采用感應濾波設計的雙調諧濾波器綜合技術

1 前 言

換流變壓器及濾波裝置是直流輸電系統中的重大技術裝備。傳統的換流變壓器及濾波方 案雖然廣泛應用，但并不完善。傳統濾波方案將濾波器安裝于交流母線與換流變壓器網側繞 組之間。這使得由換流器產生的諧波電流和無功電流均要通過變壓器的網側、閥側繞組。這 必然會在鐵心和結構件中通過較強的諧波磁通，使得變壓器絕緣強度加大，損耗增加，振動 和噪聲大[1-2]。

針對上述問題，本文提出了一種新型換流變壓器及其濾波系統，它是利用電磁感應原理 在副邊繞組間實現諧波磁勢平衡的諧波抑制新方法，稱之為感應濾波[3-5]；分析了該濾波新 方法的諧波抑制機理；在此基礎上，對在建的新型直流輸電系統平臺的閥側濾波器進行綜合 設計[6]。

2 感應濾波的諧波抑制機理

現以圖1所示中間引出抽頭接單調諧濾波器的單相三繞組變壓器為例，闡述利用變壓器 耦合繞組的安匝平衡作濾波機理的新型濾波方式。圖中，1表示一次繞組，2表示二次延邊繞 組，3表示二次公共繞組， Ih 表示諧波電流源。箭頭所示為諧波電流在變壓器中的流通路徑。

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分析可知：在延邊繞組2通過諧波電流影響下，公共繞組2和一次繞組1要感生相應的諧波電流，滿足以下磁勢平衡關系 ：

W2Ih=W3Ih3+W1Ih1 （1）

式中：W1 一次繞組的匝數，W2 二次負載繞組的匝數，W3—二次濾波繞組的匝數。

如果延邊繞組2 和公共繞組3 的安匝能保持平衡，則 Ih1 =0，就不會在一次繞組感生諧 波電流，從而使一次與諧波隔離開來，達到諧波屏蔽的目的。

由此可知，該種濾波方式的實現需要同時滿足如下兩個條件[3]：

（1）圖1 變壓器二次繞組引出抽頭接濾波器，目的是對諧波加以引流，為變壓器耦合繞 組2、3 的諧波安匝平衡作濾波方式提供前提。引流效果越好，利用耦合繞組的諧波屏蔽效 果就越好,因此，濾波器應力求達到諧振。

（2）變壓器二次耦合繞組2、3 的安匝能否保持平衡，從而使一次繞組1 不至于感生諧 波電流，取決于繞組的布置及其阻抗關系。具體地，就是通過變壓器設計使公共繞組3 的等 值阻抗等于0 或近似等0。

上述兩個條件同時滿足，即可有效抑制諧波在變壓器中的流通路徑，使諧波不至于通過 變壓器回饋至網側，從而起到對諧波隔離屏蔽的作用。

3 濾波器設計

3.1 雙調諧濾波器特性分析

根據直流輸電系統的特點，建立如圖2 所示用來驗證新型濾波方式及對比分析與傳統無 源濾波效果差異的實驗平臺。整流站采用新型換流變壓器，二次繞組有抽頭引出接DT5/7 和DT11/13，一次繞組出線端，即網側接二階高通濾波器HP2 及并聯電容器；逆變站采用 傳統換流變壓器,這里不再說明。 新型直流輸電系統閥側采用雙調諧濾波器，其基本電路結構由圖2可知；其有兩個諧振 頻率，同時吸收兩個鄰近頻率的諧波，等效于兩個并聯的單調諧濾器[7]。

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閥側雙調諧濾波器 是由串聯諧振回路C1、L1和并聯諧振回路C2、L2串接而成.兩個回路分別有各自的頻率阻抗 關系和諧振點,兩回路串聯構成雙調諧濾波器的阻抗頻率關系。并聯回路C2L2的阻抗特性如 圖3(a)所示。圖3(a)中兩個阻抗特性曲線中，虛線部分表示濾波器的阻抗呈容性；實線部分 則表示濾波器的阻抗為感性；由圖3(a)可知，對于基頻而言，并聯回路的阻抗很小，即并聯 回路承受的電壓很低，串聯回路的阻抗較大，且為容抗。因此，對于雙調諧濾波器來說，主 要由串聯電容器承受接入母線電壓。

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串聯和并聯回路的阻抗特性曲線的交點 ω1 、 ω2 處，容 抗與感抗相互抵消，它們對應的諧波次數為 n1 、 n2 。 雙調諧濾波器的阻頻特性需要將串聯回路與并聯回路的阻頻特性合成考慮.此時，雙調 諧濾波器的阻頻特性曲線如圖3(b)所示，明顯可知其在諧波次數為 n1 、n 2處發生諧振.

3.2 雙調諧濾波器參數設計[8]

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根據式(4)，利用MATLAB 圖象處理工具，可得到如下DT11/13 安全系數與調諧點的關系曲 線，如圖4 所示。

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由圖4 曲線可得到如下結論： (1)安全系數必須大于1，這樣，才能使各調諧點稍微前移，避免與系統發生諧振，且使 DT11/13 在11、13 次調諧頻率下呈感性，避免諧波放大。 (2)安全系數必須有個上限，這樣，才能不致于使濾波器過分頻偏，影響濾波效果及對 系統的無功補償量。

通過式(4)反復試算可得到DT11/13 安全系數最合適范圍是：1.0

4 仿真分析

本文基于Matlab動態仿真工具Simulink下的電力系統工具箱Simpowersystem對圖2系統進行仿真工作。仿真所用到的該實驗平臺交直流系統參數及新型換流變壓器、傳統換流變壓 器參數因篇幅限制略.由圖5(a)和圖5(b)明顯可知，新型換流變壓器及其濾波系統可有效地將 主要次特征諧波抑制于閥側，網側繞組電流的畸變率大大降低。對比閥側和網側的電流頻 譜圖，新系統下的閥側濾波方案可將換流器產生的5、7、11 和13次主要次特征諧波有效地 抑制于閥側，且變壓器原邊出線端的諧波含量遠低于國家標準，進一步說明該文基于感應濾 波機理的濾波器的優越性和可行性。

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5 結 論

(1) 本文提出了一種利用變壓器電磁感應原理在副邊繞組間實現諧波磁勢平衡的諧波 抑制新方法－感應濾波；通過對其諧波抑制機理分析，給出了感應濾波對變壓器阻抗和配套 濾波裝置的阻抗要求；

(2) 本文以實驗室建立的新型直流輸電系統平臺為研究對象，對新系統下閥側雙調諧濾 波器進行了參數設計， 通過實驗驗證了新型濾波方式的有效性，揭示了新型濾波方式及基 于新型換流變壓器的直流輸電系統所具有的優越性。

本文作者創新點：1. 提出了一種利用變壓器電磁感應原理在副邊繞組間實現諧波磁勢 平衡的諧波抑制新方法－感應濾波；2. 由于該雙調諧濾波器安裝于交流網側母線中，考慮 到其與系統阻抗的影響，為此引入了安全系數的概念對濾波器的元件參數進行修正，使該雙 調諧濾波器在11、13 次諧波頻率下略呈感性，使其避免與系統發生諧振，防止諧波放大。