Подробный анализ технического отчета IEC TR 62544
Технический отчет Международной электротехнической комиссии (IEC) IEC TR 62544:2020 «Системы постоянного тока высокого напряжения — применение активных фильтров» является важным руководящим документом в области передачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC). Впервые опубликованный в 2011 году, отчет был пересмотрен в 2016 и 2020 годах, в результате чего появилась текущая объединенная версия 1.2. Поскольку это скорее технический отчет, чем международный стандарт, его цель — собрать данные о «текущем состоянии технологического развития», предоставить рекомендации для инженерной практики, а не устанавливать обязательные требования.
Предыстория и технологическая эволюция стандарта
С созданием глобального энергетического интернета и масштабным подключением возобновляемых источников энергии к сети, технология передачи HVDC вступила в период быстрого развития.
Традиционные тиристорные преобразователи с коммутацией по линии (LCC-HVDC) и перспективные преобразователи напряжения с источником (VSC-HVDC), основанные на полностью управляемых устройствах, генерируют как характеристические, так и нехарактеристические гармоники во время работы. Если эти гармоники не подавляются, они приводят к ряду проблем, таких как перегрев оборудования, сбои в работе защиты и помехи связи. Пассивные фильтры долгое время были основным решением для подавления гармоник в системах HVDC благодаря своей простой конструкции и низкой стоимости. Однако пассивные фильтры имеют существенные недостатки: их эффективность фильтрации сильно зависит от импеданса системы, что делает их склонными к резонансу с электросетью; они могут быть спроектированы только для определенных гармоник, что приводит к низкой гибкости; и они громоздки и занимают много места. С развитием технологий силовой электроники использование активных силовых фильтров (АФФ) стало новым способом повышения эффективности подавления гармоник. Разработка стандарта IEC TR 62544 направлена на систематический обзор текущего состояния применения, технических принципов и инженерной практики активных силовых фильтров в области высоковольтных линий постоянного тока (HVDC), восполняя пробел в стандартизированных руководящих документах в этой области. От первоначальной версии в 2011 году до консолидированной версии в 2020 году эволюция этого технического отчета отражает быстрое развитие технологии активных фильтров. Изменения в основном касаются обновления полупроводниковых приборов (таких как повышение производительности IGBT и IGCT), оптимизации стратегии управления (например, применение технологии цифровой обработки сигналов) и новых требований к фильтрам VSC-HVDC.
Основные концепции и система терминологии
В главе 3 отчета представлена четкая система технической терминологии, которая имеет фундаментальное значение для понимания последующего содержания.
Определения активных и пассивных фильтров
Активный фильтр: Устройство, использующее управляемые силовые полупроводниковые приборы (такие как IGBT и GTO) для подавления гармоник путем обнаружения гармонических токов в реальном времени и введения компенсирующего тока или напряжения. Его суть заключается в «активном» генерировании управляющих сигналов.
Пассивный фильтр: Резонансный LC-контур, состоящий из пассивных компонентов, таких как индукторы, конденсаторы и резисторы, использующий свои импедансно-частотные характеристики для обеспечения низкоимпедансного пути для гармонических токов. В отчете прямо указано, что данный отчет **специально посвящен активным фильтрам**, а пассивные фильтры не рассматриваются (но будут использоваться в качестве сравнительного примера).
Классификация топологий активных фильтров
В зависимости от способа подключения к системе, они в основном делятся на две категории:
- Параллельные активные фильтры: Наиболее распространенный тип, подключаемый параллельно нагрузке или источнику гармоник. Путем подачи компенсирующего тока, равного по величине и противоположного по направлению току гармоник, ток на стороне источника питания становится синусоидальным. Подходит для подавления гармоник, возникающих в результате работы источника тока.
- Последовательные активные фильтры: Подключаются последовательно с системой, обычно используются в сочетании с пассивными фильтрами. Их основная функция заключается в улучшении характеристик пассивных фильтров, подавлении резонанса системы, что эквивалентно управляемому источнику напряжения. Подходит для подавления гармоник источника напряжения или фоновых гармонических напряжений системы.
Ключевая терминология для топологии преобразователя
В отчете различают два основных типа преобразователей, которые составляют силовое ядро активных фильтров мощности:
- Преобразователь с источником тока: на стороне постоянного тока в качестве элемента накопления энергии используется большой индуктор, а выходная характеристика представляет собой источник тока. Структура относительно проста, но динамический отклик медленный, требующий схемы принудительной коммутации.
- Преобразователь с источником напряжения: на стороне постоянного тока в качестве элемента накопления энергии используется большой конденсатор, а выходная характеристика представляет собой источник напряжения. В настоящее время это основной выбор благодаря широкому использованию полностью управляемых устройств, таких как IGBT. Для улучшения качества выходного сигнала могут использоваться двухуровневые, трехуровневые или многоуровневые топологии.
Анализ технологии активных фильтров мощности на стороне постоянного тока HVDC
Глава 5 посвящена проблемам гармоник на стороне постоянного тока.
Гармоники на линиях HVDC в основном генерируются нелинейным переключением преобразователя, с характерными порядками гармоник **n=k·p** (где p — число пульсаций; для 12-пульсационного преобразователя p=12). Эти гармоники могут создавать помехи линиям связи вдоль линии и влиять на само оборудование преобразовательной станции. В отчете вводится важная концепция: компромисс между допустимыми уровнями помех и стоимостью фильтров. Как показано на рисунке 3, стоимость фильтров экспоненциально возрастает с ужесточением ограничений на гармонические помехи в линиях постоянного тока (обычно выражаемые как эквивалентный ток помех Ieq). Ценность активных фильтров заключается в их способности соответствовать строгим стандартам по гармоникам, одновременно потенциально обеспечивая более низкую стоимость жизненного цикла в определенных сценариях за счет более компактной конструкции и лучшей адаптивности. H3>Структура и способы подключения активного фильтра постоянного тока
Типичный активный фильтр постоянного тока состоит из пассивной секции, трансформатора тока, системы управления, усилителя (т. е. преобразователя мощности) и схемы защиты. Пассивная секция обычно представляет собой фильтр верхних или полосовых частот, используемый для распределения части задач подавления гармоник, что снижает требуемую мощность и уровень напряжения активной секции.
В отчете подробно описаны несколько возможных способов подключения (рисунок 6), в основном включающих:
- Тип с чистой активной инжекцией: Активная секция напрямую вводит компенсационный ток в линию.
- Гибридный последовательный тип "актив-пассив": Активная секция подключается последовательно с пассивным фильтром, активно регулируя импедансные характеристики пассивной ветви. **Гибридный параллельный тип "актив-пассив":** Активный компонент подключается параллельно с пассивным фильтром, в основном для улучшения характеристик пассивного фильтра или обеспечения дополнительной возможности подавления гармоник. При выборе способа подключения необходимо всесторонне учитывать такие факторы, как гармонический спектр, импеданс системы, стоимость и надежность. Стратегия управления и примеры производительности. Суть управления активным фильтром постоянного тока заключается в **обнаружении гармонических токов в реальном времени и генерации соответствующих команд компенсации**. В отчете представлены два основных метода управления: Управление с обратной связью: обнаруживает остаточный гармонический ток после точки установки фильтра (т.е. эффект фильтрации) и использует его в качестве входного сигнала для контроллера для формирования замкнутого контура регулирования. Его преимущество заключается в возможности автоматической адаптации к изменениям системы, но могут быть проблемы со стабильностью. Управление с прямой связью: обнаруживает гармонический ток, генерируемый преобразователем (выше по потоку), и непосредственно использует его в качестве команды компенсации. Оно обладает высокой скоростью отклика, но не может компенсировать влияние изменений импеданса системы. На практике для баланса скорости и точности часто используется **комбинированное управление с прямой и обратной связью**. В этом отчете в качестве примера **проекта соединения HVDC Skagerrak 3** демонстрируется превосходная производительность активных фильтров постоянного тока. Данные измерений (таблица 3, рисунок 12) показывают, что после установки активного фильтра основные характеристические гармонические токи (12-й, 24-й и 36-й) значительно снижаются, а эквивалентный интерференционный ток соответствует строгим требованиям планирования.
| Порядок гармоник | Ток без фильтра (A) | Ток с активным фильтром (A) | Коэффициент затухания |
| 12-я гармоника | 15.2 | 1.8 | 88% |
| 24-я гармоника | 6.7 | 0.9 | 87% |
| 36-я гармоника | 3.1 | 0.5 | 84% |
Анализ технологии активных фильтров на стороне переменного тока высоковольтных линий постоянного тока
Шестая глава является самой длинной и систематически рассматривает применение активных фильтров на стороне переменного тока. Гармоники на стороне переменного тока преобразовательных станций высоковольтных линий постоянного тока более сложны. Помимо характеристических гармоник, могут также присутствовать нехарактеристические гармоники и межгармоники, а сопротивление системы сильно варьируется, что затрудняет их подавление.
Проблемы гармоник на стороне переменного тока и ограничения пассивных фильтров
Традиционные решения включают в себя настройку нескольких наборов однонастроенных, двухнастроенных и высокочастотных пассивных фильтров. Однако существуют существенные ограничения:
- Фиксированная настройка: При фиксированных параметрах фильтра, когда частота системы или параметры компонентов изменяются, качество фильтрации ухудшается, и из-за расстройки он может даже стать каналом усиления гармоник.
- Риск резонанса: Пассивные фильтры и импеданс системы могут резонировать параллельно или последовательно на определенных частотах, что приводит к усилению гармоник и представляет опасность для безопасности оборудования.
- Размер и стоимость: Для соответствия строгим стандартам гармоник часто требуется большое количество фильтрующих блоков, что приводит к большим габаритам и высоким затратам.
Для решения проблемы расстройки появились **пассивные фильтры с непрерывной настройкой** (рис. 13), которые отслеживают изменения системы в реальном времени с помощью регулируемых реакторов. Однако это увеличивает сложность системы и затраты на техническое обслуживание.
Схема подключения активного фильтра и выбор топологии
В высоковольтной среде переменного тока HVDC активные фильтры обычно не подключаются напрямую к высоковольтной шине, а соединяются через **согласующие трансформаторы** или в сочетании с **пассивными фильтрами**.
В отчете представлен подробный анализ различных конфигураций: Активные фильтры низкого/среднего напряжения: Используются для снижения гармоник в системе электропитания преобразовательной станции или вспомогательных системах. Технология относительно зрелая, и обычно используются двух- или трехступенчатые преобразователи напряжения. Активные фильтры высокого напряжения: Непосредственно решают проблему снижения гармоник в шине переменного тока преобразовательной станции. Из-за ограничений уровней напряжения полупроводниковых приборов обычно используется гибридная схема «пассивный фильтр последовательно с активным компонентом» (рисунки 21 и 22). Пассивный фильтр обрабатывает большую часть основного напряжения и основных характеристических гармоник, в то время как активный компонент должен обеспечивать лишь небольшое компенсационное напряжение для подавления остаточных гармоник и затухающих резонансов, что значительно снижает мощность и стоимость активного компонента. В таблице 4 приведены рекомендуемые топологии преобразователей для различных сценариев применения, что дает четкие рекомендации для инженерного проектирования. Основной алгоритм управления: «Интеллект» активного фильтра отражен в его алгоритме управления. В отчете выделены два основных алгоритма: **Теория мгновенной реактивной мощности:** Этот метод разделяет гармонические составляющие тока посредством преобразования координат (α-β-преобразование). Он обладает низкой вычислительной сложностью, быстрым динамическим откликом и подходит для трехфазных сбалансированных систем. **Метод синхронной системы координат:** Этот метод преобразует трехфазный ток в систему координат dq, которая вращается синхронно с основным напряжением положительной последовательности. Основная составляющая положительной последовательности затем становится постоянной составляющей, которую можно легко выделить с помощью фильтра нижних частот. Оставшаяся составляющая представляет собой команду компенсации гармоник. Этот метод обладает некоторой устойчивостью к колебаниям частоты и позволяет добиться комплексной компенсации гармоник и реактивной мощности. Для применений HVDC алгоритм управления также должен учитывать особые факторы, такие как асимметрия системы переменного тока, колебания частоты и координация с системой управления преобразователем.
Комплексное сравнение и тематические исследования фильтрующих решений
Раздел 6.12 отчета содержит систематическое сравнение возможных фильтрующих решений для систем HVDC и проводит тематические исследования на основе стандартной модели CIGRÉ HVDC.
Полученные выводы имеют большую ценность для справки.
| Решение | Основные преимущества | Основные недостатки | Применимые сценарии | Стоимость |
| Традиционный пассивный фильтр | Зрелая технология, простая конструкция, высокая надежность, может обеспечивать поддержку реактивной мощности | Склонен к расстройке, может резонировать с системой, фиксированная производительность фильтрации, большие размеры | Подходит для ситуаций со стабильным импедансом системы, неэкстремальными гармоническими стандартами и достаточным пространством | Меньшие первоначальные инвестиции, но может привести к эксплуатационным потерям или затратам на расширение из-за расстройки |
| Пассивный фильтр с непрерывной настройкой | Избегает проблем с расстройкой, обеспечивает более стабильную работу фильтра | Сложная конструкция, высокие требования к техническому обслуживанию, регулируемый реактор имеет потери | Для применений с большими колебаниями частоты системы или там, где требуется оптимальная производительность фильтра в течение длительного периода | Высокие первоначальные инвестиции и затраты на техническое обслуживание в течение всего срока службы |
| Активный фильтр (гибридное решение) | Оптимальная производительность фильтрации, адаптация к изменениям системы, демпфирование резонанса, относительно компактные размеры | Технически сложный, содержит множество силовых электронных компонентов, сильно зависит от управления | Строгие гармонические стандарты, переменное сопротивление системы или риск резонанса, применение в условиях ограниченного пространства | Высокие первоначальные инвестиции, но может сэкономить общее пространство и стоимость за счет оптимизации пассивной секции |
| Непрерывно настраиваемый пассивно-активный гибрид | Сочетает в себе преимущества обоих типов фильтров, обеспечивая высочайший уровень эффективности фильтрации и адаптивности системы | Самая сложная система, самые высокие затраты и требования к техническому обслуживанию | Специальные и критически важные проекты с экстремальными требованиями к качеству электроэнергии | Наибольшие общие инвестиции |
Пример исследования (на основе модели CIGRÉ) показывает, что при соблюдении одинаковых стандартов гармоник (таких как IEEE 519) схема активно-пассивного гибридного фильтра может уменьшить количество пассивных фильтрующих блоков, тем самым экономя площадь и затраты, особенно в ситуациях, когда пропускная способность системы при коротком замыкании относительно невелика (слабая система) или гармонический фон сложен, преимущества более очевидны.
Особые соображения для фильтров системы VSC-HVDC
Раздел 6.13 отчета В частности, рассматривается проблема фильтрации в системах HVDC, использующих преобразователи напряжения. По сравнению с LCC-HVDC, VSC-HVDC имеет значительно отличающиеся гармонические характеристики:
- Более широкий спектр гармоник: Благодаря использованию высокочастотной ШИМ-модуляции основные гармоники концентрируются вблизи частоты переключения и ее гармоник, которые являются высокочастотными.
- Меньшая амплитуда гармоник: Применение многоуровневой технологии приближает выходной сигнал к синусоиде с низким содержанием характерных низкочастотных гармоник.
- Активная управляемость гармониками: VSC обладает быстрой управляемостью, и гармоники могут быть уменьшены на источнике за счет улучшения стратегий модуляции (например, с помощью специального фильтра подавления гармоник SHE).
Поэтому на стороне переменного тока VSC-HVDC обычно достаточно использовать маломощный фильтр верхних частот или простой LC-фильтр для фильтрации высокочастотных гармоник вблизи частоты переключения.
Сценарии применения активных фильтров в системах VSC-HVDC в основном связаны с подавлением фоновых гармоник или проблемами взаимодействия гармоник при параллельной работе нескольких преобразовательных станций.
Рекомендации по стандартной реализации и руководство по инженерному применению
На основе всесторонней интерпретации IEC TR 62544 даны следующие рекомендации по планированию, проектированию и закупке активных фильтров в проектах HVDC:
1. **Этап раннего планирования и выбора** **Проведение детального гармонического анализа:** Это включает в себя не только характерные гармоники, генерируемые самим преобразователем, но и оценку фоновых гармоник системы переменного тока, интерактивное воздействие нескольких цепей HVDC и вариации гармоник в различных режимах работы. Это является фундаментальной основой для определения необходимости и способа настройки активного фильтра. **Определение показателей производительности:** Используя такие стандарты, как серия IEC 61000 и IEEE 519, определите конкретные пределы для гармонического напряжения, гармонического тока и коэффициентов гармонической формы сигнала телефонной линии. Одновременно определите доступность фильтра, время отклика, перегрузочную способность и другие эксплуатационные показатели. **Проведение технико-экономического сравнения:** Проведите полный анализ затрат на протяжении всего жизненного цикла различных решений, включая чисто пассивные, непрерывно настраиваемые пассивные и гибридные активно-пассивные решения, всесторонне учитывая стоимость оборудования, стоимость площади, потери, затраты на техническое обслуживание и риски, которые могут возникнуть в результате превышения пределов гармоник.
2. Этап подготовки технической спецификации
- Четкое определение топологии и мощности: В технической спецификации должны быть четко определены топология (параллельная/последовательная/гибридная), уровень входного напряжения, согласование с пассивными компонентами, номинальная мощность (кВА) активных компонентов и кратковременная перегрузочная способность активного фильтра.
- Подробные требования к характеристикам: Помимо коэффициента суммарных гармонических искажений, должны быть указаны индивидуальные требования к ослаблению ключевых гармоник (таких как 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники). Для активных компонентов необходимо четко определить их полосу пропускания управления, точность компенсации и динамическое время отклика (обычно требуется, чтобы оно было менее 1-2 циклов промышленной частоты).
- Акцент на функциях управления и защиты: Система управления должна иметь комплексные стратегии управления, такие как прямая и обратная связь, а также функции связи и координации с системой управления преобразователем HVDC.
Система защиты должна надежно обрабатывать такие неисправности, как перенапряжение шины постоянного тока, перегрузка по току устройств и перегрев, и быть оснащена автоматическим байпасным переключателем, чтобы гарантировать, что отказ фильтра не повлияет на работу основной системы. Обратитесь к таблицам в отчете: Вы можете использовать форматы в Таблице 2 (требования к напряжению для активных компонентов в зависимости от выбора различных пассивных компонентов) и Таблице 5 (примеры требований к производительности) в отчете для составления собственной таблицы технических параметров. 3. Этап проверки и тестирования конструкции. Проверка моделирования: На этапе детального проектирования необходимо использовать программу моделирования электромагнитных переходных процессов (например, PSCAD/EMTDC) для моделирования всей системы HVDC, включая активный фильтр, с целью проверки его характеристик в различных установившихся и переходных режимах, особенно его поведения при изменении импеданса системы, коммутационных операциях и аварийных ситуациях. Заводские испытания: Перед отправкой с завода активный фильтр должен пройти строгие типовые и заводские испытания, включая испытания функций управления, испытания силового блока и испытания функций защиты. Рекомендуется использовать цифровой симулятор реального времени, подключенный к реальному контроллеру, для проведения испытаний с обратной связью (hardware-in-the-loop testing) с целью более реалистичной проверки его динамических характеристик. Полевые испытания системы: В соответствии с требованиями IEC 61975 «Высоковольтные устройства постоянного тока — системные испытания» необходимо провести испытания переключения фильтра, испытания гармонических характеристик и т. д. в полевых условиях, чтобы убедиться, что фактический эффект работы соответствует требованиям контракта. 4. Этап эксплуатации и технического обслуживания. Мониторинг состояния: Создание системы онлайн-мониторинга ключевых параметров активного фильтра (таких как температура перехода IGBT, напряжение конденсатора, температура радиатора и форма сигнала компенсационного тока) для обеспечения раннего предупреждения о неисправностях. Регулярное техническое обслуживание: Разработка процедур технического обслуживания силовых электронных устройств, включая регулярный осмотр системы охлаждения, очистку фильтров и проверку надежности электрических соединений. Программное обеспечение управления должно иметь систему управления версиями и резервного копирования. Оценка производительности: Регулярное проведение гармонических измерений для оценки того, ухудшилась ли производительность фильтра после длительной эксплуатации, и оценка необходимости оптимизации параметров управления на основе изменений в работе системы. Резюме и перспективы: Технический отчет IEC TR 62544:2020 систематически обобщает технологии применения активных силовых фильтров в области передачи постоянного тока высокого напряжения, отражая текущий международный консенсус и практический опыт в этой области. Его основная ценность заключается в: Предоставлении полной технической основы: от постоянного тока до переменного тока, от принципов до применений, от устройств до систем, создана четкая система знаний. Уточнение применимых сценариев: В отчете не утверждается, что активные фильтры мощности могут заменить все, но объективно анализируются их преимущества и недостатки, указывая на их уникальные преимущества в сценариях с изменяющимся сопротивлением системы, строгими стандартами гармоник и ограниченным пространством. - Руководство по инженерной практике: Благодаря определениям терминологии, классификации топологий, введению в методы управления и практическим примерам, он предоставляет практические рекомендации для инженеров и покупателей.
С развитием широкозонных полупроводниковых приборов (таких как SiC и GaN) их более высокие рабочие частоты, меньшие потери при переключении и более высокая термостойкость приведут к революционным изменениям в активных фильтрах мощности: меньшие размеры, более высокая эффективность и меньшая стоимость.
В то же время внедрение искусственного интеллекта и технологии цифровых двойников сделает управление активными фильтрами мощности более интеллектуальным, способным прогнозировать изменения гармоник и действовать заблаговременно, обеспечивая переход от «управления» к «предотвращению».В будущем активные фильтры мощности будут дополнительно интегрированы с устройствами FACTS и интегрированными регуляторами качества электроэнергии, став одним из ключевых устройств для построения высоконадежной новой системы электроснабжения с высоким качеством электроэнергии. Стандарт IEC TR 62544, как важная веха в этом процессе, заслуживает пристального внимания со стороны отрасли в связи с его постоянными пересмотрами и обновлениями.