利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器

    利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器
    一、摘 要
    利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器，屬于電力系統無功補償和諧波抑制器件領域，它由電容C1、可控串聯電抗器L1、電容C2和電抗器L2、雙調諧濾波器、可控串聯電抗器的控制電路組成；電容C1、可控串聯電抗器L1、電抗器L0、電容C2和電抗器L2的并聯支路四部分依次串聯；雙調諧濾波器并聯接在系統側。本裝置發明通過改變可控串聯電抗器的直流控制電壓來改變電抗器的輸出電抗值，從而實現濾波器參數可以根據系統參數的變化而實時改變，使得濾波器時刻保持諧振，始終保持良好的濾波效果。消除了常規無源濾波器由于系統頻偏、溫度漂移、濾波電容老化以及非線性負荷變化造成的失諧的影響。同時本裝置發明中的電容器可以補償用戶無功，提高功率因數。

    二、背景技術
    無源濾波器(PF)的工業應用己經有相當長的歷史，其設計方法簡單，工作穩定可靠，但其濾波效果依賴于系統的阻抗特性，并且容易受到電網的諧波污染程度、溫度漂移、濾波電容老化以及非線性負荷變化的影響。實際工作中，電網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、電感量的調整方式等原因也存在一定的誤差，這些原因均會導致無源濾波器出現“失諧”現象。

    如果將無源濾波器中的固定電抗器用可控串聯電抗器取代，則可以克服上述缺點而實現一種諧振頻率可控的濾波器。但是由于電力系統中濾波器的容量往往很大，使得采用全可調電抗器投資太大，同時也存在制造上的困難，所以，如果我們將一容量較小的可調電抗器與既有的固定電抗器相串連而形成雙調諧濾波裝置，將會大大地減少濾波器的投資。與傳統的無源濾波器相比，它能在一定范圍內連續調節電感值，保持濾波器在諧振點附近工作，消除了頻偏等失諧的影響。而一旦系統發生諧波放大時，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到使系統失諧，從而抑制諧振的發生。另一方面，與采用全可調電抗器和基于變流器的有源濾波器相比，它結構相對簡單、易實現且成本低。因此具有十分廣泛的應用前景。

    可控串聯電抗器應用于傳統無源濾波裝置，將會實現濾波動態連續可調，改善傳統無源濾波器濾波效果。利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器，包括電容器C2和固定電抗器L2組成的并聯支路，在其并聯支路上串聯有由電容Cl、可控串聯電抗器L1、固定電抗器LO組成的串聯支路，可控串聯電抗器的控制端接有控制器。

    所述的可控串聯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帶通濾波器與電流互感器CT相連，電流互感器CT接地。與現有技術相比，本實用新型的優點在于:

     (I)由于本實用新型采用了可控串聯電抗器取代傳統無源濾波裝置中的固定參數電抗器，通過改變可控串聯電抗器的直流控制電壓來改變電抗器的輸出電抗值，從而實現濾波器參數可以根據系統參數的變化而實時改變。使得濾波器時刻保持諧振，始終保持良好的濾波效果。

     (2)為了保證實時性，一般采用閉環控制，根據調諧濾波器在諧振時呈現純電阻特性，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(數字信號處理器)或單片機，用PI調節算法根據上述條件在電抗器可調范圍內動態調節電感值大小，使濾波器始終在某個固定頻率點諧振。

     (3)利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器可在很大程度上減弱傳統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荷變化造成的失諧的影響。同時裝置中的電容器可以補償用戶無功，提高功率因數。

    三、具體實施方式
    雙調諧濾波器電路結構如圖1所示，它由電容Cl、可控串聯電抗器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并聯的并聯支路——四部分依次串聯構成。

    在計算分析時電感中的電阻Rl、R2可以忽略不計。它有兩個諧振頻率，可以同時吸收兩個鄰近頻率的諧波，其阻抗頻率特性如圖2所示。在圖2中，橫軸為頻率，縱軸為雙調諧濾波器的阻抗，其特性是在兩個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，從而減小諸如系統的該頻率諧波。

    在設計雙調諧濾波器參數時，可以把它看作是兩個單調諧濾波器并聯的等效，如圖3所示。其每一個支路都是一個單調諧濾波器，在諧振頻率處，兩個單調諧濾波器的阻抗特性與雙調諧濾波器的基本相同。即如果兩個單調諧濾波器分別諧振在頻率f I和f2，則依據它們算出的雙調諧濾波器也將諧振在這兩個頻率上。相對于單調諧濾波器，雙調諧濾波器的好處在于，因為濾波器電路結構中采用了串聯的結構，從而可以降低對器件耐壓水平的要求。

    圖4是采用可控串聯電抗器的雙調諧濾波器及其控制框圖。參見圖4，利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器，它由電容Cl、可控串聯電抗器L1、電抗器LO (也可不用)、電容C2和電抗器L2、雙調諧濾波器、可控串聯電抗器的控制電路組成；電容Cl、可控串聯電抗器L1、電抗器LO (也可不用)、電容C2和電抗器L2的并聯支路四部分依次串聯；可控串聯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。

    采用可控串聯電抗器的雙調諧濾波裝置，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次雙調諧濾波器為例，通過兩個結構與參數完全相同的模擬或數字5次(或7次)帶通濾波器，分別從系統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)諧波分量的相位進行比較，并將相位差送入PI調節器；PI調節器的輸出向可控串聯電抗器的觸發板提供相位控制電壓，從而實現閉環控制。這種控制策略控制目標明確，響應時間小于5次(或7次)諧波一個周期。圖8是濾波支路5次諧波電壓電流相位差逼近過程。

    利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器裝置的設計主要是考慮磁閥式可控串聯電抗器設計和控制器設計兩個方面。磁閥式可控串聯電抗器的設計目標是可以根據系統變化，改變電感的大小。一個典型的單相磁閥式可控串聯電抗器的工作原理如圖5所示，該電抗器包括兩個相互絕緣的繞組，一個交流供電的工作繞組(每一側三個繞組中的上下兩組)和一個經整流橋供電的控制繞組(每一側三個繞組中的中間一組)。在兩個半芯柱上分別對稱地繞有匝數為N/2的工作繞組；該繞組與固定電抗器相連后構成濾波電路的電抗器，該電抗器再與電容器串連構成單調諧濾波器接入電網。而控制繞組同樣分別對稱地安裝在兩個半芯柱上，由晶閘管Tl〜T4構成的整流橋供電。當晶閘管均不導通時，可控串聯電抗器相當于空載變壓器，容量很�。浑S著整流橋控制角的變化，在控制繞組中產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，橫軸為磁場強度H，縱軸為磁感應強度B。鐵芯材料的磁化曲線大致可分為三個部分，起始部分的磁導率比較大，而且線性度非常好，平常用的電抗器就是處在這個工作狀態；第二個部分是非線性區，非常窄小的一段，這段的磁導率是在不斷的減小，磁閥式可控串聯電抗器正是工作在這個區段內，這個區間非常窄小；第三個部分是磁芯材料飽和段，曲線接近于線性，磁導率基本不變。

    改變可控硅整流器的觸發導通角便可得到不同的直流電壓，從而生成相應的偏磁電流。因而可以通過改變鐵芯的磁飽和度，相應地改變磁閥式可調電抗器的電抗值，從而平滑地調節濾波器的諧振頻率。

    —旦系統發生諧振時，我們可以利用保護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脈沖使晶閘管在半個周期內關斷，使可控串聯電抗器呈現高阻態等方法，來破壞諧振條件，達到消除諧波放大的效果。

    圖7為單相裂芯式可控串聯電抗器的原理圖。電抗器的一個鐵心分為兩半，下方兩個直流控制繞組分別套在半鐵芯柱上，所產生的直流磁通在兩個半鐵芯自我閉合。上方交流工作繞組繞在整體的兩個鐵芯柱上，所產生的交流磁通通過兩個并聯半鐵芯柱和另一鐵芯柱而閉合�？刂评@組經電阻由一直流電源Ek供電。通過調節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。

    可調諧濾波裝置的特點在于根據系統變化，調節電感大小，使電感電容總在固定頻率點諧振。以可調諧濾波器設計為5、7次雙調諧濾波器為例，由諧振特性，當且僅當濾波器在250Hz和350Hz諧振時，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分流的關系應為最大值；濾波支路端電壓的5、7次諧波分量與流經濾波器的電流的5、7次諧波分量應同相位。以上兩個都是濾波器處在諧振狀態的充分必要條件。控制器的控制策略就是根據這個原理設計的。

    控制器的設計是使諧振頻率點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�？刂破饔蓭�通濾波器、相差檢測電路、PI調節電路、晶閘管觸發電路構成。上述電路既可以用模擬電路也可以利用數字電路實現。

    對雙調諧濾波器進行理論分析可知，若系統參數發生改變，則僅通過調節可控串聯電抗器的電感值無法使濾波器重新在兩個諧振頻率均準確諧振，所以對于雙調諧濾波器設定的控制策略為保證其在某一次諧振頻率始終保持諧振，而對另一個諧振頻率而言也會減小由于參數變化引起的諧振頻率偏移。在實際應用中，具體對其中哪一個諧振頻率進行閉環跟蹤控制可以進行理論計算和觀測其實驗效果。

    閉環控制時，可以通過比例積分(PI)調節器來實現。對濾波后得到的特定頻率電壓電流信號進行分析，得出其相位差，送入比例積分調節器，以相位差為O為目標進行調節，得到一個可控串聯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調節下逐漸變為O。

    實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，兩濾波器產生的相移基本相同，對計算相位差不發生影響。

    圖9為雙調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。對采用可控串聯電抗器的雙調諧濾波裝置的仿真和實驗結果表明，可調諧濾波裝置能夠根據系統的變化，實時地調節可控電感值，保證濾波裝置在諧振點附近工作，同時補償系統無功，提高功率因數。計算機仿真以及實驗室裝置物理實驗的結果均證明上述方法可以達到預期目的。上述設計方法完全可以推廣到三調諧濾波器。

    四、特殊要求
    1.一種利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器，包括電容器C2和固定電抗器L2組成的并聯支路，其特征在于:在其并聯支路上串聯有由電容Cl、可控串聯電抗器L1、固定電抗器LO組成的串聯支路，可控串聯電抗器的控制端接有控制器。 

    2.根據權利要求1所述的利用可控串聯電抗器可實現雙調諧濾波器，其特征在于，可控串聯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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