利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器

   一、摘 要

   利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器，属于电力系统无功补偿和谐波抑制器件领域，它由电容C1、可控串联电抗器L1、电容C2和电抗器L2、双调谐滤波器、可控串联电抗器的控制电路组成；电容C1、可控串联电抗器L1、电抗器L0、电容C2和电抗器L2的并联支路四部分依次串联；双调谐滤波器并联接在系统侧。本装置发明通过改变可控串联电抗器的直流控制电压来改变电抗器的输出电抗值，从而实现滤波器参数可以根据系统参数的变化而实时改变，使得滤波器时刻保持谐振，始终保持良好的滤波效果。消除了常规无源滤波器由于系统频偏、温度漂移、滤波电容老化以及非线性负荷变化造成的失谐的影响。同时本装置发明中的电容器可以补偿用户无功，提高功率因数。

   二、背景技术

   无源滤波器(PF)的工业应用己经有相当长的历史，其设计方法简单，工作稳定可靠，但其滤波效果依赖于系统的阻抗特性，并且容易受到电网的谐波污染程度、温度漂移、滤波电容老化以及非线性负荷变化的影响。实际工作中，电网的工频频率通常存在有一定的偏差，且电容器由于制造、成组的配合精度及温度变化等原因也存在相对偏差，同样，电抗器由于制造、电感量的调整方式等原因也存在一定的误差，这些原因均会导致无源滤波器出现“失谐”现象。

   如果将无源滤波器中的固定电抗器用可控串联电抗器取代，则可以克服上述缺点而实现一种谐振频率可控的滤波器。但是由于电力系统中滤波器的容量往往很大，使得采用全可调电抗器投资太大，同时也存在制造上的困难，所以，如果我们将一容量较小的可调电抗器与既有的固定电抗器相串连而形成双调谐滤波装置，将会大大地减少滤波器的投资。与传统的无源滤波器相比，它能在一定范围内连续调节电感值，保持滤波器在谐振点附近工作，消除了频偏等失谐的影响。而一旦系统发生谐波放大时，它又可以通过电力电子装置的快速控制作用快速改变电抗达到使系统失谐，从而抑制谐振的发生。另一方面，与采用全可调电抗器和基于变流器的有源滤波器相比，它结构相对简单、易实现且成本低。因此具有十分广泛的应用前景。

   可控串联电抗器应用于传统无源滤波装置，将会实现滤波动态连续可调，改善传统无源滤波器滤波效果。利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器，包括电容器C2和固定电抗器L2组成的并联支路，在其并联支路上串联有由电容Cl、可控串联电抗器L1、固定电抗器LO组成的串联支路，可控串联电抗器的控制端接有控制器。

   所述的可控串联电抗器的控制电路由电压互感器PT，电流互感器CT，带通滤波器，相位比较单元，PI (比例积分)控制单元构成；所述的电压互感器PT通过带通滤波器与相位比较单元相连，再通过PI (比例积分)控制单元控制可控串联电抗器；与上述带通滤波器相连的相位比较单元的同一端通过另一个带通滤波器与电流互感器CT相连，电流互感器CT接地。与现有技术相比，本实用新型的优点在于:

    (I)由于本实用新型采用了可控串联电抗器取代传统无源滤波装置中的固定参数电抗器，通过改变可控串联电抗器的直流控制电压来改变电抗器的输出电抗值，从而实现滤波器参数可以根据系统参数的变化而实时改变。使得滤波器时刻保持谐振，始终保持良好的滤波效果。

    (2)为了保证实时性，一般采用闭环控制，根据调谐滤波器在谐振时呈现纯电阻特性，即通过滤波器的谐振频率的电流和滤波器两端同频率谐波电压相位相同，通过DSP(数字信号处理器)或单片机，用PI调节算法根据上述条件在电抗器可调范围内动态调节电感值大小，使滤波器始终在某个固定频率点谐振。

    (3)利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器可在很大程度上减弱传统无源滤波器由于频偏、温度漂移、滤波电容老化以及非线性负荷变化造成的失谐的影响。同时装置中的电容器可以补偿用户无功，提高功率因数。

   三、具体实施方式

   双调谐滤波器电路结构如图1所示，它由电容Cl、可控串联电抗器L1、电阻Rl依次串连，再串连电抗器L2和电阻R2串连后再与电阻电容C2并联的并联支路——四部分依次串联构成。

   在计算分析时电感中的电阻Rl、R2可以忽略不计。它有两个谐振频率，可以同时吸收两个邻近频率的谐波，其阻抗频率特性如图2所示。在图2中，横轴为频率，纵轴为双调谐滤波器的阻抗，其特性是在两个特定频率处阻抗有极小值，可以使该频率的谐波主要流过滤波器，从而减小诸如系统的该频率谐波。

   在设计双调谐滤波器参数时，可以把它看作是两个单调谐滤波器并联的等效，如图3所示。其每一个支路都是一个单调谐滤波器，在谐振频率处，两个单调谐滤波器的阻抗特性与双调谐滤波器的基本相同。即如果两个单调谐滤波器分别谐振在频率f I和f2，则依据它们算出的双调谐滤波器也将谐振在这两个频率上。相对于单调谐滤波器，双调谐滤波器的好处在于，因为滤波器电路结构中采用了串联的结构，从而可以降低对器件耐压水平的要求。

   图4是采用可控串联电抗器的双调谐滤波器及其控制框图。参见图4，利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器，它由电容Cl、可控串联电抗器L1、电抗器LO (也可不用)、电容C2和电抗器L2、双调谐滤波器、可控串联电抗器的控制电路组成；电容Cl、可控串联电抗器L1、电抗器LO (也可不用)、电容C2和电抗器L2的并联支路四部分依次串联；可控串联电抗器的控制电路由电压互感器PT，电流互感器CT，带通滤波器，相位比较单元，PI (比例积分)控制单元构成；电压互感器PT通过带通滤波器与相位比较单元相连，再通过PI (比例积分)控制单元控制可控串联电抗器；与上述带通滤波器相连的相位比较单元的同一端通过另一个带通滤波器与电流互感器CT相连，电流互感器CT接地。

   采用可控串联电抗器的双调谐滤波装置，利用电压、电流互感器得到滤波器支路的电压、电流信号。参见图4，以5，7次双调谐滤波器为例，通过两个结构与参数完全相同的模拟或数字5次(或7次)带通滤波器，分别从系统的电压和电流信号中提取5次(或7次)谐波电压、电流信号；然后利用相位比较单元对上述滤波支路得到的电压的5次(或7次)谐波分量与电流的5次(或7次)谐波分量的相位进行比较，并将相位差送入PI调节器；PI调节器的输出向可控串联电抗器的触发板提供相位控制电压，从而实现闭环控制。这种控制策略控制目标明确，响应时间小于5次(或7次)谐波一个周期。图8是滤波支路5次谐波电压电流相位差逼近过程。

   利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器装置的设计主要是考虑磁阀式可控串联电抗器设计和控制器设计两个方面。磁阀式可控串联电抗器的设计目标是可以根据系统变化，改变电感的大小。一个典型的单相磁阀式可控串联电抗器的工作原理如图5所示，该电抗器包括两个相互绝缘的绕组，一个交流供电的工作绕组(每一侧三个绕组中的上下两组)和一个经整流桥供电的控制绕组(每一侧三个绕组中的中间一组)。在两个半芯柱上分别对称地绕有匝数为N/2的工作绕组；该绕组与固定电抗器相连后构成滤波电路的电抗器，该电抗器再与电容器串连构成单调谐滤波器接入电网。而控制绕组同样分别对称地安装在两个半芯柱上，由晶闸管Tl〜T4构成的整流桥供电。当晶闸管均不导通时，可控串联电抗器相当于空载变压器，容量很小；随着整流桥控制角的变化，在控制绕组中产生一定大小的直流偏磁电流。

   铁芯材料的磁化曲线参看图6。在图6中，横轴为磁场强度H，纵轴为磁感应强度B。铁芯材料的磁化曲线大致可分为三个部分，起始部分的磁导率比较大，而且线性度非常好，平常用的电抗器就是处在这个工作状态；第二个部分是非线性区，非常窄小的一段，这段的磁导率是在不断的减小，磁阀式可控串联电抗器正是工作在这个区段内，这个区间非常窄小；第三个部分是磁芯材料饱和段，曲线接近于线性，磁导率基本不变。

   改变可控硅整流器的触发导通角便可得到不同的直流电压，从而生成相应的偏磁电流。因而可以通过改变铁芯的磁饱和度，相应地改变磁阀式可调电抗器的电抗值，从而平滑地调节滤波器的谐振频率。

   —旦系统发生谐振时，我们可以利用保护装置通过迅速改变晶闸管的控制角，比如封锁晶闸管的触发脉冲使晶闸管在半个周期内关断，使可控串联电抗器呈现高阻态等方法，来破坏谐振条件，达到消除谐波放大的效果。

   图7为单相裂芯式可控串联电抗器的原理图。电抗器的一个铁心分为两半，下方两个直流控制绕组分别套在半铁芯柱上，所产生的直流磁通在两个半铁芯自我闭合。上方交流工作绕组绕在整体的两个铁芯柱上，所产生的交流磁通通过两个并联半铁芯柱和另一铁芯柱而闭合。控制绕组经电阻由一直流电源Ek供电。通过调节直流绕组中流过的直流电流Ik就可以改变铁芯的磁饱和度，从而平滑地改变电抗器的电抗值。

   可调谐滤波装置的特点在于根据系统变化，调节电感大小，使电感电容总在固定频率点谐振。以可调谐滤波器设计为5、7次双调谐滤波器为例，由谐振特性，当且仅当滤波器在250Hz和350Hz谐振时，滤波器支路的5、7次阻抗值最小且为纯阻性，5、7次谐波电流由于与系统分流的关系应为最大值；滤波支路端电压的5、7次谐波分量与流经滤波器的电流的5、7次谐波分量应同相位。以上两个都是滤波器处在谐振状态的充分必要条件。控制器的控制策略就是根据这个原理设计的。

   控制器的设计是使谐振频率点的电压信号该固定频率分量和电流信号该固定频率分量的相位差最小为控制目标。控制器由带通滤波器、相差检测电路、PI调节电路、晶闸管触发电路构成。上述电路既可以用模拟电路也可以利用数字电路实现。

   对双调谐滤波器进行理论分析可知，若系统参数发生改变，则仅通过调节可控串联电抗器的电感值无法使滤波器重新在两个谐振频率均准确谐振，所以对于双调谐滤波器设定的控制策略为保证其在某一次谐振频率始终保持谐振，而对另一个谐振频率而言也会减小由于参数变化引起的谐振频率偏移。在实际应用中，具体对其中哪一个谐振频率进行闭环跟踪控制可以进行理论计算和观测其实验效果。

   闭环控制时，可以通过比例积分(PI)调节器来实现。对滤波后得到的特定频率电压电流信号进行分析，得出其相位差，送入比例积分调节器，以相位差为O为目标进行调节，得到一个可控串联电抗器的直流控制电压作为输出值，直到该次谐波电压电流相位差为O。其过程如图8所示，横轴为时间，纵轴为5次电压电流相位差，单位是弧度。电压电流相位差在闭环调节下逐渐变为O。

   实施例中带通滤波器采用了 Chebyshev—型二阶有源带通滤波器，取中心频率250Hz或350Hz，通带带宽为20Hz。由于引入了带通滤波器，将产生相移，但是由于对电压、电流信号采用完全相同的滤波器，两滤波器产生的相移基本相同，对计算相位差不发生影响。

   图9为双调谐滤波器的滤波效果曲线。其中，通道一是滤波前电流波形，通道二是滤波后电流波形。对采用可控串联电抗器的双调谐滤波装置的仿真和实验结果表明，可调谐滤波装置能够根据系统的变化，实时地调节可控电感值，保证滤波装置在谐振点附近工作，同时补偿系统无功，提高功率因数。计算机仿真以及实验室装置物理实验的结果均证明上述方法可以达到预期目的。上述设计方法完全可以推广到三调谐滤波器。

   四、特殊要求

   1.一种利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器，包括电容器C2和固定电抗器L2组成的并联支路，其特征在于:在其并联支路上串联有由电容Cl、可控串联电抗器L1、固定电抗器LO组成的串联支路，可控串联电抗器的控制端接有控制器。

   2.根据权利要求1所述的利用可控串联电抗器可实现双调谐滤波器，其特征在于，可控串联电抗器的控制电路由电压互感器PT，电流互感器CT，带通滤波器，相位比较单元，比例积分控制单元构成；电压互感器PT通过带通滤波器与相位比较单元相连，再通过比例积分控制单元控制可控串联电抗器；与上述带通滤波器相连的相位比较单元的同一端通过另一个带通滤波器与电流互感器CT相连，电流互感器CT接地。

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