用于设计高压直流系统中多调谐滤波器的方法与流程

本申请要求于2015年7月30日提交的韩国专利申请第10-2015-0108403号的优先权的权益，其通过全文引用并入此处。

技术领域

本公开涉及一种根据高压直流(下文中，称作‘HVDC’)系统的特性来设计多调谐滤波器(下文中，称作‘MTF’)的方法。

背景技术：

在HVDC系统中，谐波滤波器防止将在电源转换过程中通过转换器的操作而产生的谐波引入AC系统中，并还用作消耗无功功率过程中的无功功率供应源。大多数电流型HVDC系统使用12个脉冲进行操作，并因此产生诸如第11次、第13次、第23次和第25次的12n+1次特征谐波。具体地，由于第11次和第13次谐波的幅度较大，所以第11次和第13次滤波器用来降低第11次和第13次谐波的幅度。

在电流型HVDC系统中，大多数转换器使用12个脉冲进行操作。在韩国济州岛目前安装的80kV 60MW HVDC系统中，转换器也被配置为利用两个6脉冲组串联的12脉冲转换器。

在HVDC系统中，单调谐滤波器(STF)或双调谐滤波器(DTF)广泛用作谐波滤波器。用于滤波器的串联和并联阻抗的公式可以用来设计滤波器。

滤波器的设计是通过基于包括在滤波器中的无源元件的设计额定值或性能的被动计算来进行。因此，任何精确、有效和标准的方式或方法都不存在。

技术实现要素：

实施例提供一种根据HVDC系统特性的MTF、一种用于设计阻尼型MTF的方法，以及一种设计装置。

在一个实施例中，一种用于设计HVDC系统中MTF的方法包括：设定构成MTF的输入参数；设定MTF的谐振频率；基于输入参数和谐振频率提取构成MTF的至少一个LC组合情况；对关于LC组合情况的谐波减少进行优化；并提取基于通过进行优化所获取的结果而确定的LC组合情况。

根据本公开，能够实现HVDC系统中的MTF，该MTF具有R、L和C的优化组合，该组合经由上述方法通过考虑到效率和谐波减少来满足谐波电压调节值和谐波电流允许水平。

在以下的附图和说明书中阐述一个或多个实施例的细节。其他特征将从说明书和附图以及权利要求书中变得显而易见。

附图说明

图1为示出一般HVDC系统的配置图。

图2为示出与在其中嵌入有谐波滤波器的HVDC系统相对应的谐波等效模型的配置图。

图3为示出根据实施例的利用等效电路的方式来设计MTF的方法的示范图。

图4为示出实施例应用于的MTF的滤波器参数设定装置的配置框图。

图5和6为示出根据实施例的方法的流程图。

具体实施方式

下文中，将参考附图对示例性实施例进行详细描述。实施例的技术目标并不局限于上述技术问题，且本领域的技术人员能够通过以下的公开清楚地理解上文未提及的技术问题。在附图中，装置的尺寸、厚度等都被夸大以便于说明。相同的附图标记在整个说明书和附图中表示相同的元件。

图1为示出一般HVDC系统的配置图。

参见图1，在HVDC系统中示出可安装于80kV HVDC系统的MTF。80kV HVDC系统具有典型的双电极系统，并配置有具有两个相同电极的12脉冲转换器。

HVDC系统的转换器可以产生特定值以上的谐波电流。因此，除非正在进行滤波，否则谐波电流可能会造成AC电压失真并干扰系统的正常操作。

谐波滤波器通过形成具有小阻抗的并联线路而允许谐波电流通过其流出，使得该谐波电流在AC电压失真能够允许的范围之内。

12脉冲转换器具有12n+1次的特征谐波。因此，在此滤波器中的所要求的谐波分量可以为第11次、第13次、第23次和第25次分量。阶次高于第11次、第13次、第23次和第25次的谐波分量可以由高通滤波器进行衰减。

80kV HVDC系统可以包括MTF和高通滤波器，它们补偿17MVar的无功功率。在MTF中，高压电容器组C1和低电压空心电抗器L1可以彼此串联耦合，并且低压电容器组C2和空心电抗器L2可以彼此并联耦合。此处，谐波滤波器可以作用为在60Hz(频率)下向系统供应无功功率。

图2为示出与在其中嵌入有谐波滤波器的HVDC系统相对应的谐波等效模型的配置图。

参见图2，电流型HVDC转换器可以从AC系统中吸收无功功率并通过谐波滤波器供应转换器所需的无功功率。

HVDC转换器可在其AC阶段被模型化为恒流谐波电源，并可在其DC阶段被模型化为恒压谐波电源。谐波滤波器作用为防止将在HVDC转换器中产生的谐波引入AC系统中，并因此如图2所示，在其AC阶段利用恒流谐波电源的谐波等效模型可用作谐波滤波器。

此处，I_n代表由HVDC转换器产生的谐波电流，以及I_fn和I_sn分别代表引入滤波器和AC系统的谐波电流。Z_fn和Z_sn分别代表AC系统的谐波阻抗，以及V_sn代表AC系统的谐波电压。

谐波滤波器的性能依赖于AC系统的导纳值。由于AC系统的导纳值根据实际电源系统的状态在时间上变化，所以难以获得给定频率下的精确的导纳值。因此，在谐波滤波器的设计中，给定频率下的导纳可以在具有作为边界的导纳角的复平面上来确定。

图3为示出根据实施例的利用等效电路方式来设计MTF的方法的示范图。

参见图3，当设计HVDC系统中的AC滤波器(或谐波滤波器)时，需要考虑谐波失真、系统可靠性、成本等。

在谐波滤波器中，产生与一个组合相对应的成本。因此，如图3(b)或3(c)所示的由同样的滤波器组合彼此并联耦合而实现的谐波滤波器，相较于如图3(a)所示的利用两个单调谐滤波器(下文中，称作'STFs')来移除两个谐波的谐波滤波器，在移除相同数目的谐波中使用更小的空间，这在经济上有利的。

此外，可使用如图3(c)所示的包括与并联LC谐振组合相并联耦合的阻尼电阻器R的阻尼型MTF形式。

等效电路的方式可以为MTF的设计中相对容易着手的方式。

对于MTF的设计，待补偿的无功功率的总量平均分配给STFs，并选择每个STF的参数值。

当STF的参数值选定时，需要确定施加给滤波器的电压大小和待由该滤波器补偿的无功功率的量。

因为串联LC滤波器的结构，串联LC滤波器中的电容器和电感器彼此串联耦合，则因此，滤波器的电抗可以为电容器和电感器之间的电抗差。

同时，整个滤波器在第h次谐波的阻抗将为0，并且因此，电容器的电抗等于电感器的电抗乘以h的平方所获得的值。

根据上述方法，HVDC系统的转换器产生特定值以上的谐波电流，并因此，安装谐波滤波器以允许谐波电流从其中流出，使得该谐波电流在AC电压失真能够允许的范围以内。

12脉冲转换器具有12n+1次特征谐波。因此，滤波器中所需的谐波分量为第11次、第13次、第23次和第25次分量。次数高于第11次、第13次、第23次和第25次的谐波分量可由高通滤波器进行衰减。

如图3(b)的示例图所示，在MTF中，高压电容器组C1和低电压空心电抗器L1可以彼此串联耦合，并且低压电容器组C2和空心电抗器L2可以彼此并联耦合。此外，MTF可以根据待被去除的谐波通过串联耦合多个LC谐振组合来配置，每个LC谐振组合均通过将低压电容器组C3和空心电抗器L3彼此并联耦合来配置。

谐波滤波器作用为在60Hz下向系统供应无功功率。因此，整流器和逆变器的端子吸收与转换器和AC系统之间交换的有功功率成比例的无功功率。由于谐波滤波器使用电容器，所以能够供应所需无功功率给转换器。如果无功功率未从滤波器被充分补偿，端子处的AC电压可能不具有用于正常操作转换器的足够的大小。

同时，HVDC转换器在DC阶段是恒压谐波电源，并在AC阶段可以被模型化为恒流谐波电源。由于滤波器的功能之一为防止将HVDC转换器中产生的谐波引入AC系统，所以需要在AC阶段为谐波分析进行建模。

此处，滤波器和耦合到其上的电源系统(例如，AC系统)可以利用阻抗来表示或模型化。

滤波器可以这样来设计：在将产生于转换器中的谐波电流引入系统一定程度之后利用图2的模型计算出与此(电流)程度相对应的电压的谐波特性。

此外，模型可以通过改变滤波器中的电阻值被轻松实现，从而提高滤波器和耦合到其上的电源系统之间关系的稳定性。

图4为示出实施例应用于的MTF的滤波器参数设定装置的配置框图。

参见图4，滤波器参数设定装置100可以包括输入单元110、存储单元120和控制器130。

输入单元110可以作用为接收与MTF相对应的输入参数和电阻值。

输入单元110允许用户生成用于控制滤波器参数设定装置100的操作的输入数据。输入单元110可以配置为键盘、薄膜开关(dome switch)、触摸板、滚轮(jog wheel)、滚轮开关(jog switch)等。

另外，输入单元110可作用为与所有耦合至滤波器参数设定装置100的外部装置通过接口连接。

存储单元120可存储控制器130的处理过程和用于控制的程序。存储单元120可作用为任意地存储输入/输出数据(输入参数和电阻值)和由控制器130核算和计算出的结果数据或者将它们存储为最终结果数据。根据实施例，存储单元120可存储关于单个目标函数的加权值的信息以及作为滤波器部件的L和C的组合的数据。另外，存储单元120可存储关于用于形成具有应用了单个目标函数的加权值的L和C优化组合的滤波器的评估的信息，以及关于此评估的次数的信息。

控制器130可作用为控制滤波器参数设定装置100的总体操作，这在滤波器参数设定装置100中进行。

控制器130可以采用微控制器或者微处理器的形式来实现。控制器130可设定与MTF相对应的谐振频率以及在预设参考范围之内的电阻值。另外，控制器130可基于输入参数、谐振频率和电阻值而设定与MTF相对应的参数值。

控制器130可以判定单个谐波分量或总的谐波失真率是否满足参考值水平，并基于判定的结果来重设谐振频率。

控制器130可以随着负荷或系统耦合至MTF来设定或重设电阻值在预设范围以内，从而保证安全性。

控制器130创建谐波减少目标函数，并使谐波电压或谐波电流根据创建的目标函数能够被最大化地减少。因此，能够根据加权值的适用性和兼容性评估来设计MTF。

下文中，基于上述配置，将参考图5和6对根据实施例的方法进行描述。

图5和6为示出根据实施例的方法的流程图。

参见图5和6，在MTF的设计中，可设定与MTF相对应的输入参数(S510)。具体而言，可在设定与MTF相对应的最佳参数时设定与MTF相对应的输入参数。输入参数可以为与MTF的额定值或目标性能有关的参数。另外，此输入参数可以包括耦合至MTF的负荷或者系统的额定电压、待由MTF进行补偿的无功功率以及滤波频率中的至少一个。

与MTF耦合的负荷或系统可以是HVDC系统的电源系统。HVDC系统的电源系统可以是，比如，AC系统。

滤波频率是待由MTF滤波的频率，并且可以包括第一滤波频率和大于第一滤波频率的第二滤波频率。

例如，当待被滤波的谐波分量为上述第11次和第13次谐波分量时，第一滤波频率可以是与第11次谐波分量相对应的频率，且第二滤波频率可以是与第13次谐波分量相对应的频率。

如果设定与MTF相对应的输入参数，则可设定MTF的谐振频率(S520)。具体而言，所设定的谐振频率可以设定谐振频率的初始值，并且谐振频率的设定可以基于待由MTF滤波的滤波频率来进行。

比如，谐振频率可设定为存在于第一滤波频率和第二滤波频率之间的范围内的频率。具体而言，谐振频率的初始值可设定为第一滤波频率。

如果完成了谐振频率的设定，可计算出成为滤波器参数的L和C的值(S530)，该滤波器参数形成待与可计算出的谐振频率相匹配的滤波器的阻抗。

例如，MTF可包括彼此串联耦合的第一LC电路单元、第二LC电路单元，和第三LC电路单元。第一LC电路单元可以具有其中第一电容器和第一电感器彼此串联耦合的结构，且第二LC电路单元可以具有其中第二电容器和第二电感器彼此并联耦合的结构。第三LC电路单元可具有其中第三电容器和第三电感器彼此并联耦合的结构。

在这种情况下，滤波器参数可以包括：第一电容器的电容值、第一电感器的电感值、第二电容器的电容值、第二电感器的电感值、第三电容器的电容值和第三电感器的电感值中的至少一个。此外，滤波器的谐振频率可为与第二LC电路单元和第三LC电路单元相对应的并联谐振频率。

识别出L和C的计算值的滤波器阻抗特性(S540)，可以为每个谐振频率组合并存储根据识别出的滤波器阻抗特性的L和C的值(S550)。具体而言，识别出的滤波器阻抗包括在预设参考值范围内的情况可以与针对每个谐振频率的L和C的值相匹配，并可以存储相匹配的情况。LC组合可以创建为一个或多个不同情况。

可以进行关于针对每个谐振频率的LC组合的谐波减少多目的优化(S560)。具体而言，在谐波减少多目的优化中，可以进行关于由LC组合所创建的多个组合情况的用于选择通过考虑总谐波失真(THD)和总要求电流失真(TDD)所获得的最佳滤波器部件组合的操作。将参考图6对谐波减少多目的优化操作进行详细描述。

可形成谐波减少目标函数以进行谐波减少多目的优化(S610)。具体而言，谐波减少目标函数可配置有第一目标函数和第二目标函数。

第一目标函数是具有作为最小值的THD的函数，并可最大化地减少谐波电压。

第一目标函数可表示为如下所示的等式1和2。

等式1

等式2

此处，i为谐波数，V₁为基谐波电压，V_i为第i谐波电压，Y_si为系统的第i谐波导纳，以及Y_MTFi为MTF的第i谐波导纳。

也就是，第一目标函数F₁可基于第2到第50次谐波的谐波电压来计算最小THD。

第二目标函数是具有作为最小值的TDD的函数，且可最大化地减少谐波电流。

第二目标函数可以如等式3所示来表示。

等式3

此处，i为谐波数，I₁为基谐波电压，且I_i为第i谐波电流。

也就是，第二目标函数F₂可以基于第2到第50次谐波的谐波电流来计算最小TDD。

如果创建了包括计算出的THD和TDD的谐波减少目标函数，可以设定将应用于该目标函数的限制条件(S620)。具体而言，滤波器的无功功率要求可选作为限制条件。限制条件可以另外包括基于构成滤波器的Rs、Ls和Cs的每一个的价格和数量的价格信息或损耗信息。因此，可以基于价格信息或损耗信息进行关于最佳LC组合情况的二次滤波。

如果额外选择除了上述单个目标函数以外还将要应用的限制条件，可以选择每个目标函数的加权值(S630)。具体而言，加权值W可以配置有将应用于第一目标函数F₁的第一加权值W₁和将应用于第二目标函数F₂的第二加权值W₂。加权值W可以如下述等式4所示为第一加权值W₁和第二加权值W₂的和。

等式4

总加权值(W)＝第一加权值(W₁)+第二加权值(W₂)

优选地，总加权值W(即，第一加权值W₁和第二加权值W₂的和)可以是1，以及分别应用于第一目标函数F₁和第二目标函数F₂的第一加权值W₁和第二加权值W₂的比率可根据谐波电压调节值和谐波电流允许水平而变化。

例如，在MTF的设计中，如果仅仅存在有谐波电压调节值，应用于第一目标函数的第一加权值W₁的比率可设定为“1”，且应用于第二目标函数的第二加权值W₂的比率可设定为“0”。可替换地，如果仅仅存在有谐波电流允许水平，应用于第一目标函数的第一加权值W₁的比率可设定为“0”，且应用于第二目标函数的第二加权值W₂的比率可设定为“1”。也就是，将应用于第二目标函数的第二加权值W₂可设定为高于第一加权值W₁。可替换地，如果谐波电压调节值和谐波电流允许水平都存在，将分别应用于第一目标函数和第二目标函数的第一加权值和第二加权值的比率可相等地应用。

将上述应用于目标函数的加权值的比率作为示例进行描述，且应用于目标函数的加权值的比率可以设定为根据加权值选择基准和每个目标函数的加权程度而变化。

可以对应用了各自加权值的第一目标函数F₁和第二目标函数F₂的兼容性进行评估(S640)。具体而言，第一加权值W₁和第二加权值W₂可以根据谐波电压调节值和谐波电流允许水平而分别应用于第一目标函数F₁和第二目标函数和F₂，并且各单元相对于应用了各自加权值的第一目标函数F₁和第二目标函数F₂而整合，从而进行兼容性评估。

兼容性评估可以提取在目标函数和加权值分别应用于LC组合情况的状态下结果值具有最小值的组合情况。此时，可根据兼容性评估基准从LC组合情况中按照LC组合情况具有的最小值的顺序提取出多个LC组合情况(一次滤波)，并且可以进行用于根据预设的限制条件中的价格信息或损耗信息提取最佳LC组合情况的二次滤波。

因此，可以通过计算出利用应用了各自的加权值的第一目标函数和第二目标函数的和的单一目标函数，按照它们具有的最小值的顺序来提取LC组合情况。

在兼容性评估完成之后，如果R、L和C组合情况的提取次数超过参考次数，且提取了具有最小兼容性的组合情况，则可结束多目的优化(S650)。提取的次数可为R、L和C组合情况的数目。

因此，如果多目的优化结束，则基于MTF中所需的性能、标准或设计规范而判定所提取的LC组合情况是否满足允许水平(S570)。

当判定所提取的LC组合情况满足预设的允许水平时，可以存储所提取的R、L和C以及与其匹配的谐振频率(S580)。

因此，MTF基于通过上述过程而组合的电抗值与负荷或者系统耦合。

尽管已经参考数个其示范实施例对一些实施例进行了描述，但应该理解的是，本领域技术人员能够设想出将落在本公开原理的精神和范围内的许多其他修改和实施例。更确切而言，在本公开、附图和所附权利要求的范围内可以对主题组合布置的组成部件和/或布置做出各种变化和修改。除了对组成部件和/或布置做出的各种变化和修改以外，替换使用对本领域技术人员来说也将变得显而易见。