高压直流输电交流滤波器参数的计算

single tuned filters with the same performance
在元件参数计算中，双调谐滤波器可以等效成 2 个单调谐滤波器，如图 2 所示。再通过所要输出
第 16 期
李普明等： 高压直流输电交流滤波器参数的计算
Leabharlann Baidu
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的无功功率，所要抑止的谐波次数和交流母线的基
波电压，通过式(7)~(8)，计算出 2 个单调谐滤波器 的电容和电感值，由此确定 Ca、La、Cb、Lb。忽略 滤波器的电阻时，可通过下面的公式得到双调谐滤
LI Pu-ming1, XU Zheng1, HUANG Ying2, LI Xiao-lin2
(1．College of Electrical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China； 2．China Southern Power Grid Technology Research Center, Guangzhou 510623, Guangdong Province, China)
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中国电机工程学报
第 28 卷
目前，双调谐和三调谐滤波器广泛应用于直流 输电工程的交直流滤波部分。相对于单调谐滤波 器，双调谐滤波器和三调谐滤波器可以同时消除 2 个和 3 个不同频率的谐波，而且其中只有一个谐振 回路需要承受全部的冲击电压[8]，因而与同样功能 的 2 个或 3 个单调谐滤波器相比，投资小，损耗低， 占地面积小，经济性好。在滤波器设计上，单调谐 滤波器已有简单、成熟的方法，首先确定滤波器需 要输出的无功功率，再根据调谐频率计算出滤波器 的 L、C 参数。本文通过阻抗等效，推导出双调谐 和三调谐滤波器参数的计算公式，并通过一个三调 谐滤波器参数计算的实例，在 Simulink 中仿真比较 三调谐滤波器与等效的 3 个单调谐滤波器的阻抗频 率特性曲线，证明了其正确性。最后，还与另一种 三调谐滤波器参数计算方法[9]进行了对比，表明本 文方法更容易调整滤波器在各调谐点的性能，并在 高次谐波下具有良好的阻抗特性。
(8)
再通过式(2)的品质因数公式得到滤波器电阻
Ra 的值。
2 双调谐滤波器参数计算
双调谐滤波器的结构如图 2 所示。
C1
Ca
Cb
L1
La
Lb
R2
C2 L2
Ra
Rb
图 2 双调谐滤波器结构和等效的 2 个单调谐滤波器 Fig. 2 Configuration of a double tuned filter and two
能，所以滤波器元件的参数需要由线路电压、滤波
要求、无功功率输出要求和经济性共同决定。设单
调谐滤波器所要输出的无功功率为 Q1，滤波器所要 抑止的谐波次数为 N1，母线基波电压为 U1，则单 调谐滤波器的参数计算公式[11]如下：
Ca
=
Q1(N12 − 1) ω N12U12
(7)
La
=
1 ω 2 N12Ca
所以
Qf
= U1I1
=
U12
1 ωCa
− ωLa
= ωCa
N12 N12 −
1U12
(5)
当采用多个调谐频率不同的单调谐滤波器进
行滤波时，需要对各个单调谐滤波器的无功容量进
行分配。根据滤波器中电容器上承受的谐波电压相
等的原则，每个单调谐滤波器所需要输出的无功功 率的功率分配公式[10]为
Qi = QC
第 28 卷 第 16 期 2008 年 6 月 5 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.28 No.16 Jun. 5, 2008 ©2008 Chin.Soc.for Elec.Eng. 115
文章编号：0258-8013 (2008) 16-0115-07 中图分类号：TM 721 文献标识码：A 学科分类号：470·40
摘要：无功补偿和电压控制是高压直流输电工程中的重要问 题。交流滤波器可以滤除交流侧谐波并补偿无功功率，所以 广泛应用于高压直流输电工程中。交流滤波器必须满足在各 种工况下的交流侧谐波性能和无功功率补偿要求。首先给出 单调谐滤波器参数计算的方法和精确公式；在双调谐和三调 谐滤波器的参数计算过程中，通过把双调谐、三调谐滤波器 等效成 2 个或 3 个单调谐滤波器，先计算得到各个单调谐滤 波器参数，再经过该文给出的等效公式得到双调谐和三调谐 滤波器参数，并通过定值计算和性能计算验证交流滤波器的 元件参数能够符合系统要求。给出了一个三调谐滤波器计算 的例子。通过仿真，得到三调谐滤波器和等效的 3 个单调谐 滤波器的阻抗频率特性曲线，并加以对比，结果表明这种参 数计算方法符合工程精度要求。介绍了另一种基于交流滤波 器阻抗频率特性的滤波器参数计算方法并将两者做了对比， 分析了 2 种滤波器参数计算方法的优缺点。
1 单调谐滤波器参数计算
单调谐滤波器由电容元件 Ca、电感元件 La 和 电阻元件 Ra 串联而成，其电路如图 1 所示。
Ca
La
Ra
图 1 单调谐滤波器结构 Fig. 1 Configuration of a single tuned filter
单调谐滤波器的谐振角频率为
ωh = 1/ LaCa
波器 4 个储能元件 C1、L1、C2、L2 的值，
C1 = Ca + Cb
(9)
L1
=
La Lb La + Lb
(10)
C2
=
CaCb (Ca + (Ca La
Cb )(La + − Cb Lb )2
Lb )2
(11)
L2
=
(Ca La − Cb Lb )2 (Ca + Cb )2 (La + Lb )
高压直流输电交流滤波器参数的计算
李普明 1，徐 政 1，黄 莹 2，黎小林 2
(1．浙江大学电气工程学院，浙江省 杭州市 310027；2．南方电网技术研究中心，广东省 广州市 510623)
Algorithm for the Parameters of AC Filters in HVDC Transmission System
(12)
在得到 L、C 参数之后，通过给定电感的品质
因数来计算电感支路的品质因数，再由整个滤波器
的品质因数计算电阻 R2。
3 三调谐滤波器参数的计算
(1)
品质因数为
Q = ωh La = 1
(2)
Ra ωh RaCa
忽略电阻的影响，设滤波器所要抑止的谐波次
数为 N1，母线基波电压为 U1，流过滤波器的基波 电流为 I1，滤波器电容为 Ca、电感为 La，则单调谐 滤波器输出的无功功率为
Qf = U1I1
(3)
由于
I1
=
U1
1 ωCa
− ωLa
(4)
KEY WORDS: HVDC transmission; filter design; double tuned filter; triple tuned filter; filter parameters design
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2006BAA02A21)。 Key Project of the National Eleventh-Five Year Research Programme of China(2006BAA02A21)．
ABSTRACT: In conjunction with the reactive power exchange and AC voltage control, the issue of harmonic performance is one of the main power quality topics of high voltage direct current (HVDC) transmission projects. AC filters are widely used to restrain the AC side harmonics and to compensate for reactive power. The design of the AC filters has to satisfy the requirements of harmonic performance and reactive power compensation for the various operation modes. First of all the algorithm of the parameters of the single tuned filter are presented. Then during the process of designing double-tuned filter and triple-tuned filter, two single tuned filters and three single tuned filters are designed to meet the need of reactive power compensation and the standard of harmonic restraint performance. With the parameters of two or three single tuned filters, formulae are given to calculate the parameter for double-tuned filter and triple-tuned filter. At last performance calculation and rating calculation are made to verify the design of AC filters can meet HVDC transmission projects’ require. An example of designing a triple-tuned filter is offered. The impedance frequency characteristics of the three single tuned filters and the triple tuned filter are compared to show that the difference between them can meet the requirement of projects. Another way of two and three tuned filter design, which is based on the analysis of circuits and impedance frequency characteristics of AC filters is introduced. Two methods are compared to show both the advantage and the disadvantage of them.
关键词：高压直流输电；滤波器设计；双调谐滤波器；三调 谐滤波器；滤波器参数计算
0 引言
高压直流输电技术以其技术上和经济上的独 特优势，在远距离大容量输电和全国联网两个方面 对我国电力工业的发展起到十分重要的作用[1]，并 且在 “西电东送”、“南北互供”和“全国联网” 等工程中也有广泛的应用[2]，但高压直流输电线路 两侧的换流装置需要补充大量的无功功率[3]，此外， 换流装置在运行时会在直流侧和交流侧产生大量 谐波[4]，恶化电能质量[5]，干扰通信系统[6]。因此， 为了补偿无功功率和抑止交流侧谐波，需要安装相 应容量的交流滤波器[7]。一般，无功补偿和交流滤 波器的成本占到整个换流站总成本的 10%，对整个 直流输电系统的性能和工程造价具有重要影响。本 文研究交流滤波器的设计和参数的确定方法。
Ih / h
m
(6)
∑ In / n
n =1
其中，假设共有 m 个单调谐滤波器。Qi 为第 i
个滤波器所需输出的无功功率，Qc 为总的无功功
率，Ih 是流过该单调谐滤波器的谐波电流，h 是单
m
调谐滤波器的谐振次数，∑ In / n 表示所有滤波器要 n =1
滤除的谐波电流和谐波次数的比值之和。
交流滤波器需要同时实现滤波和无功补偿功