應用移相原理的零序濾波器諧波治理改進

劉力靜++許家歡

摘 要：由于零序濾波器自身的結構特點，無法濾除電網中除3的倍數次以外的諧波。根據變壓器移相濾波原理，對變壓器二次側兩個繞組采用星型和角型連接方式，使繞組之間的相電壓產生30°的移相，經過繞組之間的諧波疊加消除5、7次等諧波。利用電磁暫態仿真軟件（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）仿真，建立由移相變壓器和零序濾波器組成的系統模型，對比分析仿真結果表明，移相變壓器能夠有效濾除網側的5、7次等諧波，同時不影響零序濾波器的正常運行，移相變壓器與零序濾波器的相互配合提高了濾波效果，為諧波治理的工程應用提供了一種新思路。

關鍵詞：零序濾波器 移相濾波原理 星型連接 角型連接 5、7次諧波 諧波治理

中圖分類號：TM477 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0070-04

隨著城市現代化的發展，電力電子器件已廣泛應用于工業規模化生產及人們的工作生活中，如在電解工業及軌道交通中需要采用晶閘管、二極管等非線性電力電子元件組成的整流系統，其將交流電變成恒定直流電作為工作電源，隨著整流系統容量愈大，電力電子器件會消耗大量的無功，從而產生大量諧波[1]。在大型商廈及寫字樓中存在的計算機、辦公自動化設備、變頻空調、節能燈及其鎮流器、大型顯示屏幕、不間斷電源等非線性用電設備都會產生大量諧波[2-3]。諧波產生的附加損耗會降低設備運行效率；3次諧波會通過輸電線路和中性線形成回路，使中性線電流甚至超過相電流，嚴重時會造成中性線的斷線；諧波還會影響電力系統電能質量及干擾通信系統，使數據傳輸失真[4-6]。

三相零序諧波電流是3個幅值相等，相位相同的3次及3的倍數次諧波電流[7]。零序濾波器是繞組采用Z型連接的濾波電抗器，對零序電流呈低阻特性，從而使零序電流主要流經零序濾波器而不通過中性線。相比于無源濾波器，其濾波特性不受系統參數影響，不易出現過負荷、失諧等現象；與有源濾波器相比，結構簡單，無復雜控制策略，成本較低。但是，電網諧波種類豐富，如多數橋式整流電路因換相導致交流側電流存在含量可觀的5、7次諧波，而其不能被零序濾波器濾除[8-11]。

本文在介紹零序濾波器結構及工作原理的基礎上，針對電網中5、7次諧波的治理，引入移相濾波技術對零序濾波器進行改進，將移相變壓器二次側兩個繞組連接成星型和角型，建立移相變壓器和零序濾波器的系統仿真模型，仿真結果表明，在濾除零序諧波的同時，5、7次諧波含量也大大降低。

1 零序濾波器的結構與原理

新型磁通補償型零序濾波器繞組的接線方式如圖1所示，每相繞組分為兩部分，分別位于兩個不同的芯柱上，即將一個芯柱的上半繞組與另一個芯柱的下半繞組反串起來，組成一相。每個鐵芯柱的上下繞組匝數相等，下半繞組作為磁通補償繞組，繞組采用Z型連接，不同相之間的繞組匝數也相等。A、B、C三相電流從每相的上半繞組中流入，同時將3個下半繞組接在一起后接到電網的中性線N上。圖1中ΨA0為A相鐵芯柱上半繞組零序激磁磁通；Ψa0為A相鐵芯柱下半繞組零序激磁磁通；ΨB0為B相鐵芯柱上半繞組零序激磁磁通；Ψb0為B相鐵芯柱下半繞組零序激磁磁通；ΨC0為C相鐵芯柱上半繞組零序激磁磁通；Ψc0為C相鐵芯柱下半繞組零序激磁磁通。

由于各相繞組匝數相等，采用Z型連接后同一個鐵芯柱的上下繞組產生的零序激磁磁通等大反向，即滿足：

由（1）式可知，如果流經濾波器的三相電流相等，則同一鐵芯柱上的零序激磁磁通將會相互抵消，使每相串聯繞組呈現低阻抗，而具有此特性的電流正是零序諧波電流，而對于正負序電流，因正負序磁通不能相會抵消，其激磁磁阻很大，將不會通過零序濾波器。

2 移相濾波原理

移相方式分為星角繞組移相、移相繞組移相和移相自耦變壓器移相3種[12]，本文采用的是變壓器二次側星角繞組移相，移相變壓器繞組連接原理圖如圖2所示，其中一次側繞組（A1～C1）采用星型連接，二次側繞組采用星型和角型連接，該種連接方式使二次側的星型繞組（A2Y～C2Y）與角型繞組（A2D～C2D）的相電壓相位相差30°，其中一次側繞組與二次側的星型繞組、角型繞組的匝數比為1∶1∶31/2。

假設二次側星型繞組的基波電流如下：

當系統產生n次諧波時，設n次諧波的初始相位角為φn，則流過二次側星型繞組的n次諧波為：

該n次諧波電流在二次側星型三相繞組中的感應磁勢如下：

式中：W2Y為二次側星型繞組匝數。

二次側角型連接的繞組中的基波電流相位超前二次側星型繞組基波電流相位30°，其基波電流表達式如下：

則流過二次側角型繞組的n次諧波為：

將式（6）中的線電流通過和差化積公式轉化為繞組的相電流，則相電流在角型繞組中產生的諧波磁勢為：

當n=3k（k=1，2，3，…），即諧波電流為零序電流時，式（7）可以寫成：

（8）

當n=3k+1（k=1，2，3，…），即諧波電流為正序電流時，式（7）可以寫成：

當n=3k-1（k=1，2，3，…），即諧波電流為負序電流時，式（7）可以寫成：

由于W2Y∶W2D=1∶31/2，則式（4）（9）（10）的磁勢幅值相等，當式（4）的n次諧波磁勢與式（9）（10）的磁勢相位相差180°時，鐵芯中的諧波磁勢相互抵消，鐵芯中則不會在存在諧波磁通，達到濾波的效果。為此，式（4）（9）（10）的磁勢相位需滿足下式：

解得n=5，7，17，19，…

由以上分析可得，在二次繞組采用星角連接時，鐵芯中的5、7、17、19等次數諧波磁勢相互抵消，因此不會在變壓器網側感應5、7、17、19等次數諧波電流。endprint

3 模型仿真與分析

將移相濾波原理應用于零序濾波器的PSCAD仿真模型如圖3所示，虛線框中為零序濾波器，兩組對稱負荷即諧波源采用單相二極管全波整流電路，三繞組變壓器一次側為星型連接，二次側分別為星型和角型連接，雙繞組隔離變壓器的作用是提供中性線，r1、r2、r3、L1、L2為線路參數。

首先對零序濾波器的濾波效果進行仿真，系統是在功率為15kVA，線電壓為380V。中性線電流濾波前后電流波形如圖4、圖5所示，加裝零序濾波器后中性線電流的峰值減小為不加零序濾波器中性線電流的6%，諧波電流大部分通過零序濾波器流回負載，中性線電流大幅度減小。

圖6和圖7分別為加入移相變壓器前后網側A相電流各次諧波的含有率，兩圖中由于零序濾波器的濾波作用，3次及6次諧波含量很少，同時移相濾波后5次及7次諧波含有率分別降低了74.78%和72.59%，總諧波畸變率THD由50.79%降低為13.43%，提高了系統的濾波效果。

4 結語

本文在介紹零序濾波器結構及工作原理的基礎上，提出其濾波效果的缺陷，即電網的5次及7次諧波難以濾除，因此引入移相濾波技術，將三繞組變壓器的二次側繞組實行星角連接，使星角繞組之間的相電壓相位產生30°的移相，經過繞組之間的諧波疊加消除5、7次等諧波，通過PSCAD的建模仿真驗證了該方法的正確性，在濾除網側3次及其倍數次諧波的同時，5、7次諧波也能被很好地濾除，提高了系統濾波效果。

參考文獻

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