基于感应滤波的双调谐滤波器综合设计

1 前 言

　　换流变压器及滤波装置是直流输电系统中的重大技术装备。传统的换流变压器及滤波方 案虽然广泛应用，但并不完善。传统滤波方案将滤波器安装于交流母线与换流变压器网侧绕 组之间。这使得由换流器产生的谐波电流和无功电流均要通过变压器的网侧、阀侧绕组。这 必然会在铁心和结构件中通过较强的谐波磁通，使得变压器绝缘强度加大，损耗增加，振动 和噪声大[1-2]。

　　针对上述问题，本文提出了一种新型换流变压器及其滤波系统，它是利用电磁感应原理 在副边绕组间实现谐波磁势平衡的谐波抑制新方法，称之为感应滤波[3-5]；分析了该滤波新 方法的谐波抑制机理；在此基础上，对在建的新型直流输电系统平台的阀侧滤波器进行综合 设计[6]。

　　2 感应滤波的谐波抑制机理

　　现以图1所示中间引出抽头接单调谐滤波器的单相三绕组变压器为例，阐述利用变压器 耦合绕组的安匝平衡作滤波机理的新型滤波方式。图中，1表示一次绕组，2表示二次延边绕 组，3表示二次公共绕组，  Ih 表示谐波电流源。箭头所示为谐波电流在变压器中的流通路径。

　　分析可知：在延边绕组2通过谐波电流影响下，公共绕组2和一次绕组1要感生相应的谐波电流，满足以下磁势平衡关系 ：

      W2Ih=W3Ih3+W1Ih1 （1）

　　式中：W1 一次绕组的匝数，W2 二次负载绕组的匝数，W3—二次滤波绕组的匝数。

　　如果延边绕组2 和公共绕组3 的安匝能保持平衡，则 Ih1 =0，就不会在一次绕组感生谐 波电流，从而使一次与谐波隔离开来，达到谐波屏蔽的目的。

　　由此可知，该种滤波方式的实现需要同时满足如下两个条件[3]：

　　（1）图1 变压器二次绕组引出抽头接滤波器，目的是对谐波加以引流，为变压器耦合绕 组2、3 的谐波安匝平衡作滤波方式提供前提。引流效果越好，利用耦合绕组的谐波屏蔽效 果就越好,因此，滤波器应力求达到谐振。

　　（2）变压器二次耦合绕组2、3 的安匝能否保持平衡，从而使一次绕组1 不至于感生谐 波电流，取决于绕组的布置及其阻抗关系。具体地，就是通过变压器设计使公共绕组3 的等 值阻抗等于0 或近似等0。

　　上述两个条件同时满足，即可有效抑制谐波在变压器中的流通路径，使谐波不至于通过 变压器回馈至网侧，从而起到对谐波隔离屏蔽的作用。

　　3 滤波器设计

　　3.1 双调谐滤波器特性分析

　　根据直流输电系统的特点，建立如图2 所示用来验证新型滤波方式及对比分析与传统无 源滤波效果差异的实验平台。整流站采用新型换流变压器，二次绕组有抽头引出接DT5/7 和DT11/13，一次绕组出线端，即网侧接二阶高通滤波器HP2 及并联电容器；逆变站采用 传统换流变压器,这里不再说明。 新型直流输电系统阀侧采用双调谐滤波器，其基本电路结构由图2可知；其有两个谐振 频率，同时吸收两个邻近频率的谐波，等效于两个并联的单调谐滤器[7]。

　　阀侧双调谐滤波器 是由串联谐振回路C1、L1和并联谐振回路C2、L2串接而成.两个回路分别有各自的频率阻抗 关系和谐振点,两回路串联构成双调谐滤波器的阻抗频率关系。并联回路C2L2的阻抗特性如 图3(a)所示。图3(a)中两个阻抗特性曲线中，虚线部分表示滤波器的阻抗呈容性；实线部分 则表示滤波器的阻抗为感性；由图3(a)可知，对于基频而言，并联回路的阻抗很小，即并联 回路承受的电压很低，串联回路的阻抗较大，且为容抗。因此，对于双调谐滤波器来说，主 要由串联电容器承受接入母线电压。

　　串联和并联回路的阻抗特性曲线的交点 ω1 、 ω2 处，容 抗与感抗相互抵消，它们对应的谐波次数为 n1 、 n2 。 双调谐滤波器的阻频特性需要将串联回路与并联回路的阻频特性合成考虑.此时，双调 谐滤波器的阻频特性曲线如图3(b)所示，明显可知其在谐波次数为 n1 、n 2处发生谐振.

　　3.2 双调谐滤波器参数设计[8]

　　根据式(4)，利用MATLAB 图象处理工具，可得到如下DT11/13 安全系数与调谐点的关系曲 线，如图4 所示。

　　由图4 曲线可得到如下结论： (1)安全系数必须大于1，这样，才能使各调谐点稍微前移，避免与系统发生谐振，且使 DT11/13 在11、13 次调谐频率下呈感性，避免谐波放大。 (2)安全系数必须有个上限，这样，才能不致于使滤波器过分频偏，影响滤波效果及对 系统的无功补偿量。

　　通过式(4)反复试算可得到DT11/13 安全系数最合适范围是：1.0

　　4 仿真分析

　　本文基于Matlab动态仿真工具Simulink下的电力系统工具箱Simpowersystem对图2系统进行仿真工作。仿真所用到的该实验平台交直流系统参数及新型换流变压器、传统换流变压 器参数因篇幅限制略.由图5(a)和图5(b)明显可知，新型换流变压器及其滤波系统可有效地将 主要次特征谐波抑制于阀侧，网侧绕组电流的畸变率大大降低。对比阀侧和网侧的电流频 谱图，新系统下的阀侧滤波方案可将换流器产生的5、7、11 和13次主要次特征谐波有效地 抑制于阀侧，且变压器原边出线端的谐波含量远低于国家标准，进一步说明该文基于感应滤 波机理的滤波器的优越性和可行性。

　　5 结 论

　　(1) 本文提出了一种利用变压器电磁感应原理在副边绕组间实现谐波磁势平衡的谐波 抑制新方法－感应滤波；通过对其谐波抑制机理分析，给出了感应滤波对变压器阻抗和配套 滤波装置的阻抗要求；

　　(2) 本文以实验室建立的新型直流输电系统平台为研究对象，对新系统下阀侧双调谐滤 波器进行了参数设计， 通过实验验证了新型滤波方式的有效性，揭示了新型滤波方式及基 于新型换流变压器的直流输电系统所具有的优越性。

　　本文作者创新点：1. 提出了一种利用变压器电磁感应原理在副边绕组间实现谐波磁势 平衡的谐波抑制新方法－感应滤波；2. 由于该双调谐滤波器安装于交流网侧母线中，考虑 到其与系统阻抗的影响，为此引入了安全系数的概念对滤波器的元件参数进行修正，使该双 调谐滤波器在11、13 次谐波频率下略呈感性，使其避免与系统发生谐振，防止谐波放大。