一种基于晶闸管可控的变压器型滤波器

第37卷第1期2018年2月兰州交通大学学报Journal of Lanzhou Jiaotong UniversityV o l. 37 N o. 1F e b.2018文章编号：1001-4373(2018)01-0039-06 DOI:10. 3969/j. issn. 1001-4373. 2018. 01. 007一种基于晶闸管可控的变压器型滤波器周玉双，苏宏升(兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州730070)摘要：针对传统无源滤波器因元件参数变化引起的失谐以及丁C R型滤波器存在附加谐波的问题，提出一种基于晶闸管可控的变压器型调谐滤波器.在分析无源滤波器和丁C R型滤波器的工作原理和结构基础上，将丁C R型滤波器中的电抗器替换成变压器型电抗器，分析了晶闸管可控的变压器型调谐滤波器的基本结构和等效电路.仿真分析表明，在失谐情况下该型滤波器仍具有良好的调谐性能，可有效抑制附加谐波并改善传统无源滤波器易受参数变化影响的缺点.关键词：滤波器；失谐；付加谐波；重新调谐；建模仿真中图分类号：TM477 文献标志码：八Research on 犪T ransform er-type F ilter based on Thyristor-controlZHOU Yu-shuang,SU Hong-sheng(School of Automation and Electrical Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)Abstract：A tunable filter of transformer type based on thyristor-control was proposed to s lem of detuning caused by the change of component parameters in traditional passive filters and the prob­lem of the additional harmonic existing in TCR passive filters.By analyzing the principle and structure ofthe traditional passive i ilter and the TCR iilter^the reactor in the TCR iilter was replaced by the adjusta­ble transformer-type reactor,and the basic structure and equivalent circutt of thyristor controlled trans­former-type iilter were analyzed.The simulation results show"that"^h is iilter keeps i formance under detuning,effectively restrains the additional harmonics and improves the defects of tradi­tional passive tilters which are easily affected by changes of parameters.Keyw ords:iilter;detuning；additional harmonics；retuning；modeling and simulation随着电力电子技术的迅速发展，在工业系统中 大量采用非线性、冲击性甚至不平衡等干扰性负荷，例如可控硅技术、整流设备、换流设备等，使系统中 产生了大量谐波，从而降低了电能质量[1].无源滤波 器作为一种滤除谐波的传统形式，因其投资少、效率 高、电路结构简单、技术成熟、运行可靠以及维护方便等优点，且还具有适度无功补偿的功能，在国内实 际工程应用中被大量采用.但是，研究表明[23]，该型滤波器最主要的缺点是其L C参数易受外界环境的 干扰而发生改变，从而导致滤波器的谐振状态偏离谐振点，进而降低滤波性能.为此，文献[4-6]尝试了 多种优化算法，但因优化算法中的不确定参数太多而使这种参数设计法非常复杂.金一平等[7]提出了 利用晶闸管可控电抗器（thyrisor controlledreac-t o s，简称T C R s)代替传统无源滤波器中的固定电抗器以解决滤波器的失谐问题的思想.晶闸管可控收稿日期：2017-11-07 学报网址：h ttp://x b. lzjtu. edu. cn基金项目：甘肃省科技计划资助项目（17JR5RA083);兰州交通大学优秀科研团队资助项目（01701)作者筒介：周玉双（1991 一），女，甘肃白银人，硕士研究生，主要研究方向为电能质量分析与控制.E-m ail:ljul63zys@.兰州交通大学学报第37卷电抗器（thyrisor controlled reactor,TTCR)属于可变 电感，可快速、平滑地调节电感值，其结构简单，控制 方便，精度好，响应速度可达10〜12m s,孙媛媛等[8]指出T C R产生的附加谐波是电力系统中重要的非线性谐波源，会对其他设备和电网产生不良影响.针对T C R型滤波器产生的附加谐波，本文提 出了基于晶闸管可控的变压器型滤波器，用可控变 压器型电抗器代替T C R.与传统无源滤波器和T C R型滤波器相比，其具有以下优点：失谐后可利 用晶闸管控制使之重新调谐，并具有较快的响应速度，其可控变压器型电抗器可有效抑制附加谐波.1无源单调谐滤波器1.1传统无源单调谐滤波器的原理单调谐滤波器是无源滤波器（又称L C滤波器）的一种，由滤波电容器C、电抗器L和电阻器R适 当组合而成，当与谐波源并联使用时，既具有滤波作 用，又能提供适度的无功补偿.单调谐滤波器利用串 联L、C谐振原理构成，其对n次谐波的阻抗值为犣狀=^+j(n〇sL——).(1)n〇sC其中：狀为谐振次数;为基波角频率.在狀次谐波谐振点处，电容和电感的作用相互 抵消，滤波支路阻抗值为最小.由于只很小，狀次谐 波电流大部分流过电阻，只有很少一部分才会流入电网中.但是对非狀次谐波，滤波支路阻抗值很大，非狀次谐波电流基本不会通过滤波器，此时必须将 滤波器的谐振次数和待滤除的谐波次数设为相同，才能使该次谐波的大部分电流流人滤波器，从而达 到滤除该次谐波的目的.单调谐滤波器的基本结构 见图1(a).会发生变化，自身也会发热并导致绝缘老化等现象，这将会引起电容器和电感线圈的参数发生变化；另一方面，滤波器在安装和调试过程中也会存在不可避免的误差，从而使实际参数和谐振频率偏离设计值，这些都会引起滤波器的失谐.在电容器额定电压 不变的情况下，随着温度或环境的变化，电容器的容 量Q c会逐渐下降，那么电容值犆也会下降.然而，滤 波器被设计出来后，其电感值L就不会发生变化，由滤波频率公式f= —2n槡LC可知，当电容犆值变化而电感L值不变时，滤波频率 f值随之变化，谐振点发生偏移，使滤波器的调谐性 能变差，严重时还可能引起谐波的放大，与系统发生 并联谐振或者烧毁电容[9].1.2 T C R型可控无源滤波器原理TCR型可控无 源 滤波 器是将传统无源 滤波 器 的固定电抗用晶闸管式可变电抗器代替，T C R型滤 波器的单相基本结构如图1(b)所示，由两个反并联 晶闸管和一个电抗器串联构成.T C R型滤波器的基本工作原理是：滤波器的电 抗值可以通过控制晶闸管的触发角来改变，触发角 的工作区间为90°〜180°,此区间内晶闸管部分导通，可改变滤波器的电抗值，进而改变滤波器的谐振 频率并实现自由调谐.晶闸管可控电抗器作为可变电感，可快速、平滑 地调节所吸收的无功功率，具有结构简单，控制方 便，精度好，响应速度快等许多优点，但因其是一种 基于斩波形式的工作电路，会产生附加谐波，从而对 其他设备和电网产生不良影响[10].2基于晶闸管可控的变压器型滤波器(a)单调谐滤波器的基本结构（$)T C R型滤波器的基本结构图1滤波器的基本结构Fig.1Basic structure of filters滤波器在实际运行中，一方面，不仅周围温度基于晶闸管可控的变压器型滤波器是由晶闸管 控制变压器型电抗器、电容器、电阻和电力电子功率 变换器构成，其结构见图2(a)，其中：变压器的原边 为工作绕组，副边为控制绕组.正常滤波时，工作绕 组被接人电网，控制绕组通过反并联晶闸管短接.其 原理是：反并联晶闸管的触发角a调节范围为90°〜 180°，通过调节《来控制电抗器控制绕组的电流，从 而改变变压器内部的磁通，使变压器的等效电感在LTr〜L U r+ALTr)之间变化，达到阻抗连续变化的 目的.若忽略漏阻，其变压器型电抗器的等效电路见 图2(b)，其中：L T r为电流改变前变压器绕组的等效 电感；A L rr为电流改变后变压器绕组等效电感的增第1期周玉双等：一种基于晶闸管可控的变压器型滤波器41量；为变压器型电抗器的等效电感.在三相电路中，晶闸管控制变压器型电抗器副 边采用A 接线方式，零序谐波分量不会被传递到原 边，从而达到了有效抑制附加谐波的目的，弥补 T C R 型电抗器在系统应用中引人附加谐波的缺 陷[11]_变压器型电抗器(')基本结构())电抗器的等效电路图2 变压器型滤波器的基本结构和等效电路Fig . 2 The basic structure and equivalent circuit of thetransformer - type filter2.1电抗器等效电感L q 与晶闸管触发角的关系设晶闸管触发角为a ，触发控制角为p 二a —■^(營< a ，电抗器两端电压为狌（〇狋）二Umcos (〇〇t ) _(3)其中：^m 为相电压幅值.则流过电抗器的电流为-\/2"j r [sin (〇i ) 一 sin^ n 一犻((狋)=烅 0?0{狋<p n 一^烆槡 J r [sin ((狋）+ sin p ]，n + 史 狋 < 2n —⑷其中丄=卩犝^为晶闸管完全导通4 = 〇°)时电/犔T抗器的输出电流.当晶闸管工作时，电抗器的电流波形正负半波 对称，且不含偶次谐波和直流分量[12]，由傅里叶公 式可知电流表达式为犻((狋）=犫狀s(狀c o s 狀狋+犫s in 狀狋）_(5)n ~ 1,3,5由式⑷〜（5)可得输出电流中基波电流和狀 次谐波电流的有效值：犐1/E n 犔'-[t c 一 2p 一 sin (2p )](6)犐/ n ~1// 〇)犔又根据等效电路可知卜对比式（）〜（9)可得丨瓦 一 Ep一 sin (2p )丌(8)(9)mLeq = V 2^一2〇T ^in (2a ) L ti _(10)其中a 为晶闸管触发角；L n 为变压器绕组等效电 感L e q 为电抗器等效电感.当改变晶闸管的触发角a 时，其电抗器的等效电感Leq 随之改变，从而达到改 变电抗器阻抗的目的.将式中的n 变为n 狀就可得狀次滤波支路中Leq 与a 的关系：Leq = V 2n 一E 狀T +狀dn (2a)LTr _(1)2.2电容变化量A C 与晶闸管触发角a 的关系设狀次谐波的角频率为正常工作情况下，若狀次谐波滤波器没有失谐，则滤波支路阻抗为犣狀=犚+ j ((X 狀 L T r W …C )_在谐振点处有(12)当电容器受温度、自身老化等因素的影响时，会 使其电容值变为C + A C ，式（13)不再成立，造成滤 波器失谐，滤波效果变差.为了使滤波器重新调谐， 必须通过调节反并联晶闸管的触发角a 得到电抗器 的新等效电感值Leq ，使之满足X 犔e q = x …(C +C )_(14)滤波器将再次达到谐振．由式（11)〜（12)可得△C :/2n -J 2L t2a + …丌sin (2a )C ．n(15式（15)为电容器电容的变化量A C 与a 的关系，当电容变化^C 时，晶闸管的触发角变化a _2.3 等效电感增量A L ir 与晶闸管触发角a 的关系根据U =犐• X ，由式（8)可知，电流改变前变压 器的等效电感LTr 两端的电压为一 Um [[in (… — 1)p /n LT r…一 1sin (… + 1)… + 1(7)Um /2n — 2a + sin (2a )// n由式（6)〜（7)可得输出电流的有效值为由 U = UTr + AUTr 可知(16）42兰州交通大学学报第37卷AUT r =U -UTl = I • wLe q -UTl =犝^槡2—槡2n - 2a + sin (2a ) ](17)因此，电流改变后变压器等效电感的増量AL ^为AL ti = ^•I = [V 2n -2a + sin (2a ) - 1].犔(18)由式(18)可知，当改变晶闸管的触发角a 时，其 ALn /L v 值在〇〜⑵之间改变，变化曲线如图3所示.图3随a 的变化规律Fig . 3 The change situation of ALT r /LT r along with a3仿真分析某电网区域内以10/0. 4k V 为电源的一工厂有交流调速电动机和三相全控桥式整流加热装置，该调速设备和加热装置作为非线性负荷是主要的谐波源， 会产生以6々±1次为主的谐波电流，对厂内其他控制设备的安全产生了严重影响.针对上述情况，用Mat -la b 软件模拟该厂的负荷及产生谐波情况，并在线路 中加装晶闸管可控的变压器型滤波器，分析其滤波效 果以及调谐性能.系统图4的仿真参数如下：相电压 峰值为220V 2 V ，频率50 H z ;变压器型电抗器选用 12端子三相线性变压器（three-phase trans-former 12 termmaSs )模拟，副边采用角形接法，其参数为：容 量 Pn = 10X 104 V A ，频率/n = 50 H z ,磁阻只m = 500 仏励磁电感Lm = 500 H ,负荷选用通用整流桥（uni ­versal bridge ) 和串联 RLC 支路 （seriesR LC branch ) 模拟.电流改变前变压器等效电感值L tv 、电容值C 和 电阻值只可通过基波容量法计算[13]，参数如表1所列.图4系统仿真图Fig . 4 System sim ulation diagram为了方便明了的验证变压器型滤波器的滤波效果，只给系统接入滤除5次谐波的该型滤波器，得到第1期周玉双等：一种基于晶闸管可控的变压器型滤波器43滤波前后仿真数据记录见表2.表15、7、11、13次变压器型滤波器参数Tab.1Parameter of transformer-type filter to filter ou t 5,7,11 and13 second harm onic狀C/uF L n/mH R/a596.23 4. 210．132758.923．510．0221142．481．970．0121334. 081．760．011表2只接入5次变压器型滤波器滤波前后数据结果对比Tab.2Comparison of filtering effect when only connected^o5 second transformer-type filterh/A.h/A5次谐波含量/% ATHD/%滤波前41. 598．8021.17 0. 8330．86滤波后38. 450．822．25 0．9324．94表2数据说明：1)5次变压器型滤波器接人前，5次谐波电流幅值大，谐波含有量高，网侧电流波形 严重畸变，波形接近于方波；妾人5次变压器型滤波 器后，网侧电流波形得到了一定程度的改善，5次谐 波电流幅值减小，其谐波含有量大大降低；）网侧基 波电流幅值在滤波后稍有下降，是因为有很少量的 基波电流进人了滤波器，这一点无法避免，但对电路 不会造成影响.网侧电流仿真曲线如图5所示.(a)滤除5次谐波前网侧电流波形0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1(45滤除5次谐波后网侧电流波形晶闸管的触发控制角p可以验证其调谐性能，仿真 结果见表3.Frequency/Hz(a)并人滤波器前网侧电流畸变率Fundamental(50 H z)=37.42,THD= 16.87 %100 200 300 400 500 600 700 800Frequency/Hz(b)并人滤波器后网侧电流畸变率图6接入各次变压器型滤波器时网侧电流畸变率Fig.6Current distortion rate of power grid side w hen connected to various transformer-type filters表3电容值下降后触发控制角调节对比Tab.3 Comparison of the results of changing the trigger control angle after the capacitor value drops9h/A5次谐波含量/% 0° 3.8310．3815°0.912．32由表3数据可以看出，通过增大反并联晶闸管的 触发控制角P5次谐波电流的幅值和含量都有所降 低，变压器型滤波器的调谐能力显著.由此验证了通 过调节触发控制角，可以改善滤波器的失谐状态.触 发控制角9=0°和9=15°时的网侧电流波形见图7.图5滤除5次谐波前后网侧电流仿真结果Fig.5 Current waveform of power supply side before and after filtering the5 second harm onic将滤除5、7、11、13次谐波的变压器型滤波器依次接人系统中，可以看出接人后各次主要谐波幅值以及谐波含有率均大幅度降低，具有良好的滤波效果，仿真结果如图6所示.为了模拟变压器型滤波器受外界影响导致电容 参数值发生变化的情况，可以保留系统的7次、11 次和13次可调谐滤波器参数不变，当5次变压器型 滤波器的电容值下调A C=10%C时，可以根据式(15)求得晶闸管的触发控制角p〜15°即通过调节(a)!=0。