浙江亞太機(jī)電股份有限公司中頻濾波系統(tǒng)仿真分析

丁榮榮

Abstrect: The power filter systemisanalysed , thehamonic impedance diagram and VDRM /VRRMof SCR are geven with the MATLAB lanquage In this paper

前言：本文使用MATLAB語言對(duì)濾波系統(tǒng)作仿真分析，給出諧波阻抗圖，并給出濾波支路的晶閘管的反壓要求。

關(guān)鍵詞：濾波，諧波電流，諧波阻抗，晶閘管，正（反）向阻斷電壓

Key words: FILTER,HARMONIC CURRENT,SIMULATION,HARMONIC IMPEDANCE，

THYRISTOR，VDRM /VRRM

1． 浙江亞太機(jī)電股份有限公司中頻電爐濾波補(bǔ)償系統(tǒng)

浙江亞太機(jī)電股份有限公司為中頻電爐安裝了二套低壓濾波補(bǔ)償裝置。該裝置自驗(yàn)收至今已連續(xù)運(yùn)行7個(gè)月。本文試圖以MATLAB語言對(duì)該濾波系統(tǒng)的諧波特性和晶閘管控制主電路進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

MATLAB是由美國(guó)Mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境, 它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案。本人根據(jù)制造方提供的技術(shù)文件中濾波支路的參數(shù)，編寫系統(tǒng)阻抗公式并在MATLAB7.1上運(yùn)行，檢驗(yàn)濾波系統(tǒng)是否穩(wěn)定及濾波效果。使用廠家提供的技術(shù)資料歸納如下：

(1) 原理圖見圖一，濾波補(bǔ)償接在1250KVA整流變的低壓側(cè)繞組，含5,7,11次3個(gè)濾波支路。

(2) 濾波補(bǔ)償支路電容和電感的參數(shù)為：

L5 =0.350mH ， L7 =0.355mH， L11=0.142mH

C51 =3618uF， C7 =1773uF ，C11=1773uF

濾波補(bǔ)償系統(tǒng)與接入公共點(diǎn)（PCC）距離為10米左右。

(3) 采用了大功率晶閘管與整流二極管反并聯(lián)的開關(guān)電路，晶閘管和二極管的反向阻斷電壓為4800伏。該電路稱為TSF。

根據(jù)提供的系統(tǒng)圖，繪出仿真用的電路圖如圖1，該仿真圖用來模擬開關(guān)器件的運(yùn)行狀態(tài)。

圖一濾波系統(tǒng)原理圖，圖中未畫出B,C相及斷路器等器件

為了檢驗(yàn)濾波裝置接入爐變低壓側(cè)的穩(wěn)定性，建立接入系統(tǒng)的諧波阻抗掃描仿真數(shù)學(xué)模型，即建立濾波支路的阻抗表達(dá)式和爐變的阻抗表達(dá)式，各濾波支路之間及與爐變均為并聯(lián)關(guān)系。在MATLAB7.1上運(yùn)行得到系統(tǒng)阻抗與頻率的關(guān)系圖（仿真掃描），從而直觀顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2．阻抗仿真程序（.m格式）：

圖一中的Zso1為連接電纜的等效阻抗，該阻抗與長(zhǎng)度有關(guān)。諧波源為hr1。電力變壓器為Dyn11的中性點(diǎn)不接，阻抗4.5%。變壓器二次繞組的等效阻抗為：

Zt=6.703e-4+i*0.0312156*h ， α=arctan (r/x)=88.77(50Hz)。

Zso1以Zso的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述：

Zso=0.01273*length./1000+i*w*length*0.9337e-3./1000;

式中l(wèi)ength為電纜長(zhǎng)度，單位為米，w=2*π*50*h,h為諧波次數(shù)。

使用MATLAB語言對(duì)原理圖仿真分析，描述從諧波源看進(jìn)去的系統(tǒng)阻抗與頻率之間的關(guān)系——諧波阻抗曲線圖。分析了系統(tǒng)的并聯(lián)諧振點(diǎn)和串聯(lián)諧振點(diǎn)。

2．1 諧波仿真程序如下：

% for LC filter;

%浙江亞太機(jī)電股份有限公司中頻濾波，POWER 1250KVA;

%The cable length bettwen filter system and PCC is 50M long with the paramert is:

%====================================================================

% L5 =0.350mH L7 =0.355mH L11=0.142mH

% C5 =3618uF C7 =1773uF C11=1773uF

% If the cable length is 10Mlong,thecapacttorparameter will be changed as:

% C5 =3500uF C7 =1700uF C11=1700uF

%====================================================================

V=0.66, Q51=0.165,Q71=0.081,Q111=0.081;%Y: Q=327kvar

h=1:0.01:25，w=10;

tg1=50,tg2=50,tg3=50;

Sn=1.25,k=0.045,a=(82.5/180)*pi;

Sc=Sn/k,Zso=0.01273*50./1000+i*h*50*0.9337e-3./1000;

r=(V^2*3/Sc)*cos(a),x=(V^2*3/Sc)*sin(a);

Zso=0.01273*length./1000+i*w*length*0.9337e-3./1000;

Zt=r+i*x*h,Zt1=Zt+Zso,Yt1=1./Zt1;

XC51=(V^2*3)./Q51,XL51=XC51/25,C5=1000000/(314*XC51),L5=1000*XL51/314,I51=314*10^-6*C5*V*1000;

XC71=(V^2*3)./Q71,XL71=XC71/49,C7=1000000/(314*XC71),L7=1000*XL71/314,I71=314*10^-6*C7*V*1000;

XC111=(V^2*3)./Q111,XL111=XC111/121,C11=1000000/(314*XC111),L11=1000*XL111/314,I111=324*10^-6*C11*V*1000;

R51=(XC51*XL51)^0.5/tg1,R71=(XC71*XL71)^0.5/tg2;

R111=(XC111*XL111)^0.5/tg3;

Z51=R51+i*(XL51.*h-XC51./h),Y51=1./Z51;

Z71=R71+i*(XL71.*h-XC71./h),Y71=1./Z71;

Z111=R111+i*(XL111.*h-XC111./h),Y111=1./Z111;

Zf1=1./(Y51+Y71+Y111),Yf1=1./Zf1;

Y1=Yt1+Yf1,Z1=1./Y1;%

z1=abs(Z1);

z2=abs(Zf1);

zt1=abs(Zt1);

plot(h,z1,h,zt1);

title('波阻圖(亞太機(jī)電)');

xlabel('h');

ylabel('Z:歐姆 ');

2．2 系統(tǒng)諧波阻抗仿真圖

運(yùn)行上述程序，使得到系統(tǒng)諧波阻抗曲線圖如下：直線代表主變壓器的諧波阻抗，曲線代表低壓側(cè)系統(tǒng)的諧波阻抗變化。從圖中可看出阻抗曲線在h=5，7，11處的阻抗最小，表明回路處于串聯(lián)諧振狀態(tài)，濾波支路吸收諧波電流。曲線的頂點(diǎn)為并聯(lián)諧振放大，由于頻率為非特怔諧波頻率，對(duì)系統(tǒng)不會(huì)造成影響，但在10次諧波點(diǎn)有1歐的阻抗，對(duì)10次電流有3倍的放大，由于10次諧波電流很小，可不予考慮。

圖二系統(tǒng)諧波阻抗曲線圖

對(duì)程序的繪圖語句梢作修改，將z1=abs(Z1)改寫為 z1=abs(Z1./Zt1)，將ylabel('Z:歐姆 ') 改寫為ylabel('注入主變諧波電流倍率')。再次運(yùn)行程序，即得到諧波電流注入主變壓器的倍率，如圖三所示。

圖三諧波電流注入主變壓器的倍率變化曲線

從該曲線中可直觀看出濾波支路對(duì)諧波電流的吸收情況，對(duì)于5，7，11，13次，注入主變壓器的諧波電流降為30% 以下。

仿真圖表明該濾波組合能有效吸收諧波電流。

3．TSF電路及仿真

濾波裝置采用了晶閘管與整流二極管反并聯(lián)作濾波回路的開關(guān)控制器件，與濾波回路LC構(gòu)成TSF電路（晶閘管控制濾波電路），其基本結(jié)構(gòu)屬于TSC（晶閘管投切電容器）電路結(jié)構(gòu)。TSC有采用二種觸發(fā)方式，即過零觸發(fā)和定相位觸發(fā)。過零觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間受到晶閘管兩端電位差的影響, 響應(yīng)時(shí)間可能大于20mS；定相位觸發(fā)的響應(yīng)時(shí)間不受晶閘管兩端電位差的影響，響應(yīng)時(shí)間小于20mS。在定相位觸發(fā)之前，電容器通過二極管充電到+Vmax(+或-,視整流二極管的接法，如圖示為負(fù))，如圖四示：

圖四定相位觸發(fā)原理圖

移相脈沖相位恰好在電源的負(fù)半周最大值時(shí)，脈沖予施加于晶閘管的控制極G.K端。這時(shí)晶閘管導(dǎo)通，電容通過晶閘管向電源放電。當(dāng)電容端電壓放電至零時(shí)，由于電源電壓繼續(xù)上升的作用，對(duì)該電容進(jìn)行正向充電；隨著電容端電壓的升高，充電電流減少直到該電流小于晶閘管維持電流時(shí)，晶閘管自然關(guān)斷。此刻電容器的電壓升到正半周的最大值。而這時(shí)電源電壓從正半周峰值開始下降，使二極管導(dǎo)通，直到電容器端電壓達(dá)到負(fù)最大值時(shí)電流為零。從而完成一個(gè)雙向開關(guān)過程。

MATLAB 的強(qiáng)大功能使得電路仿真快速直觀。對(duì)于該濾波電路，在.mdl 文件格式下按照語言的要求從器件庫(kù)調(diào)出所需的圖元，繪成全電路硬件仿真圖如圖六。為便于分析，繪出單級(jí)TSF電路圖（圖五）。

圖五單元電路仿真圖

仿真過程為：

給出觸發(fā)脈沖，即在脈沖發(fā)生器的參數(shù)表中將‘Amplitude置‘1。然后點(diǎn)擊總圖的‘Simulation欄中的Start，仿真即開始，點(diǎn)擊圖中的Scope2，可看到三組晶閘管兩端位的變化，這時(shí)的端電壓幾乎為0，經(jīng)40毫秒后，改變脈沖發(fā)生器的參數(shù)，即將‘Amplitude置‘0，觀察Scope2，晶閘管的端電壓發(fā)生明顯的變化，最大電位差為電源電壓的5倍。

對(duì)于660伏三相供電電壓，關(guān)斷時(shí)晶閘管的端電壓可達(dá)到3300V，考慮到電源電壓的波動(dòng)，該電壓值可達(dá)到4000V，故應(yīng)選擇反壓大于4000V的晶閘管，該濾波裝置內(nèi)的晶閘管選用反壓4800V是合理的。

3．結(jié)束語

本文用MATLAB語言仿真分析了亞太機(jī)電1250KVA變的濾波系統(tǒng)，描述了濾波系統(tǒng)的諧波阻抗圖和晶閘管的反壓耐受情況。仿真分析結(jié)果表明該濾波裝置設(shè)計(jì)合理，該濾波裝置投入運(yùn)行至今穩(wěn)定可靠。

4.參考文獻(xiàn)

[1] 《電力系統(tǒng)諧波—基本原理，分析方法和濾波器設(shè)計(jì)》 George J.Wakilen著。徐政譯 2003.5

[2] MATLAB 電子仿真與應(yīng)用韓利竹王華編著