閩粵聯網工程作為國家電力發展“十四五”規劃重點建設項目，是國家明確的基礎設施補短板重點輸變電工程，也是國家電網和南方電網聯網的標志性工程。閩粵聯網工程采用常規直流背靠背雙單元接線方式，直流額定電壓為±100kV，輸送容量2000MW，每個單元兩組12脈動換流器，包括整流器和逆變器各一組，粵側12脈動換流器中點（2個6脈動換流橋之間）接地，具有雙向的功率輸送能力。

換流站閩側新建2回500kV線路，接至閩側的500kV東林變電站；換流站粵側新建2回500kV線路，接至粵側的500kV嘉應變電站。在常規直流輸電系統中，換流單元需消耗大量無功，本身又是個很大諧波源，向電網注入大量諧波，為保證直流系統在各種運行工況下將換流站交流母線電壓畸變率和電流波形畸變系數限制在規定范圍內，需在換流站配置一定數量的濾波器，從而在達到濾波目標的同時為換流站提供無功支撐。

1 總體設計方案

換流站一次主接線如圖1所示。本工程設計在換流站閩側和粵側交流站各配置9組無源濾波器（passive filter, PF）。閩側配置為2組HP12/24型無源濾波器、7組并聯電容器（shunt capacitor, SC）；粵側配置為3組BP11/13型無源濾波器、3組HP24/36型無源濾波器、2組HP3型無源濾波器、1組并聯電容器。其中，閩側加裝混合式有源濾波器（hybrid active power filter, HAPF），主要用途為取代無源濾波器對諧波進行濾除。

粵側加裝升壓式有源濾波器（active power filter, APF），主要用途有：①粵側系統故障交流電壓跌落時進行暫態快速無功補償，支撐電網電壓；②穩態時減小換流站和交流系統的無功交換，減小無源濾波器投切時的系統無功波動；③濾除低頻諧波。因此，粵側有源濾波器即靜止無功發生器（static var generator, SVG），其作用相當于其他常規直流工程中的調相機，同時又是有源濾波器，下面統稱SVG-APF。

目前，閩粵聯網工程中HAPF和SVG-APF應用方案尚屬國內常規直流工程中首次應用。由于無源濾波器技術成熟且應用較為普遍，所以本文主要針對有源濾波器在閩粵聯網工程中的設計方案及其二次控保系統和接口方案進行分析說明。

圖1 換流站一次主接線

1.1 閩側HAPF設計方案

1）閩側HAPF系統構成

閩側配置兩臺榮信匯科電氣股份有限公司生產的混合式有源濾波器，每臺包含HP12/24雙調諧高通型無源濾波器（下面簡稱HP12/24濾波器）和APF兩部分，兩者以串聯方式接入換流站500kV系統，其中APF部分換流閥采用鏈式級聯拓撲結構，級聯的子模塊采用全橋結構，單個子模塊額定電壓2400V、額定電流720A，主要由IGBT、二極管、電容器、快速旁路開關、均壓電阻等一次元器件和中控板、取能電源、驅動板、旁路開關觸發板等二次板卡組成。

每相換流閥由1個橋臂構成，每個橋臂由2個閥塔組成，每相子模塊數量28個，含2個冗余子模塊。閩側HAPF拓撲結構如圖2所示。

圖2 閩側HAPF拓撲結構

HP12/24濾波器部分無功容量140Mvar，在600Hz和1200Hz處有調諧點，用于濾除11、13、23、25次諧波，諧波阻抗小且具有高通特性，因此APF部分輸出較小的電壓就可以實現高頻諧波電流控制，所需級聯的功率單元數量較少。同時由于HP12/24濾波器的基波阻抗很大，500kV系統的基波電壓大部分施加在HP12/24濾波器上，APF部分承受的基波電壓很低，所以HAPF不具備無功調節能力。

另外，APF部分在運行過程中需要維持功率單元電容電壓在額定值且有能量損耗，因此APF部分在濾除諧波的同時需吸收少量有功功率來彌補損耗。由于HP12/24濾波器接入電網后會產生一容性無功電流，APF部分僅需調制出與無功電流相位相同的基波電壓就可實現有功功率的吸收，以維持自身能量穩定。

2）閩側HAPF運行控制模式

閩側HAPF運行控制模式分為電流控制模式和阻抗（電壓）控制模式。

電流控制模式：其原理是通過對直流換流單元輸出電流進行諧波采集分析，根據采集的諧波電流信號，HAPF控制APF支路輸出一反相諧波電流進行補償，以降低流入電網中的諧波電流。因此電流控制模式的諧波補償效果受諧波電流采集精度影響，與系統阻抗大小無關。

電流控制模式控制框圖如圖3所示，其中諧波提取環節采用離散傅里葉變換（discrete Fourier transfer, DFT）算法進行諧波提取，根據電流互感器頻率特性對提取出的諧波進行修正，減小電流互感器采樣與傳輸延時帶來的影響。諧波電流控制環節采用具有相位補償功能的比例-諧振調節器，可以彌補控制延時帶來的不利影響，提高系統的穩定性。

圖3 電流控制模式控制框圖

阻抗（電壓）控制模式：以往阻抗控制模式需要采集交流母線諧波電壓進行控制，而實際應用中由于系統電壓很高，普通的電壓采集裝置很難精確采集到諧波電壓信號，并且電壓采樣延時較大，因此工程中不建議直接通過采集諧波電壓信號進行諧波電壓控制。

本工程HAPF采集交流母線電壓僅為了進行鎖相控制和抑制電網的3、5、7次背景諧波，其阻抗控制模式原理是通過模擬近似無源濾波器的特性，在需補償的諧波頻率點上使APF支路呈現出較小的阻抗特性，達到被動吸收諧波電流的目的。因此阻抗控制模式的濾波能力受電網阻抗影響較大。從阻抗角度看，APF支路的阻抗可以寫為：

式（1）

式（1）中：ZLC為APF支路無源器件構成的阻抗；Zctrl為APF支路電流控制器傳遞函數產生的阻抗。阻抗控制模式只需采集APF支路電流，通過設計合理的電流控制傳遞函數在局部頻率上抵消ZLC的作用，使APF支路呈現低阻抗特性。APF支路在諧波點呈現出的阻抗越小，則諧波電壓抑制作用越好，但要避免出現負阻抗現象導致的不穩定問題。阻抗控制模式控制框圖如圖4所示。

圖4 阻抗控制模式控制框圖

3）閩側HAPF運行投退控制策略

HAPF的HP12/24濾波器和APF支路投退控制策略：若投運前HP12/24濾波器和APF支路均可用，則HAPF接收直流站控系統投運指令將HP12/24濾波器和APF支路同時投入運行；若投運前APF支路不可用，則可僅將HP12/24濾波器投入運行，即HAPF轉換成HP12/24無源濾波器模式運行。

為了避免APF支路中串聯的5mH限流電感L3使HP12/24濾波器的調諧點發生偏移，HP12/24濾波器的電感L1的電感值設計成24.62mH和19.62mH兩檔，可在停運時進行手動調節。所以在HP12/24+APF模式（L1運行在19.62mH檔）轉換成HP12/24無源濾波器模式運行時，若電感L1檔位未手動調回至24.62mH檔，HP12/24濾波器的調諧點將發生偏移，影響濾波效果，此時需限制直流單元輸送功率至0.5p.u.以下，同時退出換流器無功功率控制，防止換流器在大功率運行或無功功率控制時增大換流閥側觸發延遲角造成系統諧波含量過大。

兩臺HAPF間投退控制策略：直流單元解鎖前，閩側兩臺HAPF以阻抗控制模式投運一臺，解鎖后隨著直流單元功率上升按控制策略要求再次以阻抗控制模式投運第二臺。當第一臺HAPF檢測到第二臺HAPF投運時自動切換至諧波電流控制模式運行，兩臺HAPF均用于濾除12k±1（k =1, 2, 3,…）特征次諧波及3、5、7次背景諧波。

考慮諧波電流控制模式運行時，受高次諧波采樣精度影響造成濾波效果不佳，甚至可能造成高頻振蕩的問題，本工程HAPF運行于諧波電流控制模式時優先濾除低次諧波。同時，若HAPF檢測出某次諧波測量數據異常時，可單獨退出某次諧波的濾除功能，該次諧波由該次調諧點的無源濾波器濾除。兩臺HAPF投運后，當一臺HAPF故障切除后，剩余一臺HAPF自動切換為阻抗控制模式，但當兩臺HAPF不可用且兩臺HP12/24濾波器不可用時，直流單元禁止解鎖。

1.2 粵側SVG-APF設計方案

1）粵側SVG-APF系統構成

粵側配置思源清能電氣電子有限公司生產的2臺升壓式有源濾波器SVG-APF，額定電壓40.5kV（實際運行電壓為35kV），額定電流2 080A，三相鏈式星接拓撲，每個換流鏈由16只功率模塊串聯構成，含1個冗余功率模塊，經升壓變壓器35kV側母線接入500kV系統中。粵側升壓式SVG-APF拓撲結構如圖5所示。

圖5 粵側升壓式SVG-APF拓撲結構

2）粵側SVG-APF運行控制模式

粵側SVG-APF的SVG部分控制原理在文獻[11]中已有詳細描述，本文不再贅述。本工程SVG不同之處在于它集成了APF功能，使用SVG剩余能力來濾除直流換流單元產生的低次諧波電流，其原理相當于一臺可控電流源，控制電流源輸出與直流換流單元相反的諧波電流與之相互抵消。

粵側SVG-APF運行控制模式：

①恒無功控制模式，直流站控系統在定無功控制模式下，SVG-APF實時接收直流站控系統下發的無功功率命令值，輸出對應的無功功率，輸出范圍為感性無功功率40～120Mvar；

②諧波補償模式，實時監測跟蹤電網目標點諧波變化，輸出相應諧波補償電流，補償換流站的3、5、7次背景諧波電流，同時在直流單元功率100MW時可輸出感性無功40～100Mvar，配合動態無功功率控制，直流單元功率上升至450MW以上時無功出力固定為0Mvar，僅進行諧波補償；

③恒電壓控制模式，直流站控系統在定交流電壓控制模式下，SVG-APF控制器根據實測電壓值及直流站控系統下發的電壓目標值，實時計算SVG-APF所需的無功出力，并輸出對應的無功功率；

④暫態快速無功補償控制模式（暫態強勵模式），僅用于工程的交流側故障穿越，當檢測到交流電壓低于475kV時，運行于無功補償模式的SVG-APF進入暫態強勵模式，瞬時增加160Mvar動態無功輸出，待交流電壓恢復至495kV以上或者強勵時間超過10s后，該SVG-APF退出暫態強勵模式，返回原穩態控制模式。

3）粵側SVG-APF運行投退控制策略

粵側SVG-APF與交流站無源濾波器投退實時配合，實現換流站動態無功功率控制和諧波補償功能。對于動態無功功率控制配合，無源濾波器按站控無功功率控制死區進行投切，在無源濾波器投入時刻，SVG-APF無功出力受站控指令將無功輸出調至設定的最大感性無功值；在無源濾波器切除時刻，SVG-APF無功出力按站控指令將無功輸出調至設定的最小感性無功值，以減小無源濾波器投切引起的交流系統無功功率和交流電壓大幅波動。對于諧波補償配合，運行于諧波補償模式的SVG-APF在功率升降、無源濾波器的投切過程中，始終進行低次諧波的濾除。

粵側兩臺SVG-APF間投退控制策略：

①兩臺SVG-APF互為冗余備用，當兩臺SVG-APF均可用時，一臺運行于恒無功控制模式，另一臺運行于諧波補償模式；

②若僅一臺SVG-APF可用時，其僅運行于無功補償模式，即如果運行于恒無功控制模式的SVG-APF出現故障，運行于諧波補償模式的SVG-APF立即自動切換為恒無功控制模式繼續運行；

③兩臺SVG-APF均有暫態強勵能力，若兩臺均可用時，運行于無功補償模式的SVG-APF進入暫態強勵模式直至退出的整個過程中，另一臺運行于諧波補償模式的SVG-APF保持進入暫態強勵模式前一時刻的無功出力不變，同時退出濾波功能，在暫態強勵模式退出時恢復原穩態控制模式；

④直流單元解鎖前，若兩臺SVG-APF不可用時，直流單元禁止解鎖。解鎖后，運行中兩臺SVG-APF不可用時，需限制直流單元輸送功率至調度允許值以下，若此時直流單元無功功率控制處退出狀態，即直流單元已無法通過控制換流器的觸發延遲角來減小無源濾波器投切引起的無功功率和交流電壓波動，可能造成換流變分接頭反復調節，此時站控系統會自動投入無功功率控制，若無法投入則直流單元需停運。

2 控保系統設計方案

2.1 閩側HAPF控保系統設計方案

閩側HAPF控制保護以單套HAPF為基本單元進行配置。單套HAPF的控制和保護設備獨立配置，控制和保護采用不同主機，且采用雙重化配置。保護系統雙套不分主備，同時工作，一套故障不影響另一套正常運行。

跳閘邏輯采用“啟動+動作”模式，啟動和動作的元件及回路完全獨立。保護每一重的測量回路、電源回路、出口跳閘回路及通信接口回路均完全獨立。閥組保護裝設在控制系統裝置中，其他保護元件裝設于獨立的保護主機中。

控制主機一主一備，任一個系統發生故障或系統維護時，不影響正常系統的運行。主控制器與備用控制器之間通過冗余的光纖通信實現備套對主套的跟隨，主備套切換過程不會引起系統波動。本工程單套HAPF的控制保護系統組柜配置如圖6所示，共6面柜體。

圖6 HAPF控制保護系統配置

1）2面互為冗余的控制保護柜A、B，每面控制保護柜包含1臺閥主控箱、1臺閥保護箱、1臺綜保裝置、1臺控制交換機、1臺保護交換機，實現對HAPF的控制和保護功能，以及對閥組的漏水檢測進行監控。同時，將控制數據以IEC 61850通信規約上傳至運行人員工作站和數據孿生網，將保護數據以IEC 61850通信規約上傳至保信子站和數據孿生網，將控制數據以IEC 60044—8上傳至直流控保。

2）1面監控錄波柜，包括1臺錄波箱、1臺工控機+顯示器、1臺錄波交換機、2臺數據孿生網交換機A、B。監控錄波柜用于顯示HAPF目前狀態及進行人機交互，錄波箱負責對整個系統出現的故障進行錄波，并將數據傳送給人機界面。

3）2面互為冗余的數據采集柜A、B，每面數據采集柜包含1臺數據采集箱、2臺接口箱，完成對一次設備、水冷系統等設備的高速數據采集和控制。

4）1面脈沖分配屏，包括2臺脈沖箱，分別通過光纖連接閥組各功率單元主控板。根據閥控系統下發的控制命令，由脈沖板實現對每個功率模塊的交叉控制，并將功率單元的狀態反饋給閥控主機及錄波裝置。

閩側HAPF的HP12/24濾波器保護與常規直流換流站無源濾波器保護配置基本一致，技術成熟，本文不再贅述。APF部分保護配置如圖7所示，包含差動保護、中性點電抗器過負荷保護、閥組保護、Q1和Q2斷路器失靈保護。其中，閥組保護又包含閥組過電流保護、閥組過電壓保護、水冷系統故障保護、通信異常保護、控制裝置異常保護、旁路超限（3個）保護、PT異常保護、子模塊保護（直流過電壓、直流欠電壓、驅動異常、通信異常、電源異常）等。

圖7 APF部分保護配置

2.2 粵側SVG-APF控保系統設計方案

粵側SVG-APF控制保護系統以單套SVG-APF為基本單元進行配置。每套SVG-APF的控制和保護設備獨立配置，控制和保護采用不同主機，且采用雙重化配置。單套SVG-APF的控制保護系統組柜配置如圖8所示，共4面柜體。

圖8 SVG-APF控制保護系統配置

控制系統與保護系統交叉通信。控制系統雙套冗余配置，一主一備，單套控制系統柜由主控箱和脈沖分配箱構成；每套脈沖分配箱均與模塊通信；任意N-1故障不停機，任意板塊故障或者器件故障可在線更換。保護系統雙套配置，不分主備，同時工作；由獨立的保護箱構成；任意N-1故障不停機，可在線更換故障板塊或故障器件。SVG-APF保護系統雙套配置與HAPF一致，不再復述。

控制與保護裝置具有內置故障錄波功能，可在系統故障、電氣量突變、開關量變化時啟動錄波，錄波信號包括模塊觸發脈沖、回饋信號、系統間交互信號等。裝置提供以太網接口，以IEC 61850通信規約與站內保護及故障信息管理子站通信。

粵側SVG-APF保護配置分為支路保護和閥組保護。支路保護范圍從SVG-APF支路開關QF2下端CT至末端中性點區域；閥組保護則是保護SVG- APF整個換流閥組。SVG-APF保護配置如圖9所示。

圖9 SVG-APF保護配置

支路保護配置有：過電流保護、斷路器失靈保護、啟動電阻過負荷保護、啟動電阻過電流保護、差動保護、中性點電抗器過負荷保護。閥組保護配置有：閥組過電流、閥組直流過電壓、閥組直流欠電壓、旁路功率模塊個數超限（2個）、控制裝置異常、冷卻系統異常、系統過電壓、系統欠電壓、高頻保護、低頻保護、斷相保護、驅動故障、模塊電源故障、單元通信故障、旁路失敗、閥組過溫、單元直流過電壓、單元直流欠電壓保護。

3 接口設計方案

3.1 閩側HAPF接口設計方案

閩側HAPF控制主機與直流站控系統接口方案是通過光纖采用IEC 60044—8通信協議進行交叉通信，其通信示意圖如圖10所示，其信息交互內容見表1。

圖10 控制主機與直流站控系統通信圖

HAPF控制主機與交流濾波器保護接口方案是通過電纜進行交叉通信，其通信示意圖如圖11所示。交流濾波器大組保護和交流濾波器小組保護通過硬線將跳閘信號傳送給HAPF控制主機，控制主機收到跳閘信號后，輸出零電平，同時閉合Q1，再閉鎖閥組，同時跳開Q2。

表1 控制主機與站控系統信息交互內容

圖11 控制主機與交流濾波器保護通信

為了使閩側HAPF控制系統能更精確地采集直流單元注入500kV系統的諧波電壓和諧波電流信號，本工程通過南瑞繼保公司的光纖電子式互感器+合并單元方式進行采集。HAPF控制系統與合并單元之間通過多模光纖采用IEC 60044—8通信協議互聯。為了保證HAPF的濾波性能，要求精確采集3、5、7、11、13、23、25、35、37、47、49次諧波分量信號，考慮采樣率需高于最高次（49次）諧波7～８倍的要求，采樣率需不小于20kHz，本工程采樣率為50kHz。

由于實際工程應用中控制系統還需進行幅值和相位（延時）補償系數調整，因此要求整個采集鏈路的傳輸延時測試準確，并要求合并單元具備相應的延時穩定性。另外，為了便于調試期間在直流單元未帶電時進行HAPF帶電試驗，而此時光纖電子式電壓、電流互感器無信號輸出，HAPF無法采集系統電壓進行鎖相等控制，因此需增加一備用系統電壓采集切換回路。

3.2 粵側SVG-APF接口設計方案

粵側SVG-APF控制系統與直流站控接口方案與閩側HAPF相同，SVG-APF控制系統與站控系統信息交互內容見表2。

表2

粵側SVG-APF濾波功能主要是濾除低次諧波，因此無需通過光纖電子式互感器+合并單元方式采集交流500kV系統高次諧波電壓和諧波電流，采用傳統電磁式互感器已能滿足采樣精度要求。

4 結論

在以往直流工程中多采用無源濾波器濾除諧波，其濾波特性受系統阻抗影響較大，每臺僅能濾除特定次數諧波，甚至對某次諧波還可能有放大作用，在諧波電流增大時無源濾波器負擔隨之加重，容易造成過載現象，另外無源濾波器難以兼顧直流工程的濾波、無功補償和調壓需求。

相比無源濾波器，HAPF和SVG-APF除具有高度可控性和快速響應性外還有如下優點：①一機多能，不僅能同時補償各次諧波，還可抑制閃變、補償無功等，性價比高；②濾波特性不受系統阻抗影響，可避免與系統阻抗發生諧振的危險；③具有自適應功能，可自動跟蹤補償諧波等。

HAPF和SVG-APF克服了有源濾波器在高壓領域的應用困難，在背靠背閩粵聯網直流工程首次成功應用，可為后續直流工程有源濾波器設計提供參考。

本文編自2022年第8期《電氣技術》，論文標題為“閩粵聯網工程有源濾波器設計方案及其二次控保系統研究”，作者為陳明泉。