应用移相原理的零序滤波器谐波治理改进

刘力静++许家欢

摘 要：由于零序滤波器自身的结构特点，无法滤除电网中除3的倍数次以外的谐波。根据变压器移相滤波原理，对变压器二次侧两个绕组采用星型和角型连接方式，使绕组之间的相电压产生30°的移相，经过绕组之间的谐波叠加消除5、7次等谐波。利用电磁暂态仿真软件（Power Systems Computer Aided Design，PSCAD）仿真，建立由移相变压器和零序滤波器组成的系统模型，对比分析仿真结果表明，移相变压器能够有效滤除网侧的5、7次等谐波，同时不影响零序滤波器的正常运行，移相变压器与零序滤波器的相互配合提高了滤波效果，为谐波治理的工程应用提供了一种新思路。

关键词：零序滤波器 移相滤波原理 星型连接 角型连接 5、7次谐波 谐波治理

中图分类号：TM477 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0070-04

随着城市现代化的发展，电力电子器件已广泛应用于工业规模化生产及人们的工作生活中，如在电解工业及轨道交通中需要采用晶闸管、二极管等非线性电力电子元件组成的整流系统，其将交流电变成恒定直流电作为工作电源，随着整流系统容量愈大，电力电子器件会消耗大量的无功，从而产生大量谐波[1]。在大型商厦及写字楼中存在的计算机、办公自动化设备、变频空调、节能灯及其镇流器、大型显示屏幕、不间断电源等非线性用电设备都会产生大量谐波[2-3]。谐波产生的附加损耗会降低设备运行效率；3次谐波会通过输电线路和中性线形成回路，使中性线电流甚至超过相电流，严重时会造成中性线的断线；谐波还会影响电力系统电能质量及干扰通信系统，使数据传输失真[4-6]。

三相零序谐波电流是3个幅值相等，相位相同的3次及3的倍数次谐波电流[7]。零序滤波器是绕组采用Z型连接的滤波电抗器，对零序电流呈低阻特性，从而使零序电流主要流经零序滤波器而不通过中性线。相比于无源滤波器，其滤波特性不受系统参数影响，不易出现过负荷、失谐等现象；与有源滤波器相比，结构简单，无复杂控制策略，成本较低。但是，电网谐波种类丰富，如多数桥式整流电路因换相导致交流侧电流存在含量可观的5、7次谐波，而其不能被零序滤波器滤除[8-11]。

本文在介绍零序滤波器结构及工作原理的基础上，针对电网中5、7次谐波的治理，引入移相滤波技术对零序滤波器进行改进，将移相变压器二次侧两个绕组连接成星型和角型，建立移相变压器和零序滤波器的系统仿真模型，仿真结果表明，在滤除零序谐波的同时，5、7次谐波含量也大大降低。

1 零序滤波器的结构与原理

新型磁通补偿型零序滤波器绕组的接线方式如图1所示，每相绕组分为两部分，分别位于两个不同的芯柱上，即将一个芯柱的上半绕组与另一个芯柱的下半绕组反串起来，组成一相。每个铁芯柱的上下绕组匝数相等，下半绕组作为磁通补偿绕组，绕组采用Z型连接，不同相之间的绕组匝数也相等。A、B、C三相电流从每相的上半绕组中流入，同时将3个下半绕组接在一起后接到电网的中性线N上。图1中ΨA0为A相铁芯柱上半绕组零序激磁磁通；Ψa0为A相铁芯柱下半绕组零序激磁磁通；ΨB0为B相铁芯柱上半绕组零序激磁磁通；Ψb0为B相铁芯柱下半绕组零序激磁磁通；ΨC0为C相铁芯柱上半绕组零序激磁磁通；Ψc0为C相铁芯柱下半绕组零序激磁磁通。

由于各相绕组匝数相等，采用Z型连接后同一个铁芯柱的上下绕组产生的零序激磁磁通等大反向，即满足：

由（1）式可知，如果流经滤波器的三相电流相等，则同一铁芯柱上的零序激磁磁通将会相互抵消，使每相串联绕组呈现低阻抗，而具有此特性的电流正是零序谐波电流，而对于正负序电流，因正负序磁通不能相会抵消，其激磁磁阻很大，将不会通过零序滤波器。

2 移相滤波原理

移相方式分为星角绕组移相、移相绕组移相和移相自耦变压器移相3种[12]，本文采用的是变压器二次侧星角绕组移相，移相变压器绕组连接原理图如图2所示，其中一次侧绕组（A1～C1）采用星型连接，二次侧绕组采用星型和角型连接，该种连接方式使二次侧的星型绕组（A2Y～C2Y）与角型绕组（A2D～C2D）的相电压相位相差30°，其中一次侧绕组与二次侧的星型绕组、角型绕组的匝数比为1∶1∶31/2。

假设二次侧星型绕组的基波电流如下：

当系统产生n次谐波时，设n次谐波的初始相位角为φn，则流过二次侧星型绕组的n次谐波为：

该n次谐波电流在二次侧星型三相绕组中的感应磁势如下：

式中：W2Y为二次侧星型绕组匝数。

二次侧角型连接的绕组中的基波电流相位超前二次侧星型绕组基波电流相位30°，其基波电流表达式如下：

则流过二次侧角型绕组的n次谐波为：

将式（6）中的线电流通过和差化积公式转化为绕组的相电流，则相电流在角型绕組中产生的谐波磁势为：

当n=3k（k=1，2，3，…），即谐波电流为零序电流时，式（7）可以写成：

（8）

当n=3k+1（k=1，2，3，…），即谐波电流为正序电流时，式（7）可以写成：

当n=3k-1（k=1，2，3，…），即谐波电流为负序电流时，式（7）可以写成：

由于W2Y∶W2D=1∶31/2，则式（4）（9）（10）的磁势幅值相等，当式（4）的n次谐波磁势与式（9）（10）的磁势相位相差180°时，铁芯中的谐波磁势相互抵消，铁芯中则不会在存在谐波磁通，达到滤波的效果。为此，式（4）（9）（10）的磁势相位需满足下式：

解得n=5，7，17，19，…

由以上分析可得，在二次绕组采用星角连接时，铁芯中的5、7、17、19等次数谐波磁势相互抵消，因此不会在变压器网侧感应5、7、17、19等次数谐波电流。endprint

3 模型仿真与分析

将移相滤波原理应用于零序滤波器的PSCAD仿真模型如图3所示，虚线框中为零序滤波器，两组对称负荷即谐波源采用单相二极管全波整流电路，三绕组变压器一次侧为星型连接，二次侧分别为星型和角型连接，双绕组隔离变压器的作用是提供中性线，r1、r2、r3、L1、L2为线路参数。

首先对零序滤波器的滤波效果进行仿真，系统是在功率为15kVA，线电压为380V。中性线电流滤波前后电流波形如图4、图5所示，加装零序滤波器后中性线电流的峰值减小为不加零序滤波器中性线电流的6%，谐波电流大部分通过零序滤波器流回负载，中性线电流大幅度减小。

图6和图7分别为加入移相变压器前后网侧A相电流各次谐波的含有率，两图中由于零序滤波器的滤波作用，3次及6次谐波含量很少，同时移相滤波后5次及7次谐波含有率分别降低了74.78%和72.59%，总谐波畸变率THD由50.79%降低为13.43%，提高了系统的滤波效果。

4 结语

本文在介绍零序滤波器结构及工作原理的基础上，提出其滤波效果的缺陷，即电网的5次及7次谐波难以滤除，因此引入移相滤波技术，将三绕组变压器的二次侧绕组实行星角连接，使星角绕组之间的相电压相位产生30°的移相，经过绕组之间的谐波叠加消除5、7次等谐波，通过PSCAD的建模仿真验证了该方法的正确性，在滤除网侧3次及其倍数次谐波的同时，5、7次谐波也能被很好地滤除，提高了系统滤波效果。

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