利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器

   一、摘 要

   利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器，屬于電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制器件領(lǐng)域，它由電容C1、可控串聯(lián)電抗器L1、電容C2和電抗器L2、雙調(diào)諧濾波器、可控串聯(lián)電抗器的控制電路組成；電容C1、可控串聯(lián)電抗器L1、電抗器L0、電容C2和電抗器L2的并聯(lián)支路四部分依次串聯(lián)；雙調(diào)諧濾波器并聯(lián)接在系統(tǒng)側(cè)。本裝置發(fā)明通過(guò)改變可控串聯(lián)電抗器的直流控制電壓來(lái)改變電抗器的輸出電抗值，從而實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的變化而實(shí)時(shí)改變，使得濾波器時(shí)刻保持諧振，始終保持良好的濾波效果。消除了常規(guī)無(wú)源濾波器由于系統(tǒng)頻偏、溫度漂移、濾波電容老化以及非線性負(fù)荷變化造成的失諧的影響。同時(shí)本裝置發(fā)明中的電容器可以補(bǔ)償用戶無(wú)功，提高功率因數(shù)。

   二、背景技術(shù)

   無(wú)源濾波器(PF)的工業(yè)應(yīng)用己經(jīng)有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，其設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，但其濾波效果依賴于系統(tǒng)的阻抗特性，并且容易受到電網(wǎng)的諧波污染程度、溫度漂移、濾波電容老化以及非線性負(fù)荷變化的影響。實(shí)際工作中，電網(wǎng)的工頻頻率通常存在有一定的偏差，且電容器由于制造、成組的配合精度及溫度變化等原因也存在相對(duì)偏差，同樣，電抗器由于制造、電感量的調(diào)整方式等原因也存在一定的誤差，這些原因均會(huì)導(dǎo)致無(wú)源濾波器出現(xiàn)“失諧”現(xiàn)象。

   如果將無(wú)源濾波器中的固定電抗器用可控串聯(lián)電抗器取代，則可以克服上述缺點(diǎn)而實(shí)現(xiàn)一種諧振頻率可控的濾波器。但是由于電力系統(tǒng)中濾波器的容量往往很大，使得采用全可調(diào)電抗器投資太大，同時(shí)也存在制造上的困難，所以，如果我們將一容量較小的可調(diào)電抗器與既有的固定電抗器相串連而形成雙調(diào)諧濾波裝置，將會(huì)大大地減少濾波器的投資。與傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器相比，它能在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)電感值，保持濾波器在諧振點(diǎn)附近工作，消除了頻偏等失諧的影響。而一旦系統(tǒng)發(fā)生諧波放大時(shí)，它又可以通過(guò)電力電子裝置的快速控制作用快速改變電抗達(dá)到使系統(tǒng)失諧，從而抑制諧振的發(fā)生。另一方面，與采用全可調(diào)電抗器和基于變流器的有源濾波器相比，它結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)且成本低。因此具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

   可控串聯(lián)電抗器應(yīng)用于傳統(tǒng)無(wú)源濾波裝置，將會(huì)實(shí)現(xiàn)濾波動(dòng)態(tài)連續(xù)可調(diào)，改善傳統(tǒng)無(wú)源濾波器濾波效果。利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器，包括電容器C2和固定電抗器L2組成的并聯(lián)支路，在其并聯(lián)支路上串聯(lián)有由電容Cl、可控串聯(lián)電抗器L1、固定電抗器LO組成的串聯(lián)支路，可控串聯(lián)電抗器的控制端接有控制器。

   所述的可控串聯(lián)電抗器的控制電路由電壓互感器PT，電流互感器CT，帶通濾波器，相位比較單元，PI (比例積分)控制單元構(gòu)成；所述的電壓互感器PT通過(guò)帶通濾波器與相位比較單元相連，再通過(guò)PI (比例積分)控制單元控制可控串聯(lián)電抗器；與上述帶通濾波器相連的相位比較單元的同一端通過(guò)另一個(gè)帶通濾波器與電流互感器CT相連，電流互感器CT接地。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:

    (I)由于本實(shí)用新型采用了可控串聯(lián)電抗器取代傳統(tǒng)無(wú)源濾波裝置中的固定參數(shù)電抗器，通過(guò)改變可控串聯(lián)電抗器的直流控制電壓來(lái)改變電抗器的輸出電抗值，從而實(shí)現(xiàn)濾波器參數(shù)可以根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)的變化而實(shí)時(shí)改變。使得濾波器時(shí)刻保持諧振，始終保持良好的濾波效果。

    (2)為了保證實(shí)時(shí)性，一般采用閉環(huán)控制，根據(jù)調(diào)諧濾波器在諧振時(shí)呈現(xiàn)純電阻特性，即通過(guò)濾波器的諧振頻率的電流和濾波器兩端同頻率諧波電壓相位相同，通過(guò)DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)或單片機(jī)，用PI調(diào)節(jié)算法根據(jù)上述條件在電抗器可調(diào)范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電感值大小，使濾波器始終在某個(gè)固定頻率點(diǎn)諧振。

    (3)利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器可在很大程度上減弱傳統(tǒng)無(wú)源濾波器由于頻偏、溫度漂移、濾波電容老化以及非線性負(fù)荷變化造成的失諧的影響。同時(shí)裝置中的電容器可以補(bǔ)償用戶無(wú)功，提高功率因數(shù)。

   三、具體實(shí)施方式

   雙調(diào)諧濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由電容Cl、可控串聯(lián)電抗器L1、電阻Rl依次串連，再串連電抗器L2和電阻R2串連后再與電阻電容C2并聯(lián)的并聯(lián)支路——四部分依次串聯(lián)構(gòu)成。

   在計(jì)算分析時(shí)電感中的電阻Rl、R2可以忽略不計(jì)。它有兩個(gè)諧振頻率，可以同時(shí)吸收兩個(gè)鄰近頻率的諧波，其阻抗頻率特性如圖2所示。在圖2中，橫軸為頻率，縱軸為雙調(diào)諧濾波器的阻抗，其特性是在兩個(gè)特定頻率處阻抗有極小值，可以使該頻率的諧波主要流過(guò)濾波器，從而減小諸如系統(tǒng)的該頻率諧波。

   在設(shè)計(jì)雙調(diào)諧濾波器參數(shù)時(shí)，可以把它看作是兩個(gè)單調(diào)諧濾波器并聯(lián)的等效，如圖3所示。其每一個(gè)支路都是一個(gè)單調(diào)諧濾波器，在諧振頻率處，兩個(gè)單調(diào)諧濾波器的阻抗特性與雙調(diào)諧濾波器的基本相同。即如果兩個(gè)單調(diào)諧濾波器分別諧振在頻率f I和f2，則依據(jù)它們算出的雙調(diào)諧濾波器也將諧振在這兩個(gè)頻率上。相對(duì)于單調(diào)諧濾波器，雙調(diào)諧濾波器的好處在于，因?yàn)闉V波器電路結(jié)構(gòu)中采用了串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，從而可以降低對(duì)器件耐壓水平的要求。

   圖4是采用可控串聯(lián)電抗器的雙調(diào)諧濾波器及其控制框圖。參見圖4，利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器，它由電容Cl、可控串聯(lián)電抗器L1、電抗器LO (也可不用)、電容C2和電抗器L2、雙調(diào)諧濾波器、可控串聯(lián)電抗器的控制電路組成；電容Cl、可控串聯(lián)電抗器L1、電抗器LO (也可不用)、電容C2和電抗器L2的并聯(lián)支路四部分依次串聯(lián)；可控串聯(lián)電抗器的控制電路由電壓互感器PT，電流互感器CT，帶通濾波器，相位比較單元，PI (比例積分)控制單元構(gòu)成；電壓互感器PT通過(guò)帶通濾波器與相位比較單元相連，再通過(guò)PI (比例積分)控制單元控制可控串聯(lián)電抗器；與上述帶通濾波器相連的相位比較單元的同一端通過(guò)另一個(gè)帶通濾波器與電流互感器CT相連，電流互感器CT接地。

   采用可控串聯(lián)電抗器的雙調(diào)諧濾波裝置，利用電壓、電流互感器得到濾波器支路的電壓、電流信號(hào)。參見圖4，以5，7次雙調(diào)諧濾波器為例，通過(guò)兩個(gè)結(jié)構(gòu)與參數(shù)完全相同的模擬或數(shù)字5次(或7次)帶通濾波器，分別從系統(tǒng)的電壓和電流信號(hào)中提取5次(或7次)諧波電壓、電流信號(hào)；然后利用相位比較單元對(duì)上述濾波支路得到的電壓的5次(或7次)諧波分量與電流的5次(或7次)諧波分量的相位進(jìn)行比較，并將相位差送入PI調(diào)節(jié)器；PI調(diào)節(jié)器的輸出向可控串聯(lián)電抗器的觸發(fā)板提供相位控制電壓，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。這種控制策略控制目標(biāo)明確，響應(yīng)時(shí)間小于5次(或7次)諧波一個(gè)周期。圖8是濾波支路5次諧波電壓電流相位差逼近過(guò)程。

   利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器裝置的設(shè)計(jì)主要是考慮磁閥式可控串聯(lián)電抗器設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。磁閥式可控串聯(lián)電抗器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是可以根據(jù)系統(tǒng)變化，改變電感的大小。一個(gè)典型的單相磁閥式可控串聯(lián)電抗器的工作原理如圖5所示，該電抗器包括兩個(gè)相互絕緣的繞組，一個(gè)交流供電的工作繞組(每一側(cè)三個(gè)繞組中的上下兩組)和一個(gè)經(jīng)整流橋供電的控制繞組(每一側(cè)三個(gè)繞組中的中間一組)。在兩個(gè)半芯柱上分別對(duì)稱地繞有匝數(shù)為N/2的工作繞組；該繞組與固定電抗器相連后構(gòu)成濾波電路的電抗器，該電抗器再與電容器串連構(gòu)成單調(diào)諧濾波器接入電網(wǎng)。而控制繞組同樣分別對(duì)稱地安裝在兩個(gè)半芯柱上，由晶閘管Tl〜T4構(gòu)成的整流橋供電。當(dāng)晶閘管均不導(dǎo)通時(shí)，可控串聯(lián)電抗器相當(dāng)于空載變壓器，容量很小；隨著整流橋控制角的變化，在控制繞組中產(chǎn)生一定大小的直流偏磁電流。

   鐵芯材料的磁化曲線參看圖6。在圖6中，橫軸為磁場(chǎng)強(qiáng)度H，縱軸為磁感應(yīng)強(qiáng)度B。鐵芯材料的磁化曲線大致可分為三個(gè)部分，起始部分的磁導(dǎo)率比較大，而且線性度非常好，平常用的電抗器就是處在這個(gè)工作狀態(tài)；第二個(gè)部分是非線性區(qū)，非常窄小的一段，這段的磁導(dǎo)率是在不斷的減小，磁閥式可控串聯(lián)電抗器正是工作在這個(gè)區(qū)段內(nèi)，這個(gè)區(qū)間非常窄小；第三個(gè)部分是磁芯材料飽和段，曲線接近于線性，磁導(dǎo)率基本不變。

   改變可控硅整流器的觸發(fā)導(dǎo)通角便可得到不同的直流電壓，從而生成相應(yīng)的偏磁電流。因而可以通過(guò)改變鐵芯的磁飽和度，相應(yīng)地改變磁閥式可調(diào)電抗器的電抗值，從而平滑地調(diào)節(jié)濾波器的諧振頻率。

   —旦系統(tǒng)發(fā)生諧振時(shí)，我們可以利用保護(hù)裝置通過(guò)迅速改變晶閘管的控制角，比如封鎖晶閘管的觸發(fā)脈沖使晶閘管在半個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷，使可控串聯(lián)電抗器呈現(xiàn)高阻態(tài)等方法，來(lái)破壞諧振條件，達(dá)到消除諧波放大的效果。

   圖7為單相裂芯式可控串聯(lián)電抗器的原理圖。電抗器的一個(gè)鐵心分為兩半，下方兩個(gè)直流控制繞組分別套在半鐵芯柱上，所產(chǎn)生的直流磁通在兩個(gè)半鐵芯自我閉合。上方交流工作繞組繞在整體的兩個(gè)鐵芯柱上，所產(chǎn)生的交流磁通通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)半鐵芯柱和另一鐵芯柱而閉合。控制繞組經(jīng)電阻由一直流電源Ek供電。通過(guò)調(diào)節(jié)直流繞組中流過(guò)的直流電流Ik就可以改變鐵芯的磁飽和度，從而平滑地改變電抗器的電抗值。

   可調(diào)諧濾波裝置的特點(diǎn)在于根據(jù)系統(tǒng)變化，調(diào)節(jié)電感大小，使電感電容總在固定頻率點(diǎn)諧振。以可調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)為5、7次雙調(diào)諧濾波器為例，由諧振特性，當(dāng)且僅當(dāng)濾波器在250Hz和350Hz諧振時(shí)，濾波器支路的5、7次阻抗值最小且為純阻性，5、7次諧波電流由于與系統(tǒng)分流的關(guān)系應(yīng)為******值；濾波支路端電壓的5、7次諧波分量與流經(jīng)濾波器的電流的5、7次諧波分量應(yīng)同相位。以上兩個(gè)都是濾波器處在諧振狀態(tài)的充分必要條件。控制器的控制策略就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。

   控制器的設(shè)計(jì)是使諧振頻率點(diǎn)的電壓信號(hào)該固定頻率分量和電流信號(hào)該固定頻率分量的相位差最小為控制目標(biāo)。控制器由帶通濾波器、相差檢測(cè)電路、PI調(diào)節(jié)電路、晶閘管觸發(fā)電路構(gòu)成。上述電路既可以用模擬電路也可以利用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。

   對(duì)雙調(diào)諧濾波器進(jìn)行理論分析可知，若系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，則僅通過(guò)調(diào)節(jié)可控串聯(lián)電抗器的電感值無(wú)法使濾波器重新在兩個(gè)諧振頻率均準(zhǔn)確諧振，所以對(duì)于雙調(diào)諧濾波器設(shè)定的控制策略為保證其在某一次諧振頻率始終保持諧振，而對(duì)另一個(gè)諧振頻率而言也會(huì)減小由于參數(shù)變化引起的諧振頻率偏移。在實(shí)際應(yīng)用中，具體對(duì)其中哪一個(gè)諧振頻率進(jìn)行閉環(huán)跟蹤控制可以進(jìn)行理論計(jì)算和觀測(cè)其實(shí)驗(yàn)效果。

   閉環(huán)控制時(shí)，可以通過(guò)比例積分(PI)調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)濾波后得到的特定頻率電壓電流信號(hào)進(jìn)行分析，得出其相位差，送入比例積分調(diào)節(jié)器，以相位差為O為目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到一個(gè)可控串聯(lián)電抗器的直流控制電壓作為輸出值，直到該次諧波電壓電流相位差為O。其過(guò)程如圖8所示，橫軸為時(shí)間，縱軸為5次電壓電流相位差，單位是弧度。電壓電流相位差在閉環(huán)調(diào)節(jié)下逐漸變?yōu)镺。

   實(shí)施例中帶通濾波器采用了 Chebyshev—型二階有源帶通濾波器，取中心頻率250Hz或350Hz，通帶帶寬為20Hz。由于引入了帶通濾波器，將產(chǎn)生相移，但是由于對(duì)電壓、電流信號(hào)采用完全相同的濾波器，兩濾波器產(chǎn)生的相移基本相同，對(duì)計(jì)算相位差不發(fā)生影響。

   圖9為雙調(diào)諧濾波器的濾波效果曲線。其中，通道一是濾波前電流波形，通道二是濾波后電流波形。對(duì)采用可控串聯(lián)電抗器的雙調(diào)諧濾波裝置的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可調(diào)諧濾波裝置能夠根據(jù)系統(tǒng)的變化，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)可控電感值，保證濾波裝置在諧振點(diǎn)附近工作，同時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)無(wú)功，提高功率因數(shù)。計(jì)算機(jī)仿真以及實(shí)驗(yàn)室裝置物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均證明上述方法可以達(dá)到預(yù)期目的。上述設(shè)計(jì)方法完全可以推廣到三調(diào)諧濾波器。

   四、特殊要求

   1.一種利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器，包括電容器C2和固定電抗器L2組成的并聯(lián)支路，其特征在于:在其并聯(lián)支路上串聯(lián)有由電容Cl、可控串聯(lián)電抗器L1、固定電抗器LO組成的串聯(lián)支路，可控串聯(lián)電抗器的控制端接有控制器。

   2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用可控串聯(lián)電抗器可實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波器，其特征在于，可控串聯(lián)電抗器的控制電路由電壓互感器PT，電流互感器CT，帶通濾波器，相位比較單元，比例積分控制單元構(gòu)成；電壓互感器PT通過(guò)帶通濾波器與相位比較單元相連，再通過(guò)比例積分控制單元控制可控串聯(lián)電抗器；與上述帶通濾波器相連的相位比較單元的同一端通過(guò)另一個(gè)帶通濾波器與電流互感器CT相連，電流互感器CT接地。

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