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

    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)明通過改變可控串聯(lián)電抗器的直流控制電壓來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)償用戶無功，提高功率因數(shù)。

    二、背景技術(shù)
    無源濾波器(PF)的工業(yè)應(yīng)用己經(jīng)有相當(dāng)長的歷史，其設(shè)計(jì)方法簡單，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，這些原因均會導(dǎo)致無源濾波器出現(xiàn)“失諧”現(xiàn)象。

    如果將無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，將會大大地減少濾波器的投資。與傳統(tǒng)的無源濾波器相比，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)相對簡單、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)無源濾波裝置，將會實(shí)現(xiàn)濾波動態(tài)連續(xù)可調(diào)，改善傳統(tǒng)無源濾波器濾波效果。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通過帶通濾波器與相位比較單元相連，再通過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)無源濾波裝置中的固定參數(shù)電抗器，通過改變可控串聯(lián)電抗器的直流控制電壓來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DSP(數(shù)字信號處理器)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通過帶通濾波器與相位比較單元相連，再通過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。參見圖4，以5，7次雙調(diào)諧濾波器為例，通過兩個(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)的電壓和電流信號中提取5次(或7次)諧波電壓、電流信號；然后利用相位比較單元對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�。坏谌齻�(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)生的交流磁通通過兩個(gè)并聯(lián)半鐵芯柱和另一鐵芯柱而閉合�？刂评@組經(jīng)電阻由一直流電源Ek供電。通過調(diào)節(jié)直流繞組中流過的直流電流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)為最大值；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�？刂破鞯目刂撇呗跃褪歉鶕�(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)的電壓信號該固定頻率分量和電流信號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，則僅通過調(diào)節(jié)可控串聯(lián)電抗器的電感值無法使濾波器重新在兩個(gè)諧振頻率均準(zhǔn)確諧振，所以對于雙調(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，而對另一個(gè)諧振頻率而言也會減小由于參數(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)算和觀測其實(shí)驗(yàn)效果。

    閉環(huán)控制時(shí)，可以通過比例積分(PI)調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。對濾波后得到的特定頻率電壓電流信號進(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，但是由于對電壓、電流信號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通過帶通濾波器與相位比較單元相連，再通過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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