双调谐滤波器

可以同时滤除两次数谐波的滤波器

双调谐滤波器是指可以同时滤除两次数谐波（如3和5、7和9、11和24）的滤波器。滤波器按所采用的元器件的类别可分为无源滤波器和有源滤波器两种，而双调谐滤波器即是无源滤波器的一种。

滤波器的分类

无源滤波器(LC滤波器)是仅由无源元件即电阻、电感和电容组成，它是利用电容和电感的电抗值随频率的变化而变化的原理组合的装置。在交流系统中，无源滤波器有两方面的作用，这两个作用一是滤波其次是兼顾无功补偿。无源滤波器中常用的主要是单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器三种。

电路原理

双调谐滤波器是由电阻、电感、电容串并联组合而成，其电路原理图如图1所示。由于串联谐振和并联谐振的存在，与单调谐滤波器相比，它可以同时吸收两个不同频率的谐波，且在基频下的功率损耗较小，串联的电抗器L，几乎承受了全部冲击电压。这是由于在正常工作时，并联电路的基波阻抗远低于串联电路的，因此串联电路承受的工频电压较高。除此之外，由于并联电路中的电容基本上只通过谐波的无功容量，所以容量较小。因其投资相对较少，考虑到经济性，双调谐滤波器在HVDC工程中广泛应用。巴西的伊泰普工程，我国的葛南工程、天广工程以及三峡工程都使用了双调谐滤波器。

结构

双调谐滤波器在性能上等同于两个单调谐滤波器，由于其可以调谐到两个谐振频率，因此能同时吸收对应的两个频率的谐波。主要的结构形式有六种，如图2中的(a)，(b)，(c)，(d)，(e)，(f)所示。图2中(a)为最简单的传统的双调谐滤波器，(b)，(c)分别为双电感并联型和双电容并联型的双调谐滤波器，(d)，(e)，(f)分别为在不同位置带有并联电阻的双调谐滤波器。

阻频特性

双调谐滤波器的阻抗频率特性即为阻抗和频率之间的关系，针对图2中的(a)图，列写出其阻抗与频率的关系。对于串联谐振结构来说，其阻抗为：

式中为角频率。

串联谐振频率。当时，呈容性；当时，呈感性。

对并联谐振结构来说，其阻抗为：

为并联谐振频率。当时，呈感性；当时，呈容性。

对于整个回路，将以上两式相加，得其阻抗大小为：

即为：

与此对应，双调谐滤波器的阻抗-频率特性曲线如图3所示：

双调谐滤波器在调谐频率点的阻抗最小，因此令上式中的分子为0，于是有：

计算此方程，可得到关于双调谐滤波器的两个谐振频率点、。在这两点，由于阻抗最小，因此如图3所示，在大小为和的频率处，通过的谐波电流最大，因此双调谐滤波器可同时消除两个频率的谐波。

元件参数的选取

实际工程中，双调谐滤波器的参数计算方法常采用直接参数计算法和单调谐滤波器等效法两种。在己知系统基波角频率口二和双调谐滤波器向系统提供的无功功率Q以及安装滤波器处的母线电压U这三个条件的情况下，宜采用直接参数计算法计算；在己知两个单调谐滤波器的元件参数的情况下，采用等效法比较方便计算。

应用

针对高压直流系统中的换流装置产生谐波的问题，在高压直流输电(HVDC)系统中宜采用双调谐滤波器。对双调谐滤波器的特性进行分析和参数设计：由基波无功补偿容量公式推算出串联回路电容；由谐振频率与参数的关系确定串、并联电感及并联电容。由滤波参数可得出谐振点的公式，通过理论重点分析了双调谐滤波器在调谐频率下略显感性的重要意义，同时引入安全系数。最后，通过对一计算实例进行参数计算，并运用Matlab/Simulink对其仿真。结果表明，考虑到系统频率偏移，防止与系统发生并联谐振等综合因素，安全系数取1.0～1.1时效果较佳。

研究意义

从经济效益的闻度分析，一般电网存在多个频率的谐波，如果釆用单调谐滤波器进行滤波，则需要一组单调谐滤波器并联实现滤波，具有占地面积大，成本高等缺点。双调谐滤波器能吸收两个频率的谐波，使用较少的双调谐滤波器即可达到要求，占地面积较小，具有广泛的应用前景。从元件成本上分析，双调谐滤波器工作时只有一个电感几乎承担了全部的冲击电压，对其他元件的要求较低，降低了成本，增加了经济效益。

研究双调谐滤波器不仅具有广泛的应用价值，直观的经济效益，更拥有长远的科学研究指导意义。回顾双调谐滤波器设计方法的发展，到目前为止，很多学者的做法仍是利用双调谐滤波器与单调谐滤波器阻抗相等从而导出双调谐滤波器的元件参数，因此，双调谐滤波器的研究是在单调谐滤波器的基础上进行的，同样，研究双调谐滤波器对于研究三调谐滤波器多调谐滤波器提供了研究基础，具有理论指导意义。

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