無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的仿真研究

林海平，陳 靜，袁佑新，陳 敏，陳 卓

(1. 溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，浙江 溫州325000;2. 武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430070)

近年來(lái)，大量非線性負(fù)載接入電網(wǎng)，使得無(wú)功消耗不平衡和諧波危害日趨嚴(yán)重，造成了電能質(zhì)量大幅度降低。為了營(yíng)造一個(gè)綠色安全的電網(wǎng)，無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理迫在眉睫。相對(duì)于有源濾波器，無(wú)源濾波器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資低，運(yùn)行可靠性高，維護(hù)方便，應(yīng)用較廣泛，但也存在著一些性能缺陷［1］，如傳統(tǒng)無(wú)源濾波器固定投入電容器，易造成系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償;濾波電容器容量隨環(huán)境變化和時(shí)間推移而下降造成諧振頻率漂移，從而導(dǎo)致濾波精度降低。基于此筆者設(shè)計(jì)了一種基于晶閘管式可變電抗器的無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器［2］。

筆者根據(jù)無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先在Matlab/Simulink 中建立其系統(tǒng)仿真模型，然后對(duì)濾波前系統(tǒng)的無(wú)功與諧波進(jìn)行分析，接著將各次無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器接入仿真系統(tǒng)中，分析其無(wú)功補(bǔ)償與濾波效果，最后對(duì)無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的調(diào)諧性能進(jìn)行仿真分析，為研制一種基于晶閘管式可變電抗器的無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器奠定了基礎(chǔ)。

1 無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于晶閘管式可變電抗器的無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器由可變電抗器［3］、反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路和電容器組組成。其中，可變線圈KL和控制線圈共同組成可變電抗器;多組快速熔斷器、電容接觸器與電容器的串聯(lián)電路經(jīng)過(guò)并聯(lián)后形成電容器組，各電容器可以分段投入和切除，以此避免造成系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償;可變線圈KL的一端與電容器組串聯(lián)構(gòu)成無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的主體;反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路的兩接線端子與控制線圈的兩端相連接構(gòu)成回路;通過(guò)調(diào)節(jié)反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)電路的脈沖移相角改變可變電抗器的阻抗，從而在投切電容器組和濾波電容器容量下降時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)諧的目的。

2 無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器系統(tǒng)仿真模型

圖2 無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的系統(tǒng)仿真模型

無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的系統(tǒng)仿真模型［4］如圖2 所示，主要由三相供電電源、非線性負(fù)載(諧波源)和無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器組成。三相橋式晶閘管整流電路帶阻感負(fù)載作為非線性負(fù)載［5］。B1和B2測(cè)量三相電路相電壓/電流。無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器通過(guò)斷路器BR4 并聯(lián)到系統(tǒng)中。

3 濾波前系統(tǒng)無(wú)功與諧波的仿真分析

圖3 濾波前系統(tǒng)功率與相電流仿真曲線

表1 濾波前后系統(tǒng)仿真測(cè)量數(shù)據(jù)表

4 無(wú)功補(bǔ)償與濾波效果的仿真分析

主要諧波5、7、11 和13 次采用無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器濾除，其余高次諧波采用高通濾波器濾除。根據(jù)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和濾波需求，給定可變電抗器額定功率Pn=10 ×104VA，原邊和副邊額定相電壓有效值為220 V，勵(lì)磁電阻和電抗為1 000 Ω，設(shè)計(jì)出5、7、11 和13 次無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器參數(shù)［7］如表2 所示。

表2 5、7、11、13 次濾波器的參數(shù)表

圖4 接入濾波器后系統(tǒng)功率和電流仿真曲線

5 調(diào)諧性能仿真分析

5.1 避免過(guò)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧性能仿真分析

圖5 濾波后系統(tǒng)功率和電流仿真曲線

圖6 切除C5(2)且β=10.5°時(shí)系統(tǒng)功率和電流仿真曲線

由圖6 可知，系統(tǒng)無(wú)功功率Q 值較小，且濾波效果未受影響。測(cè)量得到濾波后系統(tǒng)有功功率P=9 012 VA，無(wú)功功率Q =74.85 Var，功率因數(shù)λ=1，電源側(cè)諧波電流總畸變率IHDi=9.58%，基波電流I1=20.33 A，5 次諧波電流I5=0.7 A，7 次諧波電流I7=0.49 A，11 次諧波電流I11=0.32 A，13 次諧波電流I13=0.23 A。因此，仿真曲線和測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器能動(dòng)態(tài)調(diào)諧避免過(guò)補(bǔ)償。

5.2 應(yīng)對(duì)電容器容量下降的調(diào)諧性能仿真分析

圖7 QCN下降20%后系統(tǒng)功率和電流仿真曲線

表3 QCN下降調(diào)諧前后系統(tǒng)仿真測(cè)量數(shù)據(jù)表

由此可見(jiàn)QCN下降20%使功率因數(shù)稍有下降，若下降明顯時(shí)，需投入更多的電容器消除過(guò)補(bǔ)償。因此，仿真曲線和測(cè)量數(shù)據(jù)說(shuō)明QCN下降影響了濾波器無(wú)功補(bǔ)償和濾波效果。

圖8 5 次無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器β=16°時(shí)系統(tǒng)仿真曲線

6 結(jié)論

根據(jù)無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在Matlab/simulink 中建立其系統(tǒng)仿真模型后，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器具有無(wú)功補(bǔ)償和濾波性能;同時(shí)其具有調(diào)諧特性:過(guò)補(bǔ)償情況下通過(guò)分段投切電容器組，加之可變電抗器感抗可調(diào)，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)諧避免過(guò)補(bǔ)償;隨著濾波電容器容量下降，能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)濾波器的諧振頻率，保證濾波精度不變。其研究成果為無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的樣機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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