统的谐波电压和谐波电流信号，本工程通过南瑞继保公司的光纤电子式互感器+合并单元方式进行采集。HAPF控制系统与合并单元之间通过多模光纤采用IEC 60044—8通信协议互联。为了保证HAPF的滤波性能，要求精确采集3、5、7、11、13、23、25、35、37、47、49次谐波分量信号，考虑采样率需高于最高次（49次）谐波7～８倍的要求，采样率需不小于20kHz，本工程采样率为50kHz。
由于实际工程应用中控制系统还需进行幅值和相位（延时）补偿系数调整，因此要求整个采集链路的传输延时测试准确，并要求合并单元具备相应的延时稳定性。另外，为了便于调试期间在直流单元未带电时进行HAPF带电试验，而此时光纤电子式电压、电流互感器无信号输出，HAPF无法采集系统电压进行锁相等控制，因此需增加一备用系统电压采集切换回路。
3.2 粤侧SVG-APF接口设计方案
粤侧SVG-APF控制系统与直流站控接口方案与闽侧HAPF相同，SVG-APF控制系统与站控系统信息交互内容见表2。
表2
粤侧SVG-APF滤波功能主要是滤除低次谐波，因此无需通过光纤电子式互感器+合并单元方式采集交流500kV系统高次谐波电压和谐波电流，采用传统电磁式互感器已能满足采样精度要求。
4 结论
在以往直流工程中多采用无源滤波器滤除谐波，其滤波特性受系统阻抗影响较大，每台仅能滤除特定次数谐波，甚至对某次谐波还可能有放大作用，在谐波电流增大时无源滤波器负担随之加重，容易造成过载现象，另外无源滤波器难以兼顾直流工程的滤波、无功补偿和调压需求。
相比无源滤波器，HAPF和SVG-APF除具有高度可控性和快速响应性外还有如下优点：①一机多能，不仅能同时补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功等，性价比高；②滤波特性不受系统阻抗影响，可避免与系统阻抗发生谐振的危险；③具有自适应功能，可自动跟踪补偿谐波等。
HAPF和SVG-APF克服了有源滤波器在高压领域的应用困难，在背靠背闽粤联网直流工程首次成功应用，可为后续直流工程有源滤波器设计提供参考。
本文编自2022年第8期《电气技术》，论文标题为“闽粤联网工程有源滤波器设计方案及其二次控保系统研究”，作者为陈明泉。
