基于無源動態濾波器和TSC的無功補償濾波仿真

，

(山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000)

0 引 言

近年來，隨著對電能質量問題的重視，諧波抑制和無功補償成為了電網中研究的重要問題。無源濾波器以其低廉的成本、成熟的技術，成為現行濾波的主要方法。諧波抑制和無功補償之間有著密不可分的聯系，首先，無功功率由兩部分構成，一部分是電網基波消耗的，另一部分由諧波消耗，所以無源濾波器在消除諧波的同時，相當于補償了諧波消耗的無功功率。其次，無源濾波器對于電網基波呈現容性，也會補償部分無功功率。

傳統無源濾波器的元件參數都是固定的，當由于電網頻率偏差、元件參數漂移、環境溫度變化等原因造成濾波器失諧時，不能使其保持在理想的諧振狀態，為使無源諧濾波器在失諧的情況下能夠調整自身參數并自動恢復到諧振狀態，提出了基于雙可控電抗器的雙調諧濾波器。將此濾波器和無功補償裝置結合使用，能有效地消除諧波和進行無功補償。

1 主電路結構

裝置的主電路如圖1所示，將基于雙可控電抗器的雙調諧濾波器和晶閘管投切電容器(thyristor-switched capacitor,TSC)并聯在電網中，其中左側為無源動態濾波器，該濾波器可同時濾除兩種次諧波，在兩個電容器值改變時可通過調節兩個可控電抗器使濾波器恢復到諧振狀態。無源動態濾波器中的可變電抗器采用正交磁化式可變電抗器，該電抗器具有諧波含量低、電感值連續可調等優點。TSC作為靜止無功補償裝置，自身不產生諧波，投資小，可實現對無功功率的動態補償。

2 無源動態濾波器的設計

無源濾波器是由電感、電容利用串聯諧振原理組合而成，對諧波電流呈低阻特性，從而使電網中的諧波電流最大程度地流入濾波器，起到消除電網諧波的目的。常用的無源濾波器有單調諧濾波器和雙調諧濾波器。雙調諧濾波器相比于單調諧濾波器不僅可以同時濾除兩個不同頻率的諧波，而且只需其中一個電感承受較高的沖擊電壓，對其余元件的設計要求降低，從而節約了成本。雙調諧濾波器的顯著優勢，使其越來越多地被使用，因此研究雙調諧濾波器具有重要的科研意義。

圖1 裝置的主電路圖

傳統雙調諧濾波器的參數都是固定的，當濾波器由于電容值改變造成諧振點偏移時，不能自動恢復到諧振狀態。為使雙調諧濾波器能夠調整因元件參數改變引起的失諧，提出基于雙可變電抗器的雙調諧濾波器，在雙調諧濾波器的基礎上，用兩個可控電抗器代替固定電抗器，通過實時檢測濾波支路中的各項參數，利用控制器調節濾波器的電感值，從而達到精確調諧的目的。

2.1 無源動態濾波器的結構及參數計算

雙調諧濾波器由串聯諧振回路和并聯諧振回路兩部分串聯組成，設串聯電路調諧頻率為ωs，等值阻抗為Zs；并聯電路調諧頻率為ωp,等值阻抗為Zp；設基波頻率為ω0，濾波器的兩個諧振頻率分別為ω1、ω2。

雙調諧濾波器總阻抗為

(1)

當雙調諧濾波器工作在理想諧振狀態時，虛部為0，即

-ω4L1C1L2C2+ω2(L1C1+C1L2+L2C2)-1=0

(2)

圖2 雙調諧濾波器

圖3 無源動態濾波器

由韋達定理解得

(3)

(4)

ω2=ω1ω2

(5)

按給定基波無功設計方法設計雙調諧濾波器參數時，當

(6)

調諧濾波器的復合頻率最好，將式(6)帶入式(3)得到

(7)

雙調諧濾波器相對基波的無功功率為

(8)

當雙調諧濾波器處于諧振狀態時，虛部為0，所以

(9)

(10)

由式(6)～(10)解得

(11)

(12)

C2=

(13)

L2=

(14)

以電容器C2為例，計算電容變化量、電感變化量及系統頻率變化量之間的關系。設系統頻率的相對變化量為α=Δω/ω，L1的變化量為β=ΔL1/L1，L2的變化量為φ=ΔL2/L2，電容器C2的變化量為γ=ΔC2/C2。

則由公式(5)可得

(15)

求式(15)中ω1、ω2的變化量，可得

(16)

(17)

2.2 無源動態濾波器的控制策略

當雙調諧濾波器工作在諧振狀態時，相對要濾除的諧波，濾波器支路阻抗應為純阻性，此時電壓電流的相位差為0。因此以相位差為0作為控制目標來對電抗器進行調節。在濾波支路中通過電壓互感器，電流互感器采集電壓電流信號，經信號調理后對電壓，電流相位進行比較，將相位差送入PID調節器進行控制，控制器輸出控制信號調節電抗器，從而實現對濾波器的調整。

圖4 無源動態濾波器控制圖

3 TSC的投切控制

TSC屬于靜止無功補償器，在組合裝置中作為無功補償的主要設備，能實現系統整體的無功補償。

TSC裝置的核心問題是電容器投切時刻的選擇，為了避免電容器組在投切過程中的沖擊電流，需要選擇合適的時刻來觸發晶閘管導通和關斷，在選取晶閘管觸發點時，總的原則是：TSC投入電容器組的時刻,必須是電源電壓與電容器預先充電電壓相等的時刻。為此選擇在晶閘管兩端安裝電壓檢測器件，因為電容器兩端的電壓難以確定，很難精準地確定電容器投切時間，通過安裝零電壓觸發裝置，將晶閘管兩端的電壓參數通過光電耦合器送到過零檢測器件。當檢測到器件兩端電壓相等，即晶閘管兩端的電壓差為0，這時過零檢測信號和投切信號同時作用觸發晶閘管，實現了晶閘管的零電壓觸發。

圖5 零電壓觸發原理圖

4 仿真分析

本裝置通過Matlab/Simulink進行仿真分析，諧波源采用三相不可控整流橋電路，可用來模擬實際電網中的6k±1次諧波分量，這些諧波中又以5、7次諧波的含量最多，且對電網的影響最大。電網峰值為311 V，然后設計一組雙調諧濾波器，主要用于濾除三相不可控流橋電路產生的 5、7次諧波，雙調諧濾波器的參數為：L1=25 mH，C1=11.579 μF，L2=2.857 mH，C2=101.32 μF。然后設計一組容量為5 kvar的單相TSC型無功補償裝置，作為主要的無功補償設備。

雙調諧濾波器正常工作時，具有較好的濾波效果，參數漂移及環境影響會使電容值發生改變，以C1、C2為例，當C1減少6%，C2減少8%，此時C1變為10.885 μF,C2變為93.219 μF,經計算可知，L1需增加1.596 mH，L2需增加0.248 mH,以此來達到新的諧振狀態。以A相為例，調節L1、L2前后A相電流波形對比。

圖6 電容C1、C2改變后A相電流波形

圖7 調節電感L1、L2后A相電流波形

由圖6、圖7可知，當雙調諧濾波器因電容值改變時可通過調節電感值使其恢復得到諧振狀態。

在電路中未投入濾波器和TSC時，A相中因諧波存在出現波形畸變。此時，諧波畸變率為16.51%，功率因數為0.88，當接入雙調諧濾波器后，5、7次諧波被濾除。電流波形有了明顯改善，諧波畸變率降為3.51%，諧波含量減少的同時系統的功率因數也提高。并入濾波器前后A相電流波形及諧波畸變率對比如圖8、圖9、圖10、圖11所示。

濾波器投入前后，諧波畸變率降低，電流波形明顯改善，濾波器在濾除諧波的同時，會對功率因數產生影響，濾波器投入前后功率因數變化如圖11、圖12所示。

圖8 未并入濾波器A相電流波形

圖9 未并入濾波器諧波畸變率

圖10 并入濾波器A相電流波形

圖11 并入濾波器諧波畸變率

圖12 未并入濾波器A相功率因數

經以上仿真可知，在雙調諧濾波器因兩電容值改變導致失諧時，通過改變兩電感值使濾波器重新回到諧振狀態。濾波器在消除諧波的同時，也相當于補償了諧波消耗的無功功率，從而提高了功率因數。此時的功率因數并未達到國家標準，還需要結合使用無功補償裝置。從而將無源動態濾波器和TSC 并聯在電網中來達到提高電能質量的目的。

圖13 并入濾波器A相功率因數

5 結 論

基于雙可控電抗器的雙調諧濾波器，具有較強的自動調節能力，較為精準的調諧結果。作為傳統無源濾波器的改進，彌補了現行雙調諧濾波器的缺點。因其兼顧無功補償作用，選擇與TSC組合使用，從而達到消除諧波和無功補償的作用。

[1] 蘇恒. 雙調諧濾波器設計與失諧問題的研究[D].江門：五邑大學,2013.

[2] 馬世賢. 基于可控電抗器的雙調諧波器研究與設計[D].南京：南京理工大學,2006.

[3] 徐平凡,陳忠仁,肖星. TSC動態無功補償裝置的仿真研究[J]. 電源技術應用,2012(3):32-35.

[4] 倪常茂. 基于多調諧濾波器和TSC的混合型無功補償濾波技術研究[D].武漢：武漢科技大學,2012.

[5] 崔士杰,汪建華. 基于MATLAB的單相全控整流電路功率因數測定[J]. 武漢工程大學學報,2010(1):90-92.

[6] 王會濤,錢希森,任開春. 基于Matlab的功率因數校正電路的仿真分析[J]. 電源世界,2007(3):40-42.

[7] 倪常茂,劉振興. 基于雙調諧濾波器和TSC的混合型無功補償濾波裝置[J].電力自動化設備,2012(7):124-128.

[8] 馬世賢,康明才,黃錦安. 全控/部分可控雙調諧濾波器仿真試驗[C]. 2006中國電力系統保護與控制學術研討會論文集,2006:4.

[9] 徐永海,王銘誠. 雙調諧濾波器的參數選擇[J]. 現代電力,1995(2):6-11.

[10] 肖遙. 雙調諧濾波器和三階濾波器的參數計算[J]. 湖北電力,2000(2):5-6.

[11] 董海波,張麗,羅劍鋒. 雙調諧濾波器在礦井電網諧波治理中的應用研究[A].中國煤炭學會自動化專業委員會,2008:3.

[12] 李崇. 基于雙可控電抗器的雙調諧濾波器研究[D].南京：南京理工大學,2007.

[13] 陳敏. 無源動態諧波濾波器的建模與仿真[D].武漢：武漢理工大學,2012.