MATLAB仿真在HVDC交流滤波器分析中的应用

２００６年第６期　ＭＡＴＩＡＢ仿真在ＨＶＤＣ交流滤波器分析中的应用　－２３・　ＭＡＴＬＡＢ仿真在ＨＶＤＣ交流滤波器　分析中的应用　张成　，吴维柏　，左强林　４３８０００；　（１．湖北省黄冈供电公司。湖北黄冈２．桂林电力电容器总厂。广西桂林５４１００４）　摘要：利用ＭＡＴＬＡＢ的强大功能，对超高压直流输电中最常用的Ｃ型滤波器和双调谐滤波　器的阻抗一频率特性和电流一频率特性进行仿真，得到了交流滤波器中的电阻对滤波调谐点　影响很小的结论。　关键词：ＭＡＴＬＡＢ（仿真软件）；仿真；ＨＶＤＣ；　交流滤波器　中图分类号：ＴＮ７１３　．１　文献标识码：Ｂ文章编号：１００２－０３４９（２００６）０６－００２３－０５　Ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭＡＴＬＡＢ　ｉｎ　Ｓｔｕｄｙｉｎｇ　ｏｆ　ＨＶＤＣ　ＡＣ　Ｆｉｌｔｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ　，ＷＵ　Ｗｅｉ—ｂｏ　，ＺＵＯ　Ｑｉａｎｇ－１ｉｎ　（１．Ｈｕａｎｇｇａｎｇ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｈｕａｎｇｇａｎｇ　Ｈｕｂｅｉ　４３８０００；　２．Ｇｕｉｌｉｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｇｕａｎｇｘｉ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＭＡＴＬＡＢ，Ｔｈｅ　Ｚ（　）一　ａｎｄ，（　）－　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｙｐｅ　Ｃ　ｉｆｌｔｅｒ　ａｎｄ　ｄｏｕｂｌｅ　ｔｕｎｅｄ　ｆｉｈｅｒ　ｏｆ　ＨＶＤＣ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ａ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｔｈａｔ　Ｒ　ｈａｓ　ｌｉｔｔｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｔｕｎｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｆｉｌｔｅｒ　ｉｓ　ｄｒａｗｎ　ｏｕｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＡＴＬＡＢ；Ｅｍｕｌａｔｉｏｎ；ＨＶＤＣ；ＡＣ　ｆｉｈｅｒ　１前言　的滤波器的电气原理，表１是灵宝站和龙泉站的　滤波器电容、电感大致的参数配置。　１．１龙泉、灵宝换流站滤波器的电容、电感参数　配置　目前，超高压直流输电（ＨＶＤＣ）是我国长距　离大容量输电的主导方式。由于超高压直流输电　存在整流和逆变的过程，必然会产生大量的谐波，　所以需要装设大量的滤波器。本文结合河南灵宝　２２０ｋＶ／３３０ｋＶ背靠背换流站（以下简称灵宝站）　和湖北宜昌龙泉５００ｋＶ换流站（以下简称龙泉　站）的交流滤波器的配置情况，通过ＭＡＴＬＡＢ仿　真，对超高压直流输电系统中交流侧最常用的双　调谐滤波器和Ｃ型滤波器的特性进行分析研究，　以得到一些有用的结论。图１是灵宝站和龙泉站　（ａ）龙泉站双调谐Ｒｌ　Ｒ　（ｂ）灵宝站３３０ｋＶ侧双调谐　（ｃ）Ｃ型　图１　双调谐滤波器和Ｃ型滤波器的电气原理图　１．２　Ｃ型滤波器调谐特性分析　为了便于分析，在图１（Ｃ）中，忽略电阻Ｒ。则　谐振条件为：　收稿日期：２００６－０８—２８　维普资讯 http://www.cqvip.com

－２４・　电力电容器　２００６年第６期　表１　灵宝站和龙泉站滤波器电窖、电感参数配置　谐振　一击＋ｔｏＬ：一　１＝。　√精（１）　的串联谐振回路，称为主调谐回路或主回路，频率为　（角频率为∞　）；Ｃ：、Ｌ：构成并联谐振回　∞　就是ｃ型滤波器的中心角频率。　路，称为辅助调谐回路或调谐回路，谐振频率为　令ｎ：／Ｖ　　，则式（１）可以变为：　（角频率为∞　）。两个回路复合后，会产生两个调　１　谐点　、∞。和　、∞：。ｆｏ＝　、∞。＝　分别　√　■。／ｃ１＋ｃ２　　ｌ　ｎ　…　称为双调谐滤波器的中心频率和中心角频率…。　在基波下，主回路的阻抗远大于调谐回路的　显然，如果让　：、Ｃ：在基波下谐振，则∞　为　阻抗，所以无功主要靠ｃ。提供，ｃ：只流过谐波电　流，不起无功补偿作用。　基波角频率。令ｎ：．、／　　，则Ｃ型滤波器可　１　为分析方便，忽略电阻尺，对于主回路有：　以滤除／７，次谐波。　ｚ　＝　（∞厶一　）　（３）　当　：、ｃ：的谐振频率为基波时，ｃ型滤波器　可以滤除ｎ次谐波。这样设计的ｃ型滤波器是　１　４　ｃ　最为合理的，因为此时尺上的基波电压几乎为０，　＾，…１　电阻消耗的基波功率最小，这就是ｃ型滤波器的　对于调谐回路，有：　优点所在。目前ｃ型滤波器都是按这个原则设　（５）　计的。实际上，ｃ：不能向系统提供无功，只是可　以降低尺上的基波损耗。电阻尺对ｃ型滤波器　１　６　的滤波调谐点（以下简称调谐点，调谐点不是谐　振点）影响很小。　当ｚ。＋Ｚ：＝０时回路谐振，于是有：　１．３双调谐滤波器调谐特性分析　１　２Ｃ１Ｃ２ｔｏ４一（　１Ｃ１＋　２Ｃ２＋　２Ｃ１）∞　＋１＝Ｏ　双调谐滤波器的电气原理如图１（ａ）和图１　（７）　（ｂ）所示，其中ｃ。、　。构成与单调谐滤波器类似　解得：　（　１Ｃ１＋Ｌ２Ｃ２＋Ｌ２Ｃ１）一√（　１Ｃ１＋Ｌ２Ｃ２＋Ｌ２Ｃ１）　一４Ｌ１Ｌ２Ｃ１Ｃ２　∞１　２　１Ｌ２Ｃ１　Ｃ２　（８）　２　（　１Ｃ１＋Ｌ２Ｃ２＋Ｌ２Ｃ１）＋￣／（　１Ｃ１＋Ｌ２Ｃ２＋Ｌ２Ｃ１）　一４Ｌ１Ｌ２Ｃ１Ｃ２　∞２　２　１Ｌ２Ｃ１Ｃ　（９）　式（８）、（９）中，∞。、∞：分别为整个回路的两个　∞２∞１１∞∞２；＝１　１／Ｌ１／　１　Ｌ２２　Ｃ’１　Ｃ２　（１Ｏ）　谐振点。由式（８）、（９）可得：　由前面的分析及式（１Ｏ）可得：　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第６期　１　，ＭＡ　Ｉ＇ＬＡＢ仿真在ＨＶＤＣ交流滤波器分析中的应用　１　１　。－２５・　２　２　０９１０９１——Ｌ　ＬＣ　Ｃ，。。Ｌ　Ｃ　。ＬＣ。　２＝　高通特性。　（１１）　Ｚ（∽）　Ｇ　Ｋ＝　０Ｇ　Ｋ　　２实际上电阻对双调谐滤波器的调谐点是有一　定影响的，但影响很小。电阻值的影响可以用　ＭＡＴＬＡＢ来分析，只要电阻值选取足够大，　就不　会对回路的调谐点产生影响，它主要用来调节滤　波器ｐ值。　文献　认为，为了使滤波器的阻抗一频率特　性最平滑，主回路的谐振频率与调谐回路的谐振　频率应该设置成一样，即应该有　。＝　＝　。。从　表１的参数可以看出，如果忽略　，在ＨＶＤＣ双调　谐滤波器中，有将主回路的谐振频率与调谐回路　的谐振频率设置成一样的，如龙泉站的ＨＰ１１／１３　和ＨＰ２４／３６双调谐滤波器。该站ＨＰ１　１／１３滤波　器主回路和调谐回路的谐振频率均为１１．９５８次，　ＨＰ２４／３６主回路和调谐回路的谐振频率均为　２９．４次。也有将主回路的谐振频率与调谐回路　的谐振频率设置成不一样的，如灵宝站的ＨＰ１２／　２４滤波器，该站２２０ｋＶ侧主回路的谐振频率为　ｌ６．２６次，调谐回路的谐振频率为ｌ７．７１次；　３３０ｋＶ侧主回路的谐振频率为ｌ６．２９次，调谐回　路的谐振频率为１７．６８次。但中心频率均为　ｌ６．９７次，且主回路和调谐回路的谐振频率很接　近，与中心频率间的偏差也相等。　２利用ＭＡＴＬＡＢ仿真分析滤波器的阻抗一频率　特性　２．１　Ｃ型滤波器阻抗一频率特性仿真　采用传统的数学方法来分析ｃ型滤波器的　阻抗一频率特性（ｚ（　）一￣－Ｏ特性）很不直观，利　用ＭＡＴＬＡＢ仿真进行，则可以达到事半功倍的效　果。为了了解　的影响，改变　后，采用ＭＡＴ－　ＬＡＢ对龙泉换流站的ｃ型滤波器一ＨＰ３滤波器　的进行仿真，结果如图２所示。　从图２可以看出，龙泉ＨＰ３滤波器的调谐点　位于　＝９４２左右，　改变几乎不影响调谐点。但　随着　的增大，ＨＰ３滤波器将不再具有高通特性。　图３是龙泉站和灵宝站的ＨＰ３滤波器按表１　的参数进行ＭＡＴＬＡＢ仿真的阻抗一频率特性，从　图３中可以看出，３个ＨＰ３滤波器的谐振点是一　样的，且高频阻抗均与工频阻抗差不多，也不具有　图２龙泉站ｃ型滤波器（ＨＰ３）　不同　值的阻抗～频率特性　Ｚ（∞）　图３　灵宝站和龙泉站ｃ型滤波器　（ＨＰ３）阻抗一频率特性　２．２双调谐滤波器阻抗一频率特性仿真　采用传统的数学方法来分析双调谐滤波器的　阻抗一频率特性（ｚ（　）一￣－Ｏ特性）更不直观，所　以还是采用ＭＡＴＬＡＢ仿真的办法进行。由于灵　宝２２０ｋＶ侧和３３０ｋＶ侧的ＨＰ１２／２４双调谐滤波　器的电气原理图不一样，２２０ｋＶ侧采用的是图１　（ａ）所示的原理，而３３０ｋＶ侧采用的是图１（ｂ）所　示的原理，所以将这两个ＨＰ１２／２４双调谐滤波器　进行对比。根据图１和表１给定的参数，通过　ＭＡＴＬＡＢ仿真后，其阻抗一频率特性结果如图４、　图５所示。　从图４、图５可以看出，灵宝站２２０ｋＶ侧和　３３０ｋＶ侧的ＨＰ１２／２４滤波器的两个调谐点，分别　位于　＝３７７０和　＝７５４０附近，　改变几乎不影　响调谐点，均具有高通特性。从图４还可以看出，　当Ｒ小到８０时，ＨＰ１２／２４滤波器的两个调谐点将　发生偏移。对比图４和图５不难看出，由于接线　方式的不同，灵宝站３３０ｋＶ侧ＨＰ１２／２４滤波器的　ｌ２次调谐点的阻抗比２４次调谐点的阻抗小，而　灵宝站２２０ｋＶ侧ＨＰ１２／２４滤波器的ｌ２次调谐点　维普资讯 http://www.cqvip.com

・２６・　电力电容器　２００６年第６期　的阻抗比２４次调谐点的阻抗大。　图４灵宝站２２０ｋＶ侧ＨＰ１２／２４滤波器　不同　值的阻抗一频率特性（图ｌ（ａ）原理）　图５灵宝站３３０ｋＶ侧ＨＰ１２／２４滤波器　不同　值的阻抗一频率特性（图ｌ（ｂ）原理）　图６是按表１参数仿真的龙泉站ＨＰｌｌ／１３、　ＨＰ２４／３６滤波器以及灵宝站２２０ｋＶ侧和３３０ｋＶ　侧的ＨＰ１２／２４滤波器的阻抗一频率特性。　图６灵宝站和龙泉换流站的　双调谐滤波器阻抗一频率特性　３利用ＭＡＴＬＡＢ仿真分析滤波器的电流一频率　特性　３．１　ｃ型滤波器电流一频率特性仿真　为了便于研究，将滤波器的电压视为ｌ，同时　以　＝　∞。（∞。为忽略　的额定谐振角频率）作　为横坐标，则滤波器的电流一频率特性，（∞）一ｃＤ　将变为导纳一频率特性或１／Ｚ（山）一　特性。对　于不同的　值，采用ＭＡＴＬＡＢ对龙泉５００ｋＶ换流　站ＨＰ３滤波器的１／Ｚ（∞）一　特性进行仿真，结　果如图７所示。图８则是按表１的参数进行　ＭＡＴＬＡＢ仿真的龙泉站和灵宝站的ＨＰ３滤波器　的１／Ｚ（∞）一　特性。　图７龙泉站Ｃ型滤波器（ＨＰ３）　不同　值的电流一频率特性　图８龙泉站和灵宝站Ｃ型滤波器（ＨＰ３）　的电流一频率特性　从图７可以看出，　越大，调谐点的电流越　大，波形越尖，相应的Ｑ值越大，滤波效果越好，　但也越容易失谐。　的变化不会改变调谐点。从　图７进一步说明龙泉站和灵宝站ＨＰ３滤波器不　具有高通特性，因为越过调谐点后，频率越高，滤　波器的电流越小。　３．２　双调谐滤波器的滤波电流一频率特性仿真　同样将滤波器的电压视为ｌ，则双调谐滤波　器的电流一频率特性将变为导纳一频率或１／Ｚ　（∞）一∞特性。根据图１和表１给定的参数，通　过ＭＡＴＬＡＢ仿真后，灵宝站２２０ｋＶ侧和３３０ｋＶ侧　的ＨＰ１２　／２４双调谐滤波器的电流一频率特性如　图９、图１０所示。在图９、图ｌ０中，为了分析　的　影响，设定了几个不同的　值。　从图９、图１０可以看出，　越大，调谐点的电　流越大，波形越尖，相应的Ｑ值越大，滤波效果越　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第６期　ＭＡＴＬＡＢ仿真在ＨＶＤＣ交流滤波器分析中的应用　・２７・　好，但也越容易失谐。同样由于接线方式的不同，　宝站２２０ｋＶ侧和３３０ｋＶ侧的ＨＰ１２／２４滤波器的　灵宝站３３０ｋＶ侧ＨＰ１２／２４滤波器的１２次调谐点　电流一频率特性。　的电流比２４次调谐点的电流大，而灵宝站２２０ｋＶ　前面所有的仿真都是基于理想情况进行的，　侧ＨＰ１２／２４滤波器的１２次调谐点的电流比２４　即忽略了电容器和滤波电抗器本身的电阻。在实　次调谐点的电流小。　际工程中，由于电容器和滤波电抗器本身的电阻　１／Ｚ【ｕ）　Ｏ２５　不为０，滤波器的阻抗一频率特性和电流一频率　Ｏ２　特性会有一些变化，但不会影响滤波器的调谐点。　Ｏｌ１５　４结论　ｏｌ　４．ｉ利用ＭＡＴＬＡＢ可以方便快捷地绘出ｃ型滤　Ｏ＿０５　０　波器和双调谐滤波器的阻抗一频率特性曲线和电　流一频率特性曲线，可以更为直观地分析ＨＶＤＣ　交流滤波器。　图９灵宝站２２０ｋＶ侧ＨＰ１２／２４滤波器　４．２电阻Ｒ的变化对ｃ型滤波器的调谐点没有　不同Ｒ值的电流一频率特性（图１（ａ）原理）　／Ｚ（ｕ）　影响，电阻Ｒ足够大时，Ｒ对双调谐滤波器的调谐　点几乎没有影响，在分析调谐点时可以不考虑　ｎｏ４　∞３５　Ｑ∞　的影响。但随着尺的增大Ｃ型滤波器将不具有　ＯＤ２５　Ｒ１＝１４００Ｑ，ｅｒ＝ｍｏｏＱ　Ｏ０２　高通特性，而双调谐滤波器具有高通特性。　０．０１５　一尺ｌ＝＿７ｏ０Ｑ皿　ｌＯ００Ｑ　ＯＯ１　．－－－Ｒ１＝３５０ｎ　：１０００Ｑ　４．３　越大滤波器的滤波效果越好，通频带越　２ｏｏ０　４０００　６０００　８０００　ｌ００００　ｌ２０００　ｌ４ｏ０Ｏ　１６（￣０（ｃＬ））　窄，越容易失谐。反之，Ｒ越小滤波效果越差，通　频带越宽，稳定性越好。　图１Ｏ　灵宝站３３０ｋＶ侧ＨＰ１２／２４滤波器不同　参考文献：　Ｒ值的电流一频率特性（图１（ｂ）原理）　［１］夏道止，沈赞埙．高压直流输电系统的谐波分　析及滤波［Ｍ］．北京：水利电力出版社．　［２］翁利民等．两种新型滤波器的特性研究［Ｊ］．　电力电容器，２０００，（３）：４—８．　作者简介：　张成（１９７１一）男，湖北麻城人，工程师，主要从事生产　图１１　龙泉站和灵宝站双调谐滤波器的　技术工作。　电流一频率特性　吴维柏（１９５７一）男，广西玉林人，工程师，主要从事电力　电容器设计制造工作。　图１１是按表１中的参数进行ＭＡＴＬＡＢ仿真　左强林（１９６７一）男，广西贺州人，工程硕士，高级工程师，　的龙泉换流站ＨＰ１　１／１３、ＨＰ２４／３６滤波器以及灵　主要从事电力电容器设计制造工作。　欢迎订阅！欢迎刊登广告！