基于感應(yīng)濾波的雙調(diào)諧濾波器綜合設(shè)計

1 前 言

　　換流變壓器及濾波裝置是直流輸電系統(tǒng)中的重大技術(shù)裝備。傳統(tǒng)的換流變壓器及濾波方 案雖然廣泛應(yīng)用，但并不完善。傳統(tǒng)濾波方案將濾波器安裝于交流母線與換流變壓器網(wǎng)側(cè)繞 組之間。這使得由換流器產(chǎn)生的諧波電流和無功電流均要通過變壓器的網(wǎng)側(cè)、閥側(cè)繞組。這 必然會在鐵心和結(jié)構(gòu)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(tǒng)，它是利用電磁感應(yīng)原理 在副邊繞組間實現(xiàn)諧波磁勢平衡的諧波抑制新方法，稱之為感應(yīng)濾波[3-5]；分析了該濾波新 方法的諧波抑制機理；在此基礎(chǔ)上，對在建的新型直流輸電系統(tǒng)平臺的閥側(cè)濾波器進行綜合 設(shè)計[6]。

　　2 感應(yīng)濾波的諧波抑制機理

　　現(xiàn)以圖1所示中間引出抽頭接單調(diào)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。

　　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(yīng)的諧波電流，滿足以下磁勢平衡關(guān)系 ：

      W2Ih=W3Ih3+W1Ih1 （1）

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

　　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(xiàn)需要同時滿足如下兩個條件[3]：

　?。?）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(yīng)力求達到諧振。

　?。?）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(guān)系。具體地，就是通過變壓器設(shè)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(wǎng)側(cè)，從而起到對諧波隔離屏蔽的作用。

　　3 濾波器設(shè)計

　　3.1 雙調(diào)諧濾波器特性分析

　　根據(jù)直流輸電系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)側(cè)接二階高通濾波器HP2 及并聯(lián)電容器；逆變站采用 傳統(tǒng)換流變壓器,這里不再說明。 新型直流輸電系統(tǒng)閥側(cè)采用雙調(diào)諧濾波器，其基本電路結(jié)構(gòu)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(lián)的單調(diào)諧濾器[7]。

　　閥側(cè)雙調(diào)諧濾波器 是由串聯(lián)諧振回路C1、L1和并聯(lián)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(guān)系和諧振點,兩回路串聯(lián)構(gòu)成雙調(diào)諧濾波器的阻抗頻率關(guān)系。并聯(lián)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(lián)回路的阻抗很小，即并聯(lián) 回路承受的電壓很低，串聯(lián)回路的阻抗較大，且為容抗。因此，對于雙調(diào)諧濾波器來說，主 要由串聯(lián)電容器承受接入母線電壓。

　　串聯(lián)和并聯(lián)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(yīng)的諧波次數(shù)為 n1 、 n2 。 雙調(diào)諧濾波器的阻頻特性需要將串聯(lián)回路與并聯(lián)回路的阻頻特性合成考慮.此時，雙調(diào) 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(shù)為 n1 、n 2處發(fā)生諧振.

　　3.2 雙調(diào)諧濾波器參數(shù)設(shè)計[8]

　　根據(jù)式(4)，利用MATLAB 圖象處理工具，可得到如下DT11/13 安全系數(shù)與調(diào)諧點的關(guān)系曲 線，如圖4 所示。

　　由圖4 曲線可得到如下結(jié)論： (1)安全系數(shù)必須大于1，這樣，才能使各調(diào)諧點稍微前移，避免與系統(tǒng)發(fā)生諧振，且使 DT11/13 在11、13 次調(diào)諧頻率下呈感性，避免諧波放大。 (2)安全系數(shù)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(tǒng)的無功補償量。

　　通過式(4)反復(fù)試算可得到DT11/13 安全系數(shù)最合適范圍是：1.0

　　4 仿真分析

　　本文基于Matlab動態(tài)仿真工具Simulink下的電力系統(tǒng)工具箱Simpowersystem對圖2系統(tǒng)進行仿真工作。仿真所用到的該實驗平臺交直流系統(tǒng)參數(shù)及新型換流變壓器、傳統(tǒng)換流變壓 器參數(shù)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(tǒng)可有效地將 主要次特征諧波抑制于閥側(cè)，網(wǎng)側(cè)繞組電流的畸變率大大降低。對比閥側(cè)和網(wǎng)側(cè)的電流頻 譜圖，新系統(tǒng)下的閥側(cè)濾波方案可將換流器產(chǎn)生的5、7、11 和13次主要次特征諧波有效地 抑制于閥側(cè)，且變壓器原邊出線端的諧波含量遠低于國家標(biāo)準(zhǔn)，進一步說明該文基于感應(yīng)濾 波機理的濾波器的優(yōu)越性和可行性。

　　5 結(jié) 論

　　(1) 本文提出了一種利用變壓器電磁感應(yīng)原理在副邊繞組間實現(xiàn)諧波磁勢平衡的諧波 抑制新方法－感應(yīng)濾波；通過對其諧波抑制機理分析，給出了感應(yīng)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(tǒng)平臺為研究對象，對新系統(tǒng)下閥側(cè)雙調(diào)諧濾 波器進行了參數(shù)設(shè)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(tǒng)所具有的優(yōu)越性。

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