一种用于抑制非特征谐波谐振的高通阻尼滤波器及方法与流程

本发明涉及输电领域，具体涉及一种用于抑制非特征谐波谐振的高通阻尼滤波器及方法。

背景技术：

换流站是指在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对于安全稳定及电能质量的要求而建立的站点。高压直流输电因其在长距离大容量电力输送方面的优越性能，在电网互联中得到了广泛的应用。然而，换流器固有的非线性特性使其产生大量的谐波。如12脉冲换流器，产生大量12k±1次谐波，这些谐波也称为特征次谐波，其余谐波为非特征次谐波。大多数换流站配备特征次谐波滤波器，而非特征谐波未受到关注。很多实际换流站中存在非特征谐波超标的情况，现有解决技术主要有两种：

①、增加安装单调谐滤波器，但是在轻载条件下可能造成过补偿；

②、增加高通阻尼滤波器，但是目前提出的滤波器结构可能导致较大的功率损耗。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种用于抑制非特征谐波谐振的高通阻尼滤波器及方法解决了现有高通阻尼滤波器抑制非特征谐波谐振时容易引起较大功率损耗的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种用于抑制非特征谐波谐振的高通阻尼滤波器，其包括电容c1，所述电容c1的一端作为高通阻尼滤波器的接口端，电容c1的另一端通过电感l1分别连接电感l2的一端和开关k的一端；所述开关k的另一端通过电容c2连接电阻r的一端；所述电阻r的另一端与电感l2的另一端相连并接地。

提供一种用于抑制非特征谐波谐振的方法，其包括以下步骤：

s1、获取目标换流站中双调谐滤波器的个数n，并将其中一个双调谐滤波器替换为高通阻尼滤波器；

s2、获取替换双调谐滤波器的高通阻尼滤波器的参数；

s3、根据目标换流站中双调谐滤波器的参数和高通阻尼滤波器的参数分别获取目标换流站在投入1～n个滤波器时，滤波器的并联点可能出现的最大谐波电压；其中高通阻尼滤波器为目标换流站中投入使用的1～n个滤波器中的一个；

s4、获取滤波器的并联点可能出现的最大谐波电压小于等于滤波器并联点额定电压与谐波畸变率限值的乘积所对应的滤波器投入个数，得到个数集合；

s5、判断目标换流站当前投入运行的双调谐滤波器的个数是否在个数集合中，若是则将高通阻尼滤波器中的开关k断开，否则保持高通阻尼滤波器中的开关k接通。

进一步地，步骤s2的具体方法包括以下子步骤：

s2-1、根据公式：

获取高通阻尼滤波器中电容c1的电容值c1；其中qf为电网的无功补偿需求量；ω1为基波角频率；ur为滤波器并联点额定电压；

s2-2、将第一调谐频率ωt取值为11次谐波，即ωt＝11ω1；将第二调谐频率ωp取值为6次谐波，即ωp＝6ω1；预设第一调谐频率ωt处的谐波放大限值a；预设第二调谐频率ωp处的谐波放大系数最小值b；预设电感l2的电感值取值范围[l2min,l2max]和电阻r的阻值取值范围[rmin,rmax]；

s2-3、将电感l2的电感值l2从l2min开始取值；

s2-4、将电阻r的阻值r从rmin开始取值；

s2-5、分别根据公式：

获取电感l1的电感值l1和电容c2的电容值c2；

s2-6、根据公式：

zdhp(ω)＝1/(jωc1)+jωl1+(jωl1)//(1/(jωc2)+r)5ω1≤ω≤25ω1

获取高通阻尼滤波器谐波阻抗的值zdhp(ω)；其中j为虚数；

s2-7、根据公式：

获取并判断第一调谐频率处的谐波放大系数har(ωt)是否小于等于a％，若是则进入步骤s2-8，否则进入步骤s2-10；其中zdhp(ωt)为高通阻尼滤波器在ω＝ωt处的谐波阻抗，zdhp(ωt)∈zdhp(ω)；zs(ωt)为系统在第一调谐频率ωt处的谐波阻抗，其值在高通阻尼滤波器安装之前测得；

s2-8、根据公式：

获取其他频率下的最严重谐波放大系数harworst(ω)；其中n为目标换流站配置的滤波器总数；zfi(ω)为投入使用i个双调谐滤波器时滤波器组的总谐波阻抗；

s2-9、判断harworst(ω)是否小于值b，若是则将b值更新为harworst(ω)，并记录当前电容c1的电容值、电容c2的电容值、电感l1的电感值、电感l2的电感值和电阻r的阻值，进入步骤s2-10；否则直接进入步骤s2-10；

s2-10、判断当前电阻r的阻值是否小于rmax，若是则将当前电阻r的阻值加0.1并返回步骤s2-5；否则进入步骤s2-11；

s2-11、判断当前电感l2的电感值是否小于l2max，若是则将当前电感l2的电感值加0.001并返回步骤s2-4；否则输出步骤s2-9所记录的最新参数值，完成高通阻尼滤波器的参数获取。

进一步地，第一调谐频率ωt处的谐波放大限值a的值为0.3。

进一步地，第二调谐频率ωp处的谐波放大系数最小值b的值为3。

进一步地，步骤s3的具体方法包括以下子步骤：

s3-1、根据公式：

z'dhp(ω)＝1/(jωc1)+jωl1+jωl2

获取高通阻尼滤波器开关k断开后的谐波阻抗z'dhp(ω)；其中j表示虚数；ω表示角频率；c1表示电容c1的容值；l1表示电感l1的电感值；l2表示电感l2的电感值；

s3-2、根据目标换流站中双调谐滤波器的参数获取双调谐滤波器的谐波阻抗zother(ω)；

s3-3、根据公式：

z'fi(ω)＝z'dhp(ω)//zother(ω)＝(1/(jωc1)+jωl1+jωl2)//zother(ω)

获取目标换流站投入i个双调谐滤波器且在高通阻尼滤波器开关k断开后的整个滤波器组的等效谐波阻抗z'fi(ω)；其中//表示并联；其中高通阻尼滤波器为目标换流站中投入使用的1～n个滤波器中的一个；

s3-4、获取当前目标换流站的系统背景谐波电压最大值usmax(ω)；

s3-5、根据公式：

获取目标换流站在投入1～n个滤波器时，滤波器的并联点可能出现的最大谐波电压ufimax(ω)；其中zs-left(ω)为通过多边形区域表示的系统谐波阻抗的最左边界值。

进一步地，步骤s3-4的具体方法包括以下子步骤：

s3-4-1、获取目标换流站中双调谐滤波器未被替换为高通阻尼滤波器时的系统背景谐波电压最大值，即原始系统背景谐波电压最大值us(ω)；

s3-4-2、将目标换流站中的一个双调谐滤波器替换为高通阻尼滤波器，根据公式：

获取当前滤波器组中某个双调谐滤波器被投入或者切除、整个双调谐滤波器组的谐波阻抗由zf1(ω)变为zf2(ω)、并联点电压由uf1(ω)变为uf2(ω)时的背景谐波电压值u's(ω)；

s3-4-3、获取并判断步骤s3-4-2中最大的背景谐波电压值u's(ω)是否大于等于原始系统背景谐波电压最大值us(ω)，若是则将步骤s3-4-2中最大的背景谐波电压值u's(ω)作为当前目标换流站的系统背景谐波电压最大值usmax(ω)，否则将原始系统背景谐波电压最大值us(ω)作为当前目标换流站的系统背景谐波电压最大值usmax(ω)。

本发明的有益效果为：本发明中的高通阻尼滤波器可以同时实现特征和非特征次谐波谐振抑制，通过控制开关k的通断可以使得本高通阻尼滤波器的功率损耗降低。在某些系统情况下断开开关k，可以避免阻尼支路长期运行，进而降低电阻发热，提高设备寿命，实现变电站经济运行。

附图说明

图1为本高通阻尼滤波器的结构示意图；

图2为滤波器切换前后并联点谐波变化示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该用于抑制非特征谐波谐振的高通阻尼滤波器包括电容c1，所述电容c1的一端作为高通阻尼滤波器的接口端，电容c1的另一端通过电感l1分别连接电感l2的一端和开关k的一端；所述开关k的另一端通过电容c2连接电阻r的一端；所述电阻r的另一端与电感l2的另一端相连并接地。

该用于抑制非特征谐波谐振的方法包括以下步骤：

s1、获取目标换流站中双调谐滤波器的个数n，并将其中一个双调谐滤波器替换为高通阻尼滤波器；

s2、获取替换双调谐滤波器的高通阻尼滤波器的参数；

s3、根据目标换流站中双调谐滤波器的参数和高通阻尼滤波器的参数分别获取目标换流站在投入1～n个滤波器时，滤波器的并联点可能出现的最大谐波电压；其中高通阻尼滤波器为目标换流站中投入使用的1～n个滤波器中的一个；

s4、获取滤波器的并联点可能出现的最大谐波电压小于等于滤波器并联点额定电压与谐波畸变率限值的乘积所对应的滤波器投入个数，得到个数集合；

s5、判断目标换流站当前投入运行的双调谐滤波器的个数是否在个数集合中，若是则将高通阻尼滤波器中的开关k断开，否则保持高通阻尼滤波器中的开关k接通。

步骤s2的具体方法包括以下子步骤：

s2-1、根据公式：

获取高通阻尼滤波器中电容c1的电容值c1；其中qf为电网的无功补偿需求量；ω1为基波角频率；ur为滤波器并联点额定电压；

s2-2、将第一调谐频率ωt取值为11次谐波，即ωt＝11ω1；将第二调谐频率ωp取值为6次谐波，即ωp＝6ω1；预设第一调谐频率ωt处的谐波放大限值a；预设第二调谐频率ωp处的谐波放大系数最小值b；预设电感l2的电感值取值范围[l2min,l2max]和电阻r的阻值取值范围[rmin,rmax]；

s2-3、将电感l2的电感值l2从l2min开始取值；

s2-4、将电阻r的阻值r从rmin开始取值；

s2-5、分别根据公式：

获取电感l1的电感值l1和电容c2的电容值c2；

s2-6、根据公式：

zdhp(ω)＝1/(jωc1)+jωl1+(jωl1)//(1/(jωc2)+r)5ω1≤ω≤25ω1

获取高通阻尼滤波器谐波阻抗的值zdhp(ω)；其中j为虚数；

s2-7、根据公式：

获取并判断第一调谐频率处的谐波放大系数har(ωt)是否小于等于a％，若是则进入步骤s2-8，否则进入步骤s2-10；其中zdhp(ωt)为高通阻尼滤波器在ω＝ωt处的谐波阻抗，zdhp(ωt)∈zdhp(ω)；zs(ωt)为系统在第一调谐频率ωt处的谐波阻抗，其值在高通阻尼滤波器安装之前测得；

s2-8、根据公式：

获取其他频率下的最严重谐波放大系数harworst(ω)；其中n为目标换流站配置的滤波器总数；zfi(ω)为投入使用i个双调谐滤波器时滤波器组的总谐波阻抗；

s2-9、判断harworst(ω)是否小于值b，若是则将b值更新为harworst(ω)，并记录当前电容c1的电容值、电容c2的电容值、电感l1的电感值、电感l2的电感值和电阻r的阻值，进入步骤s2-10；否则直接进入步骤s2-10；

s2-10、判断当前电阻r的阻值是否小于rmax，若是则将当前电阻r的阻值加0.1并返回步骤s2-5；否则进入步骤s2-11；

s2-11、判断当前电感l2的电感值是否小于l2max，若是则将当前电感l2的电感值加0.001并返回步骤s2-4；否则输出步骤s2-9所记录的最新参数值，完成高通阻尼滤波器的参数获取。

第一调谐频率ωt处的谐波放大限值a的值为0.3。第二调谐频率ωp处的谐波放大系数最小值b的值为3。

步骤s3的具体方法包括以下子步骤：

s3-1、根据公式：

z'dhp(ω)＝1/(jωc1)+jωl1+jωl2

获取高通阻尼滤波器开关k断开后的谐波阻抗z'dhp(ω)；其中j表示虚数；ω表示角频率；c1表示电容c1的容值；l1表示电感l1的电感值；l2表示电感l2的电感值；

s3-2、根据目标换流站中双调谐滤波器的参数获取双调谐滤波器的谐波阻抗zother(ω)；

s3-3、根据公式：

z'fi(ω)＝z'dhp(ω)//zother(ω)＝(1/(jωc1)+jωl1+jωl2)//zother(ω)

获取目标换流站投入i个双调谐滤波器且在高通阻尼滤波器开关k断开后的整个滤波器组的等效谐波阻抗z'fi(ω)；其中//表示并联；其中高通阻尼滤波器为目标换流站中投入使用的1～n个滤波器中的一个；

s3-4、获取当前目标换流站的系统背景谐波电压最大值usmax(ω)；

s3-5、根据公式：

获取目标换流站在投入1～n个滤波器时，滤波器的并联点可能出现的最大谐波电压ufimax(ω)；其中zs-left(ω)为通过多边形区域表示的系统谐波阻抗的最左边界值。

如图2所示，步骤s3-4的具体方法包括以下子步骤：

s3-4-1、获取目标换流站中双调谐滤波器未被替换为高通阻尼滤波器时的系统背景谐波电压最大值，即原始系统背景谐波电压最大值us(ω)；

s3-4-2、将目标换流站中的一个双调谐滤波器替换为高通阻尼滤波器，根据公式：

获取当前滤波器组中某个双调谐滤波器被投入或者切除、整个双调谐滤波器组的谐波阻抗由zf1(ω)变为zf2(ω)、并联点电压由uf1(ω)变为uf2(ω)时的背景谐波电压值u's(ω)；

s3-4-3、获取并判断步骤s3-4-2中最大的背景谐波电压值u's(ω)是否大于等于原始系统背景谐波电压最大值us(ω)，若是则将步骤s3-4-2中最大的背景谐波电压值u's(ω)作为当前目标换流站的系统背景谐波电压最大值usmax(ω)，否则将原始系统背景谐波电压最大值us(ω)作为当前目标换流站的系统背景谐波电压最大值usmax(ω)。

在本发明的一个实施例中，针对一个具有9个12/24双调谐滤波器的实际换流站，将一个双调谐滤波器改造为本发明所提出的高通阻尼滤波器，高通阻尼滤波器参数的具体数值如表1所示。

表1：滤波器参数

根据以上步骤计算滤波器投入个数在1～9个下滤波器并联点可能出现的最大谐波电压，如表2所示。从表2中可以看出，当投入运行的滤波器个数大于等于7个后，滤波器的并联点可能出现的最大谐波电压小于等于滤波器并联点额定电压与谐波畸变率限值的乘积，即该系统中投入7个、8个和9个时高通阻尼滤波器的开关k可以断开。

表2：不同滤波器投入个数情况下并联点可能出现的最大谐波电压

表2中x表示联点额定电压与谐波畸变率限值的乘积；5^th表示5次谐波，7^th表示7次谐波，11^th表示11次谐波，13^th表示13次谐波，23^rd表示23次谐波，25^th表示25次谐波。

在该实施例的基础上进行进一步的功率计算，当滤波器投入个数大于6个即开关k可以断开情况下，本发明提出的高通阻尼滤波器与换流站原有双调谐滤波器在开关断开和闭合情况下各个元件上的电压、电流和功率，如表3所示。

表3：不同开关状态下滤波器电压电流和功率值

从表3中可以看出，本发明提出的高通阻尼滤波器及方法可以降低约100kw有功损耗，根据换流站实际运行数据，约有43％时间投入运行7-9个滤波器，因此一周约可以降低7mw有功损耗。

综上所述，本发明中的高通阻尼滤波器可以同时实现特征和非特征次谐波谐振抑制，通过控制开关k的通断可以使得本高通阻尼滤波器的功率损耗降低。在某些系统情况下断开开关k，可以避免阻尼支路长期运行，进而降低电阻发热，提高设备寿命，实现变电站经济运行。