（电路与系统专业论文）基于可控电抗器的双调谐滤波器研究与设计.pdf

南京理工大学硕士学位论文 基于可控电抗器的双调谐滤波器研究与设计 摘要 随着电力电子装置的广泛应用，电力系统中的谐波干扰日益严重，进行谐波 抑制和无功补偿成为当今电力电子研究领域的重要课题。装设无源滤波器来抑制 谐波是目前普遍采用的方法，但由于无源滤波器的滤波效果严重依赖于电网特 性，滤波元件会因制造工艺，温度漂移，老化等原因而发生参数偏移和振荡，使 得其很难工作在最佳滤波状态，严重影响了它的性能。随着可控电抗器与高速数 字信号处理器的发展，研究人员开始利用可控电抗器来动态调谐无源滤波器，从 而有效解决无源滤波器的固有缺陷。这种滤波器的特点是成本低廉、制造简单， 是本文研究的对象 双调谐滤波器足近年出现的一种新型无源滤波装置，应用在高压大容量滤波 装置中具有经济上的优势，在中低压电网中也可用来代替单调谐滤波器实现滤波 功能。但双调谐滤波器同样具有元件参数不稳定等缺点。运行中容易发生失谐， 为解决这问题，本文设计并实现了一种基于可控电抗器的双调谐滤波器，这种 滤波器以d s p 作为硬件核心，能够动态跟踪滤波器调谐状态，通过控刹可控电抗 器来修复滤波器的失谐，使其始终运行在谐振状态。实验证明，这种双调谐滤波 器具有更好的滤波效果。 关键词：谐波，无源滤波器，可控电抗器，d s p a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eh a r m o n i ci n t e r f e r e n c eg e t t i n gm o r ea n di n u r es e r i o u s ，h a r m o n i c s u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sb e c o m i n ga l li m p o r t a n tt o p i ci ne l e c t r i c p o w e rr e s e a r c h i n f l u e n c e db yp o w e rn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c ，a n df i l t e re l e m e n t p a r a m e t e r se x c u r s i o na n dv i b r a t i o n 。t h ed e t u n eo ft r a d i t i o n a ll cf i l t e ri sv e r ys e r i o u s t h e f i l t e rp e r f o r m a n c er e d u c e sg r e a t l y u s i n gd s pt oc o n t r o lt h ec o n t r o l l a b l er e a c t o r d y n a m i c a l l yw o u l dm a k et h el cf i l t e rb eh a r m o n i o u s ，t h i sc a ne f f e c t i v e l yr e s o l v et h e f i l t e rd e t u n ep r o b l e m t h ed o u b l e - t u n e df i l t e ri so n ek i n do fn e wl cf i l t e ri n s t a l l m e n t sw h i c ha p p e a r e di n t h er e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g eo fa r e as f i g h f l ya n de c o n o m i c ，d o u b l e - t u n e d f i l t e r sa r em o r ea n dm o r eu s e di na c t u a lp r o j e c t s a c c o r d i n gt 0t h ed o u b l e - t u n e df i l t e r d e t u n ep r o b l e m , t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e dac o n t r o ls y s t e mw h i c hb a s e do nd s p , t h i s c o n t r o ls y s t e mc a nr e g u l a t et h em a g n e d ev a l v ec o n t r o l l a b l er e a c t o r , a n dm a k et h e d 、o u b l e - t u n e df i l t e r r u ni nr e s o n a n tc o n d i t i o na l lt h et i m eb yt r a c k i n gt h ed o u b l e - t u n e d f i l t e rd e t u n ed e g r e er e a l - t i m e l y i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rd e m o n s t r a t e st h e o r e t i c a l l yt h a tt h ec o n t r o l l a b l er e a c t o ri s a b l et ot u n et h ed o u b l v t u n e d f i l t e rd y n a m i c a l l y a n dd i s c u s s e st h ee l e m e n tp a r a m e t e r s r e q u e s tt ot h ed y n a m i c a lt u n i n g a f t e r w a r d st h ea u t h o rd e s i g n sc o n t r o l l a b l er e a c t o r s c o n t r o la l g o f i t h mw h i c hb a s e do nd 甩a n dc a r r i e s0 l lt h es o f t w a r es i m u l a t i o nt h r o u g h p s c a d t h e nt h ea l l t h o rc a r r i e so nt h eh a r d w a r ed e s i g nt ot h ec o n t r o ls y s t e mw h i c h t a k e st m s 3 2 0 v c 5 4 0 2a st h ec o r e b u i m st h eh a r m o n i c g e n e r a t i o ne x p e r i m e n t i n s t a l l a t i o n ，a n dd e s i g n sad o u b l e t u n e df i l t e ri n s t a l l m e n t f i n a l l y , t h ea u t h o rc a r r i e so n t h es o f t w a r ed e s i g nt ot h ec o n t r o ls y s t e m , a n dt h eo n l i n ep r o c e d u r e d o w n i o a d i n gt h r o u g h t h ex d s 5 1 0s i m u l a t o r n ea n a l y s i st ot h ee x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e s t h a tt u n i n gt h e d o u b l e - t u n e df i l t e rh a sb e e nr e a l i z e di n i t i a l l y k e y w o r d s ：h a r m o n i c ，l cf i l t e r , d o u b l e - t u n e df i l t e r , c o n t r o l l a b l er e a c t o r , d s p i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他入已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名。糌 硼6 每7 薛日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 形少月绛 硕士论文 基于可控电抗器的双调谐滤波器研究与设计 l 绪论 随着电力电子技术的发展，在冶金、化工等部门以及电气化铁路和城市地铁中 大量采用整流和换流技术，形形色色的新型电力电子产品得到了大量使用，诸如家 用电器、新型照明设备、计算机等，由于电力电子产品的非线性，导致了大量的高 次谐波电流注入了中低压配电网，单相非线性负荷还会产生不对称的离次谐波和不 平衡负荷，造成了电网中电压波形的畸变和三相不平衡，使电网存在着潜在的危险， 威胁电气设备的安全运行，降低了电能质量，严重影响着各行各业的正常生产和运 行。 许多国家先后对电网中各次谐波电压电流的数值、谐波测试方法等制定了相应 的标准，国际上已经公认谐波是污染电力系统的公害。 过去我国一直对谐波问题没有引起高度的重视，随着我国经济的高速发展，对 于供电质量要求逐步提高，谐波问题已经引起人们重视。1 9 9 3 年我国颁布了国标电 能质量一公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 - - 9 3 ) ，此标准是电能质量系列标准之一，对 于公用电网各级( 3 8 0 v 2 2 0 k v ) 谐波电压限值以及对用户的谐波电流指标分配做出 了规定。 近年来，国内在谐波治理方面取得了很大的成绩，新型谐波治理装置得到了一 定程度的应用，但传统调谐滤波器仍然占主导地位。在这种情况下，一方面可调谐 滤波器有诸多弊端，滤波性能有待改善；另一方面新型治理装置由于造价高、工艺 复杂而难以得到大量的推广使用。所以研制低成本、性能优良的谐波治理装置对电 能质量的改善来说有着很重要的意义。 1 1 电网谐波畸变指标及相关标准 针对非线性用户产生的谐波，必须制定一个谐波标准作为参照，以此作为判断 谐波是否超标的依据，从而保证电网的稳定运行。为了定量表示电力系统正弦波形 的畸变程度，采用各次谐波含量和谐波总含量作为表示谐波波形畸变的指标。 列于一个非正弦周期函数，可以用傅立叶级数展开为 ，( f ) = n 。+ k c o s ( 纬f ) + 玩s i n ( 哆f ) 1 ( l1 ) m 还可以表示为 即) = a + a h c o s ( h 6 a f t + 仍h ) ( 1 2 ) k l 式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 中俐为一个周期为t 的函数土述两种形式系数之间有如 下关系 第1 章绪论 凡2 a o = 、1 8 + b ? a h = a c o s p h 巩= 一as i n 饩= = e t a n ( - l a ) 其中，频率，= l i t 称为基波频率，绵= 2 ，r f v 称为基波角频率； c o s ( c o + 0 l , ) 称为基波分量，馈是基波分量相位； a , , c o s ( h c o p t + h ) 称为第h 次谐波，纯是第h 次谐波相位； 对于非正弦周期电流f ( f ) ，可以通过式( 1 1 ) 的傅立叶级数展开为基波电流分量 与谐波电流分量的叠加形式；同理，对于非正弦周期电压“( f ) 也可展开为基波电压 分量和谐波电压分量叠加的形式t ”。 1 1 1 谐波舍有率1 2 】 第h 次谐波分量的有效值与基波分量的有效值之比，称为第h 次谐波的含有率 ( h a r m o n i cr a t i o ，h r ) 。 第h 次谐波电压含有率( h r ) 表示为 h r u 。, = 瓷x 1 0 0 ( 1 3 ) 其中为第耽定谐波电压分量的有效值，u 为基波电压分量的有效值。 第h 次谐波电流含有率( h r 。) 表示为 h r h = 争- x 1 0 0 ( 1 4 ) 1 1 其中l 为第 次谐波电流分量的有效值，l 为基波电流分量的有效值。 将各次谐波分量的有效值的平方和开方定义为谐波总量。 谐波电压总量( u 。) 定义为 r 一 吣摆u h 2 n 勘 谐波电流总量( 如) 定义为 r = 一 b 。j 荟) 2 旺6 2 硕士论文基于可控电抗器的j 叹调谐滤波器研究与设计 1 1 2 总谐波畸变率( 死) 谐波电压总量的有效值与基波电压分量的有效值之比，称为电压总谐波畸变率 ( 硪见) ，即 觋= 鲁舢- ( 、 i x l 0 0 ( 1 7 ) j 谐波电流总量的有效值与基波电流分量的有效值之比，称为电流总谐波畸变率 ( 硒峨) ，即+ 蚴寺x 1 0 0 = ( 劂卜 ns ， 1 1 3 国家公用电月谐波标准 我国现行谐波标准电能质量一公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - - 9 3 ) 是在总结执 行d s l 2 6 - - 8 4 电力系统谐波管理暂行规定的经验，结合国情，吸取国外谐波标 准研究成果的基础上提出的。该标淮适用于交流额定频率为5 0 h z 、标称电压1 1 0 k v 及以下的公用电网，不适用于暂态现象和短时间谐波。标准中规定电网公共接点的 全部用户向该点注入的谐波电流分量不应超过衰1 1 1 中规定值 3 , 4 1 。 表1 。1 i 注入公共连接点的谐波电流限值 标准电 基准短路 谐波次数及齿波电流允许值( a ) 容量 压( k v ) 234567891 0l l1 2 1 3 ( m v h ) 0 3 8 l o7 86 2 3 9 6 2 2 64 4 1 92 l1 62 81 32 4 61 0 04 33 42 16 41 42 4l ln8 5 1 67 11 3 1 01 0 02 62 01 32 08 51 56 46 85 1 9 34 37 9 3 52 5 01 51 27 。71 25 18 83 84 1 2 15 62 64 7 6 65 0 01 61 38 1妈5 49 34 14 ，33 3 5 92 75 o l i o7 5 01 2 9 6 6 o9 64 06 83 03 22 44 32 0 3 7 标准电 基准恕路 谐波次数及谐渡电流允许值( a ) 容量 压( k v ) 1 6 1 7 1 8 1 92 0 2 1 2 22 32 42 5 ( 1 i v ) 1 41 5 0 3 81 0 l l 1 29 7l 88 61 6 7 8 8 9 7 11 46 51 2 61 0 06 16 85 31 04 79 o4 34 93 97 43 66 8 l o1 0 03 74 13 26 02 85 4 2 6 2 92 3 4 52 14 1 3 52 5 02 22 51 93 61 73 21 51 81 4 2 7 1 32 5 6 6 5 0 02 32 62 03 81 83 41 61 9l52 81 42 6 1 1 0 7 5 01 7l 91 52 。8l32 ，51 21 4ll2 。l1 0l9 标准中对谐波测星的条件和内容、数据处理和测量仪器做了如下规定： 3 第1 章绪论 1 ) 测量应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波源工作 周期中产生的谐波量大的时段内进行；当测量点附近安装有电容器组时，应在电容 器组的各种方式下进行测量。 2 ) 对于负荷变化快的谐波源( 例如：炼钢电弧炉、晶闸管变流设备供电的轧机、 电力机车等) ，测量的间隔时间不大于2 m i n ，测量次数应满足数理统计的要求，一 般不少于3 0 次。对于负荷变化慢的谐波源( 例如：化工整流器、直流输电换流站等) ， 测量间隔和持续时间不作规定。 3 ) 测量的数据应取测量时段内各相实测量值的9 5 概率值中最大的一相的谐波 值，作为判断谐波是否合格的依据。为了实用方便，实测值的9 5 概率值可以按下 述方法近似选取：将实测值按由大到小次序排列，舍弃前面5 的大值，取剩余实测 值中的最大值，把这个最大值作为这段时间内的谐波特征值，同时作为判断电网谐 波是否超过允许值的依据。 4 ) 在测量的频率范围内，仪用互感器、电容式分压器等谐波传感设备应有良好 的频率特性，其引入的幅值误差不应大于5 ，相角误差不大于5 度。电容式电压互 感器不能用于谐波测量。在谐波电压测量中，对谐波次数或测量精度有较高需要时， 应采用电阻分压器或电容式分压器。 5 ) 仪器的功能应满足标准中测量要求。同时保证电源在标称电压1 5 、频率 4 9 5 1 h z 范围内，电压总谐波畸变不超过8 条件下能正常工作。 1 2 主要谐波源 1 ) 配电变压器和铁芯电抗器。由于铁芯的磁路饱和，使系统侧的激磁电流波形 产生畸变，在配变运行时将向系统注入稳态的带有严重畸变的励磁电流，以及在配 变启动投入电网运行时向系统注入瞬态的励磁涌流，由于电网中存在数量较多的配 电变压器，其谐波电流可以汇合成相当大配电系统谐波电流。 2 ) 交直流换流器。主要是借助电力电子装置引入功率变换技术，对功率电子的 流动进行通断控制，以满足用户对不同类型用电的需求，例如：地铁中电力机车、 轧钢机、电解槽、变频调速器、弧焊机、高转速的循环换流器以及与配电系统互联 的风力和太阳能电力转换器等非线性设备，它们向配电网注入高次谐波电流，引起 电网电压和电流的畸变。 3 ) 电弧炉。电弧炉是一个不平衡、时变和非线性设备，特别是在熔化初期和中 期，从电源频率的一周波至另一周波电弧炉电流有相当大波动，所以当它接入电网 时会引起电源电压波动，并包含相当大的谐波含量。另外，电弧炉电流的急剧波动， 能导致明显的电压闪变。 4 ) 节能产品。随着高科技发展，节能产品广泛应用电力电子开关设备。例如： 4 硕士论文基于可控电抗器的双调谐滤波器研究与设计 工矿企业中为节省电能改善电动机效率和负载匹配，它们运行所用的电力半导体设 备和开关，常常产生不规则的电压和电流波形，是配电网中丰富的谐波源。 5 ) 家用电器。电子开关线路在家用电器设备中被广泛采用，例如：电视机、洗 衣机、空调、冰箱、微波炉、个人电脑、节能灯以及调光灯等新型照明设备。这些 半导体电路设备会产生谐波电流，在配电网络阻抗上产生谐波电压降使电网电压波 形畸变瞪- 6 。 由此可见，在整个电网系统中，从供电侧到用户之间都存在着极其丰富的谐波 源，如果不加治理就流入电网，将会使电网严重恶化。因此，治理谐波也愈加显得 重要。而对于我国来说，由于能源分布不均，在长距离输电方面，高压直流输电( h i g h v o l t a g ed i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 比交流输电有着更为突出的优势。对于高压直流输电 系统来说，仅仅滤波装置的费用就占据了总体投资的l o 1 5 川。所以研制自主知 识产权的滤波装置对于我国来说有着特殊的意义。 1 3 谐波危害 配电网的谐波给配电系统和用户造成一系列危害，谐波已经被认为是与环境污 染相类似的一大公害，它与环境污染类似，需要全社会共同努力，通过治理污染源， 切断传播途径，保护电器设备，才能取得较好的效果。谐波所产生的主要危害有以 下几个方面： ( 1 ) 增加旋转电机附加损耗和局部发热，加速绝缘老化，引发电机控制电路不稳 定，还会造成感应电动机产生噪声。 ( 2 ) 受涡流和磁滞的影响，高次谐波会大大增加配电变压器铁损和铜损，导致其 在与5 0 h z 相同的电流下发热更大，从而有可能烧毁配电变压器。 ( 3 ) 由于消弧线圈是按照工频参数设计的，所以多谐波不起作用，如果谐波过大， 在发生接地故障时，单相接地有可能发展为二相或三相短路。 ( 4 ) 造成断路器不正常动作，甚至损坏断路器。 ( 5 ) 导致配电柜产生机械谐振。 ( 6 ) 引起并联电容器补偿装置对谐波的谐振，从而使电容器和串联电抗器过负 荷，缩短其寿命，甚至烧坏。 另外还会引起配电网继电保护和自动装置误动、使配电网网损增大、造成电能 表计量误差、干扰通信系统、降低家用电器使用寿命等等一系列问题 5 1 。 1 4 谐波抑制 解决谐波源的污染问题，基本方法有两种： 第一种方法是装设谐波抑制装置，设法抑制其产生的谐波。装设l c 调谐滤波 第1 章绪论 器是传统的抑制谐波的主要手段l c 调谐滤波器结构简单，既可抑制谐波，又可 补偿无功功率，所以一直被广泛应用于谐波的抑制上，但是它存在很多缺陷。 第二种方法是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，同时也不消耗 无功功率。例如开发新型的变流器，使其不产生谐波且功率因数接近l 睁。 对于目前来说，第一种方法比较容易实现，是谐波抑制的主要研究方向。目前 研究人员正在进行两个方向的研究，第一是改进l c 调谐滤波器性能方面的研究， 例如对l c 调谐滤波器引入控制环节，实现动态调谐，以此来解决调谐滤波器运行 中出现的问题。第二是综合l c 调谐滤波器与有源电力滤波器的优点，将两者组合 为混合滤波器的研究。 1 5 谐波抑制国内外研字臼昵状 无源滤波嚣( p a s s i v ef i l t e r ，p f ) 抑制谐波在工业上已经有相当长的应用历史， 目前仍然被广泛地使用。无源滤波器由滤波电容器、电抗器、电阻器组合而成，它 不但能够起到滤波作用，还可以兼顾无功补偿的要求，并且具有设计简单、成本低 等优点，但其滤波效果依赖于系统特性，容易发生失谐，而且由于它只能对特定谐 波进行衰减，对于谐波丰富的场合，滤波效果不够理想【l “。 采用电力电子装置进行谐波抑制是当今研究的一个趋势，也就是有源电力滤波 器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 2 0 世纪8 0 年代以来，新型电力半导体器件的出 现，p w m 技术的发展，尤其是1 9 8 3 年日本的f la k a g i 等人提出了“三相电路瞬时无 功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中 得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展”。 有源滤波器的基本思想如图1 1 所示： 田1 1 有潭电力滤波器原理圈 图1 1 中，谐波源一般为非线性负载，产生谐波电流f 一；有源电力滤波器表现 为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿 电流一f 一来达到消除谐波的目的。 目前有源滤波技术己在日本美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投 入运行，装置容量最高可达2 0 i v a 。在日本，自1 9 8 1 年以来，已经有5 0 0 多台有源 滤波器投入市场【1 3 】。a b b 公司承建的k o n t i s k a nh v d c 工程跨越k a t t e g a t t 海峡 6 硕士论文基于可控电抗器的双调谐滤波墨研究与设计 联接瑞典和丹麦电网，位于瑞典一方的l i n d o m e 换流站在世界上第一次采用了有源 直流滤波技术【l 玛 国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段，还有很多的工作要做，而且有 源滤波器使用全控器件，而大功率电力电子器件目前基本都需要进口，成本太高。 研制无源滤波器和有源滤波器组合而成的混合型滤波器能够大大减小有源滤波器的 成本，国内一些高校和研究部门都在进行这些方面的研究，已经取得了一定成果。 自调谐滤波器是近年出现的一种新型滤波装置，它能连续调节电容和电感( 通 常是调节电感量) ，保持滤波器在谐振点附近工作，消除了频率偏移和滤波元件参数 偏差时失谐的影响。 圈1 2 目调谐滤波器原理圈 自调谐滤波器原理如图1 2 所示，其功能的实现依赖于图1 2 中的可调电感l 。 由电压互感器p t 取得系统电压，由电流互感器c t 从滤波支路取得该支路电流，分 别经由带通滤波器褥到需要消除次数的谐波电压和谐波电浇，经过鉴相器，锝到该 次谐波电压和谐波电流的相位差，将鉴相器输出值作为p i 控制的控制量，控制可控 电抗器的大小，使滤波器处在谐振状态【9 1 。相对于有源电力滤波器，这种滤波器 成本较低，容易推广。 a b b 公司已经把自调谐滤波器( a u t o m a t i c a l l yt u n e da cf i l t e r s ，c o nt u n e ) 作为h v d c 工程的核心技术之一，取代传统的串联谐振滤波器支路f i2 1 。国内有清华 大学、浙江大学、西安交通大学等一些高校在进行这方面的研究，取得了一定的成 果。对于自调谐滤波器中的关键器件磁阀式可控电抗器的研究在国内还处于初级阶 段，研究新的结构形式、采用新材料作为铁芯都是今后的工作方向【i 羽。本文针对双 调谐滤波器研究并设计了一种自调谐滤波器，以此提高双调谐滤波器的滤波性能。 1 6 论文的主要工作 1 介绍可控电抗器原理，测量其参数，获得其控制特性； 2 理论分析基于可控电抗器的双调谐滤波器原理，并对其进行软件仿真； 3 搭建谐波发生装置，测量谐波成分，据此设计了一组双调谐滤波器，并对此 7 t 第1 章绪论 滤波装置进行软件仿真； 4 以d s p 为核心的控制系统硬件部分设计； 5 对控制系统的软件部分设计； 6 实验结果采集和分析。 硬件设计主要是电压电流信号的采集模块，信号采集电路板与 1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s k 的接口，d s k 控制电压输出与可控电抗器之间的连接等。软件 编程主要有：d s p 、a d 、d a 、m c b s p 初始化，对采集到的数据进行处理，得到 需要输出的控制信号。 硕士论文 基于可控电抗器的双调谐滤波器研究与设计 2 基于可控电抗器的双调谐滤波器主电路设计 2 1 双调谐滤波器的原理 2 1 1 无源滤波器种类 “无源型”滤波装置是由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装 置，被广泛应用在电网中，运行中它和谐波电流源并联，除起滤波作用外还兼顾无 功补偿和调压的需要。无源滤波器设计方法简单，但是其滤波效果依赖于系统阻抗 特性，并且容易受到网络上谐波污染程度、温度漂移、滤波电容老化以及非线性负 荷变化等的影响。 无源滤波器的种类很多，大致可以分为以下六种类型1 1 5 】，如图2 1 1 所示。 k r ( a )( b )( c )( d )( e )( f ) r 圈互1 1 典塑无源滤波器的拓扑结构 ( t ) 单调谐滤波器l ( b ) 双调谐滤波霉i ( c ) 一阶高通滤波器l ( d ) 二阶高通渣波器l ( e ) 三阶高通滤波器i ( f ) 。c 式高通滤波器 单调谐滤波器利用电阻r 、电感厶电容c 电路串联谐振原理构成如图2 1 1 ( a ) 所示。其中电阻r 为与电感l 相关联的电阻，单调谐滤波器的阻抗频率特性如图 2 1 2 ( a ) 所示，由于电阻r 的值很小，当单调谐滤波器发生串联谐振时，整个滤波 支路总阻抗最小，从而使谐波电流基本都从该支路通过，而很少注入系统，达到抑 制谐波的目的。单调谐滤波器具有通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易的优 点，缺点是只能滤除一个频率点的谐波分量，通常需要安装多组才能达到较好的滤 波效果。 双调谐滤波器是近年来出现的一种新型滤波器，结构图如图2 1 1 ( b ) 所示，其 中电感l l 、电容c 1 构成的串联支路，电感如、电容c 2 构成的并联支路。双调谐滤 波器的阻抗频率特性如图2 1 2 ( b ) 所示，可以看出它有两个串联谐振频率，实际上 9 第2 章基于可控电抗器的艰调谐滤波器主电路设计 相当于两个并联的单调谐滤波器，它同时吸收两个频率的谐波。与两个单调谐滤波 器相比，减少了回路，基波功率损耗较少，只有一个电抗器l i 承受全部冲击电压。 在高压大容量滤波装置中采用双调谐滤波器具有技术上和经济上的优越性【阍。 o i ) 单调谐滤波器的阻抗颓率特性c b ) 双调谐滤波器的阻抗频率特性 圈2 1 2 单调谐遮波器和双调谐滤波器的阻抗频率特性 一阶高通滤波器结构图如图2 1 1 ( c ) 所示，由于其基波损耗大，一般不采用； 二阶高通滤波器结构图如图2 1 1 ( d ) 所示，该滤波器通频带很宽，滤波效果较好， 但损耗比单调谐滤波器大，通常用于较高次谐波；三阶高通滤波器结构图如图 2 1 1 ( e ) 所示，这种滤波器的电容器利用率高，基波损耗小，但滤波效果不如二阶 高通滤波器，一般用于电弧炉滤波；“c ”式高通滤波器结构图如图2 1 1 ( f ) 所示， 其滤波性能介于二阶和三阶高通滤波器之间，电阻r 的基波损耗最小，用于电弧炉 滤波，对二次谐波特别有效。 针对常用的单调谐滤波器和双调谐滤波器的缺点，可以设计基于可控电抗器的 可控调谐滤波器，即自调谐滤波器。对于可控单调谐滤波器，具有调谐容易，控制 简单等优点 7 1 ；对于可控双调谐滤波器，选择合适的滤波器元件参数，只需要调节 其中的一个电抗器l l 或如，就可以使整个双调谐滤波器处在很好的滤波状态下，克 服了传统双调谐滤波器的缺陷。本文选择可控双调谐滤波器作为研究对象。 2 1 2 双调谐滤波器设计基本要求 滤波装置设计的基本任务是，在确定的系统和谐波源的条件下，以最少的投资 使注入系统的各次谐波电流符合规定指标，满足无功补偿容量的要求，并保证装置 安全可靠和经济运行。在进行双调谐滤波器元件参数选择之前，必须掌握以下资料： 系统主接线及设备( 主变压器、电缆、限流电抗器等) 参数； 电网运行参数( 电压、频率的变化、电压不平衡度等) ； 系统的谐波阻抗特性； 负荷特性( 负荷的性质、大小、谐波阻抗等) ； 谐波源特性( 谐波次数、谐波量和波动性能) ； 系统原有谐波水平； 硕士论文 基于可控电抗嚣的双调谐滤波器研究与设计 要达到的无功补偿要求； 要达到的谐波指标； 滤波器主设备( 电容器和电抗器) 的参数误差和过载能力； 环境温度的变化研。 根据以上设计要求，合理选择滤波元件参数，使双调谐滤波器达到最好的滤波 效果。常用的双调谐滤波器设计方法是参数直接法和单调谐滤波器等效法。 2 l3 利用参数直接法设计双调谐滤波器 双调谐滤波器结构图如图2 1 1 ( b ) 所示。不考虑线圈内阻足和砭，设串联回路 调谐频率为也毛1 ，并联回路调谐频率为盘：6 2 ，则有 2 而l 2 1 、，1 、一1 2 丽1 2 2 、v 2 由图2 1 2 ( b ) 可以看出，双调谐滤波器有两个串联渚振频率( 即调谐频率) 和一 个并联谐振频率。为分析方便，设两个串联谐振频率为q 、呜，其中q 皑；设双 调谐滤波器补偿的基波无功功率为g 。，滤波器装设处的母线电压为u 。 ： 设计双调谐滤波器时，串并联回路的调谐频率可选得接近或相等，这里选择 鳓1 = c 0 0 2 ( 2 3 ) 由基波无功补偿公式有： 由于发生串联谐振时，双调谐滤波器阻抗为零，所以对谐振频率q 有： q 厶一丽1 + 茜2 。 对谐振频率皑有： q 厶一去+ 孟坛一。 根据式( 2 3 ) ( 2 6 ) 可以求出： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第2 章基于可控电抗器的双调谐滤波器主电路设计 g = 业甓u 慧筹糟型 1 2 饰q 哆( 咯一q 赐) 厶= 而老糍慕丽 一 r 一 垒! ! 竺：鱼：堡二竺：璺：二竺：竺：2 l 22 而磊磊再面砰瓦再f 雨f 硒乒瓣 如= 监嗡蔫鬻鬻嚣鲁茅越 ( 2 。7 ) 由式( 2 7 ) 可以求出双调谐滤波器各个元件参数，这种计算双调谐滤波器元件 参数的方法称为参数直接法。 2 1 4 利用等效法设计双调谐滤波器 k r 2 乙；兰聿掣 忆。， 地+ 齑“必+ 高 z ，= ，鸲+ 壶+ 惫 c z 9 ) 硕士论文基于可控电抗器的双调谐滤波器研究与设计 ( 厶厶岛g z z o z q 一厶厶厶c 2 ) 一( 乞厶+ l o l ，：c 2 + ! 雩銎一厶厶一厶厶 hk 一警一警一半一警蝴瑚m 售寺器一扣 一皂一鲁喜一生一拿一篓一丝) 一( - l 一上一与：0 ggqc agg c 4g e7 、e gc 口gg q 7 由式( 2 1 0 ) 可得方程组 乞如g 一上l 乞厶g 一厶如g = 0 驰+ 警+ 警吨一地警等等等蝴一。 生矗+ 盟j 玉玉一生上一缝丝：o gc ac geg qegq c g 上l l ：o c gc qg g ， 由式( 2 1 1 ) 可得 q = c a + g l ：上生 1 4 + 厶 e ：鱼! 鱼丛生妻生! ： ( 厶乞一厶g ，2 l ：! 生g 二生鱼 。( c 4 + g ) 2 ( 乞+ k ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 在两组单调谐滤波器的参数已知的情况下，由式( 2 1 2 ) 可以计算出双调谐滤波器 的各个参数1 8 1 ，这种计算双调谐滤波器元件参数的方法称为等效法。 2 1 5 双调谐滤波器引起的谐波电流放大现象分析 双调谐滤波器很大的一个缺陷是它的滤波特性严重依赖于系统参数，如果滤波 器的参数选择不当，有可能与系统发生并联谐振，造成谐波放大。 1 3 第2 章基于可控电抗器的双调谐滤波器主电路 殳计 业圆p 厶 圈2 1 4 系统等效电路 系统等效电路如图2 1 4 所示，供电系统的谐波源主要是电流源，所以将_ 1 次 谐波电流等效为一电流源，一，将系统阻抗等效为一电感厶。其中，l l 、如分别为滤 波支路的电感：q 、c z 分别为滤波支路的电容；不计滤波支路元件内阻；jj i i 为滤 波支路h 次谐波电流；，曲为系统等效支路h 次谐波电流。 系统基波电流角频率为鳞，系统等效回路对 次谐波的阻抗为 z l = 肋 ( 2 1 3 ) 滤波夏路对 次谐坡的阻抗为 z ，2 j h 坼+ 丽1 + 而y 雨h a , 如丽 流入滤波支路；盎和流入电网系统的谐波电流；。分别为 b 2 焘 k 毫五 设芦= z ：i z ，：_ i ：h ，；拿，则有 i lio 1 2 而 = 南 由此可以得出、d 旃随声变化的曲线如图2 1 5 所示。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 硕士论文基于可控电抗器的双调谐滤渡器研究与设计 1 i 专 r 一_ - - - - - _ i r 一劬 。 、 ， 一一、 ， 詹j 、 一 ， i 怍 。a s h ! a s hi 一以历j 圈& 1 5 口m ，m , a 变化的曲线 由图2 1 5 可见，当h 满足卢= 之时，口西= 一l ，a n = 2 ，j 庸= 一f ，j 女= 2 j ， 这种情况称为谐波严重放大的第临界状况。 当h 满足：p = - 1 2 时，= 2 ，a s h = - 1 ，j i i = 2 1 h ，j 女= - h ，这种情况称为 谐波严重放大的第二临界状况。 当h 满足, f l = - i 时，= * ，= o o ，这母情况下滤波支路和系统等效阻抗发 生了并联谐振，不论， 为何值，且= * ，如一- - o o 1 9 1 。由于实际上存在电阻，j i i l 、 j 庙是有限大值。由双调谐滤波器的阻抗频率特性容易看出，滤波支路与系统等效阻 抗有两个并联谐振频率点。 设滤波支路与系统阻抗发生并联谐振的谐振频率次数为矗。，则并联谐振发生时 有： 以4 饰4 ( c l 厶g 如+ c l c 2 岛五) 一k 2 绋2 ( c 1 + c 2 t + c l 如+ c l k ) + 1 = o ( 2 1 9 ) 可以求出 吃= ( 2 2 0 ) 其中a = g 厶c 2 上2 + g c 如厶 b = 一( c l 厶+ c 2 岛+ c l 厶+ c 1 岛) _ i l ，即是滤波支路阻抗与系统阻抗发生并联谐振的谐波频率次数，投入滤波支路 时，若系统中存在_ i l ，次的谐波电流分量，将会发生对该次谐波电流的并联谐振，使 系统中该次谐波电流严重放大，造成更大的谐波污染。因此在设计和调整滤波支路 参数时应分析系统中的谐波情况和系统参数，设计出合理的滤波器参数。 第2 章基于可控电抗器的双调谐滤波器主电路设计 2 2 磁阀式可控电抗器简介 1 9 8 6 年，前苏联学者首先提出了磁阀式可控电抗器的概念。磁阀式可控电抗器 的基本原理是它的铁芯面积具有减小的一段，在整个容量调节范围内，只有小截面 一段为磁饱和，其余段均处于未饱和线性状态，通过改变小截面段磁饱和程度可以 改变电抗器的容量。目前，磁阀式可控电抗器已经得到了一定程度的研究和利用。 磁阀式可控电抗器与其同类产品可控硅控制电抗器( t c r ) 相比具有造价低、产 生谐波小、占地面积小、损耗低等优点，具有广阔的应用和市场前景r n 。 2 2 1 磁阀式可控电抗器原理 圈2 2 1 氍啊式可控电抗器的原理圈 图2 2 1 所示为磁阀式可控电抗器的结构原理图。电抗器有两个结构相同的主 铁心1 、2 和两个旁轭组成。每个铁心上绕有总匝数为 a 的上下两个绕组，每个绕 组各有一个抽头分别与晶闸管v t l 、v t 2 相连，n a = n i + n 2 ，抽头比为万= ， 不同铁心上、下两个绕组交叉顺连后并联至电网，二极管d 横跨在交叉端点用于续 流。绕组中的直流环流虹受控于晶闸管触发角口的大小，通过调节口的大小就可以 达到连续调节电抗器容量的目的。 。 当忽略铁心损耗、集肤效应和绕组漏磁通后，由文献 2 0 ：有 互= + i d 2 n a ( 1 - m 2 8 - m & ( 2 2 1 ) 最= f n a - 2 n a ( 1 - m 2 8 - m o d 】 ( 2 2 2 ) 铲r a , - 2 毗+ n a ( - 警- + 警) ( 2 2 3 ) 丽m 8 铲2 r 悼呶+ ( 警一警) ( 2 2 4 ) 硕士论文 基于可控电抗器的双调谐滤波器研究与设计 ( 2 2 5 ) 袭三鼍 眨z e ) 佤= 避 憎弱 其中u a ，“为工作电压、工作电流，妇为直流控制电流，f l ，f 2 为铁心1 、2 的磁势，h i 、飓为铁心1 、2 的磁场强度，魂、稿为铁心1 、2 的磁通，b t 、b 2 铁心 1 、2 的磁通密度，为铁心的有效长度，s 铁心横截面积，r a 、r l 、r 2 为绕组n o n i 、n 2 的电阻。 t ? t 与晶闸管触发角o t 的关系为 历( 甜) = 00 s o x 口 1 鼍s 甜 石 ( 2 2 7 ) 0石o x 霈+ 口 一l 石+ 盯0 2 2 n 为了简化方程式( 2 2 1 ) ( 2 2 4 ) ，定义等效电流为 洋1 = i a 。- h 2 m a ：砒i , i 亿z s ， 则式( 2 2 1 ) ( 2 2 4 ) 变为 e = + 之 易= 卜- n a 魄= + 尝+ 警) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 t ) 铲( 二l + 耐m 2 j 8r ) r a ：+ ( 警一警) ( 2 3 2 ) “2 。i 一j州一苫一言) 喵叫 由上述分析可以看出，通过定义如式( 2 2 8 ) 所示的等效电流，得到了磁阀式可 控电抗器比较简明的数学模型。根据该模型，可得磁阀式可控电抗器等效电路如图 2 2 2 所示。 1 7 啊嘎 = l | 旧k 第2 章基于可控电抗器的_ 双调谐滤波器主电路设计 地 如 图幺2 2 磁闫式可控电抗器等效电路 。 图2 2 2 的左半部分相当于电抗器的工作回路，对应的方程式是式( 2 3 1 ) 。图 2 2 2 的右半部分相当于电抗器的控制回路，对应的方程式是式( 2 3 2 ) 。显然，由 于实际电抗器的控制回路的拓扑与晶闸管和续流二极管的导通状态有关，所以等效 电路中的等效控制电压和等效控制回路电阻_ l + m 百- 5 尺。与m 有关。等效电路中工 l 一所一口 作回路和控制回路之间由磁路方程式( 2 2 9 ) 和( 2 3 0 ) 以及铁心等效磁化特性函数相 互耦合。由于自耦比万总是远小于1 ，根据式( 2 2 8 ) ，为了分析方便，可以近似认 为等效电路中的工作电流f 1 就是电