基于無源動(dòng)態(tài)濾波器和TSC的無功補(bǔ)償濾波仿真

，

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000)

0 引 言

近年來，隨著對(duì)電能質(zhì)量問題的重視，諧波抑制和無功補(bǔ)償成為了電網(wǎng)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(shù)，成為現(xiàn)行濾波的主要方法。諧波抑制和無功補(bǔ)償之間有著密不可分的聯(lián)系，首先，無功功率由兩部分構(gòu)成，一部分是電網(wǎng)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(shí)，相當(dāng)于補(bǔ)償了諧波消耗的無功功率。其次，無源濾波器對(duì)于電網(wǎng)基波呈現(xiàn)容性，也會(huì)補(bǔ)償部分無功功率。

傳統(tǒng)無源濾波器的元件參數(shù)都是固定的，當(dāng)由于電網(wǎng)頻率偏差、元件參數(shù)漂移、環(huán)境溫度變化等原因造成濾波器失諧時(shí)，不能使其保持在理想的諧振狀態(tài)，為使無源諧濾波器在失諧的情況下能夠調(diào)整自身參數(shù)并自動(dòng)恢復(fù)到諧振狀態(tài)，提出了基于雙可控電抗器的雙調(diào)諧濾波器。將此濾波器和無功補(bǔ)償裝置結(jié)合使用，能有效地消除諧波和進(jìn)行無功補(bǔ)償。

1 主電路結(jié)構(gòu)

裝置的主電路如圖1所示，將基于雙可控電抗器的雙調(diào)諧濾波器和晶閘管投切電容器(thyristor-switched capacitor,TSC)并聯(lián)在電網(wǎng)中，其中左側(cè)為無源動(dòng)態(tài)濾波器，該濾波器可同時(shí)濾除兩種次諧波，在兩個(gè)電容器值改變時(shí)可通過調(diào)節(jié)兩個(gè)可控電抗器使濾波器恢復(fù)到諧振狀態(tài)。無源動(dòng)態(tài)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(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。TSC作為靜止無功補(bǔ)償裝置，自身不產(chǎn)生諧波，投資小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2 無源動(dòng)態(tài)濾波器的設(shè)計(jì)

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

圖1 裝置的主電路圖

傳統(tǒng)雙調(diào)諧濾波器的參數(shù)都是固定的，當(dāng)濾波器由于電容值改變?cè)斐芍C振點(diǎn)偏移時(shí)，不能自動(dòng)恢復(fù)到諧振狀態(tài)。為使雙調(diào)諧濾波器能夠調(diào)整因元件參數(shù)改變引起的失諧，提出基于雙可變電抗器的雙調(diào)諧濾波器，在雙調(diào)諧濾波器的基礎(chǔ)上，用兩個(gè)可控電抗器代替固定電抗器，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)濾波支路中的各項(xiàng)參數(shù)，利用控制器調(diào)節(jié)濾波器的電感值，從而達(dá)到精確調(diào)諧的目的。

2.1 無源動(dòng)態(tài)濾波器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算

雙調(diào)諧濾波器由串聯(lián)諧振回路和并聯(lián)諧振回路兩部分串聯(lián)組成，設(shè)串聯(lián)電路調(diào)諧頻率為ωs，等值阻抗為Zs；并聯(lián)電路調(diào)諧頻率為ωp,等值阻抗為Zp；設(shè)基波頻率為ω0，濾波器的兩個(gè)諧振頻率分別為ω1、ω2。

雙調(diào)諧濾波器總阻抗為

(1)

當(dāng)雙調(diào)諧濾波器工作在理想諧振狀態(tài)時(shí)，虛部為0，即

-ω4L1C1L2C2+ω2(L1C1+C1L2+L2C2)-1=0

(2)

圖2 雙調(diào)諧濾波器

圖3 無源動(dòng)態(tài)濾波器

由韋達(dá)定理解得

(3)

(4)

ω2=ω1ω2

(5)

按給定基波無功設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙調(diào)諧濾波器參數(shù)時(shí)，當(dāng)

(6)

調(diào)諧濾波器的復(fù)合頻率最好，將式(6)帶入式(3)得到

(7)

雙調(diào)諧濾波器相對(duì)基波的無功功率為

(8)

當(dāng)雙調(diào)諧濾波器處于諧振狀態(tài)時(shí)，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(jì)算電容變化量、電感變化量及系統(tǒng)頻率變化量之間的關(guān)系。設(shè)系統(tǒng)頻率的相對(duì)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(dòng)態(tài)濾波器的控制策略

當(dāng)雙調(diào)諧濾波器工作在諧振狀態(tài)時(shí)，相對(duì)要濾除的諧波，濾波器支路阻抗應(yīng)為純阻性，此時(shí)電壓電流的相位差為0。因此以相位差為0作為控制目標(biāo)來對(duì)電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后對(duì)電壓，電流相位進(jìn)行比較，將相位差送入PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，控制器輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)電抗器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器的調(diào)整。

圖4 無源動(dòng)態(tài)濾波器控制圖

3 TSC的投切控制

TSC屬于靜止無功補(bǔ)償器，在組合裝置中作為無功補(bǔ)償?shù)闹饕O(shè)備，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的無功補(bǔ)償。

TSC裝置的核心問題是電容器投切時(shí)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(shí)刻來觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷，在選取晶閘管觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，總的原則是：TSC投入電容器組的時(shí)刻,必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時(shí)刻。為此選擇在晶閘管兩端安裝電壓檢測(cè)器件，因?yàn)殡娙萜鲀啥说碾妷弘y以確定，很難精準(zhǔn)地確定電容器投切時(shí)間，通過安裝零電壓觸發(fā)裝置，將晶閘管兩端的電壓參數(shù)通過光電耦合器送到過零檢測(cè)器件。當(dāng)檢測(cè)到器件兩端電壓相等，即晶閘管兩端的電壓差為0，這時(shí)過零檢測(cè)信號(hào)和投切信號(hào)同時(shí)作用觸發(fā)晶閘管，實(shí)現(xiàn)了晶閘管的零電壓觸發(fā)。

圖5 零電壓觸發(fā)原理圖

4 仿真分析

本裝置通過Matlab/Simulink進(jìn)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(shí)際電網(wǎng)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(duì)電網(wǎng)的影響最大。電網(wǎng)峰值為311 V，然后設(shè)計(jì)一組雙調(diào)諧濾波器，主要用于濾除三相不可控流橋電路產(chǎn)生的 5、7次諧波，雙調(diào)諧濾波器的參數(shù)為：L1=25 mH，C1=11.579 μF，L2=2.857 mH，C2=101.32 μF。然后設(shè)計(jì)一組容量為5 kvar的單相TSC型無功補(bǔ)償裝置，作為主要的無功補(bǔ)償設(shè)備。

雙調(diào)諧濾波器正常工作時(shí)，具有較好的濾波效果，參數(shù)漂移及環(huán)境影響會(huì)使電容值發(fā)生改變，以C1、C2為例，當(dāng)C1減少6%，C2減少8%，此時(shí)C1變?yōu)?0.885 μF,C2變?yōu)?3.219 μF,經(jīng)計(jì)算可知，L1需增加1.596 mH，L2需增加0.248 mH,以此來達(dá)到新的諧振狀態(tài)。以A相為例，調(diào)節(jié)L1、L2前后A相電流波形對(duì)比。

圖6 電容C1、C2改變后A相電流波形

圖7 調(diào)節(jié)電感L1、L2后A相電流波形

由圖6、圖7可知，當(dāng)雙調(diào)諧濾波器因電容值改變時(shí)可通過調(diào)節(jié)電感值使其恢復(fù)得到諧振狀態(tài)。

在電路中未投入濾波器和TSC時(shí)，A相中因諧波存在出現(xiàn)波形畸變。此時(shí)，諧波畸變率為16.51%，功率因數(shù)為0.88，當(dāng)接入雙調(diào)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(shí)系統(tǒng)的功率因數(shù)也提高。并入濾波器前后A相電流波形及諧波畸變率對(duì)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(shí)，會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生影響，濾波器投入前后功率因數(shù)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(shù)

經(jīng)以上仿真可知，在雙調(diào)諧濾波器因兩電容值改變導(dǎo)致失諧時(shí)，通過改變兩電感值使濾波器重新回到諧振狀態(tài)。濾波器在消除諧波的同時(shí)，也相當(dāng)于補(bǔ)償了諧波消耗的無功功率，從而提高了功率因數(shù)。此時(shí)的功率因數(shù)并未達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，還需要結(jié)合使用無功補(bǔ)償裝置。從而將無源動(dòng)態(tài)濾波器和TSC 并聯(lián)在電網(wǎng)中來達(dá)到提高電能質(zhì)量的目的。

圖13 并入濾波器A相功率因數(shù)

5 結(jié) 論

基于雙可控電抗器的雙調(diào)諧濾波器，具有較強(qiáng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，較為精準(zhǔn)的調(diào)諧結(jié)果。作為傳統(tǒng)無源濾波器的改進(jìn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)行雙調(diào)諧濾波器的缺點(diǎn)。因其兼顧無功補(bǔ)償作用，選擇與TSC組合使用，從而達(dá)到消除諧波和無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

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