感应滤波理论及其在直流输电中的应用研究

本项目针对目前直流输电谐波抑制方法存在的局限性及相关的电能质量问题，研究一种新颖的感应滤波技术及其滤波机理，并进一步探究应用于直流输电时的技术特性及其内在作用机制。在基础理论研究环节，基于超导闭合回路磁链守恒原理和磁势平衡原理，通过理论解析表达以揭示感应滤波的工作机理；基于电磁有限元分析理论和基本的电路原理，深入研究感应滤波的电磁特性及其作用机制；引入系统灵敏度理论，精确辨识实际复杂影响因素中主导感应滤波性能的关键阻抗参量。在理论应用研究环节，提出多种具有新型拓扑结构的感应滤波换流器；并通过构建统一化的以基波和谐波阻抗特征为表达方式的等值电路解耦模型和谐波传递数学模型，从理论上揭示感应滤波遏制直流输电谐波传播路径、抑制直流输电谐波不稳定等技术特性的内在作用机制。研究成果将深化感应滤波的技术理论并拓宽感应滤波的应用领域，对于积极推动电力滤波技术和直流输电技术的发展具有重要的科学意义。

本项目圆满地完成了既定目标，在理论研究与成果发表两方面均取得了一定的突破，在国际上获得了广泛认可与高度评价。迄今，在SCI收录的国际权威与重点期刊发表相关学术论文12篇，其中，有8篇发表于相关领域的国际顶级期刊，如《IEEE Transactions on Power Electronics》和《IEEE Transactions on Industrial Electronics》；出版英文专著1部。具体地，本项目取得的主要研究成果包括：1）从理论上揭示了感应滤波的工作机理与电磁特性。提出了一种应用“超导”闭合回路磁链守恒原理和磁势平衡原理对感应滤波的工作机理进行理论分析的方法。研究发现，就本质而言，感应滤波充分利用了变压器固有的安匝平衡特性，通过构建特定次谐波频率下的“超导”回路线圈，实现对特定次谐波电流与换流变压器网侧绕组及交流电网的隔离与屏蔽；就表现形式而言，感应滤波的实施抑制了特定次谐波频率下变压器铁心中的磁谐波磁通，这有利于从根本上改善谐波对换流变压器造成的诸如绝缘、损耗、振动等危害。2）建立了基于感应滤波的直流输电谐波传递数学模型，提出了基于感应滤波的直流输电新型换流站的等值电路和谐波传递解析数学模型建立方法。统一化的等值电路及相应数学模型的建立，为深入开展感应滤波对直流输电谐波特性及其它技术特性的研究奠定了理论基础。3）从理论上揭示了感应滤波具有的阀侧绕组无功补偿的优越特性；得到了计及无功补偿度的新型换流变压器及其感应滤波系统等值阻抗表达式，通过频率扫描法对其阻抗频率特性进行了研究，引入谐波参与因子，定义并详细研究了感应滤波对换流器等值换相电抗的影响。研究工作揭示了感应滤波在无功补偿方面的优越特性：等值换相电抗降低，直流输电各自控制模式下的无功消耗均较电流源型换流器低；动模试验结果验证了相关的研究结果。4）揭示了逆变状态下感应滤波增强换流器稳定运行能力的机理。通过对正常运行、对称性故障运行以及非对称性故障运行下，感应滤波的实施与否对逆变器换相特性的影响进行了机理性的研究，揭示了感应滤波在提升逆变器关断角裕度、降低逆变器换相失败概率、进而提升逆变器稳定运行能力方面具有的优点。5）对感应滤波在工业直流系统中的工程实践进行了研究。对感应滤波应用于直流415V/22kA，交流35kV/10080kVA整流系统的工程进行了测试研究，验证了理论成果的正确性。