无源动态谐波滤波器的仿真研究

林海平，陈 静，袁佑新，陈 敏，陈 卓

(1. 温州职业技术学院 计算机系，浙江 温州325000;2. 武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉430070)

近年来，大量非线性负载接入电网，使得无功消耗不平衡和谐波危害日趋严重，造成了电能质量大幅度降低。为了营造一个绿色安全的电网，无功补偿和谐波治理迫在眉睫。相对于有源滤波器，无源滤波器虽然结构简单，设备投资低，运行可靠性高，维护方便，应用较广泛，但也存在着一些性能缺陷［1］，如传统无源滤波器固定投入电容器，易造成系统过补偿;滤波电容器容量随环境变化和时间推移而下降造成谐振频率漂移，从而导致滤波精度降低。基于此笔者设计了一种基于晶闸管式可变电抗器的无源动态谐波滤波器［2］。

笔者根据无源动态谐波滤波器的拓扑结构，首先在Matlab/Simulink 中建立其系统仿真模型，然后对滤波前系统的无功与谐波进行分析，接着将各次无源动态谐波滤波器接入仿真系统中，分析其无功补偿与滤波效果，最后对无源动态谐波滤波器的调谐性能进行仿真分析，为研制一种基于晶闸管式可变电抗器的无源动态谐波滤波器奠定了基础。

1 无源动态谐波滤波器的拓扑结构

基于晶闸管式可变电抗器的无源动态谐波滤波器的拓扑结构示意图如图1 所示。

图1 无源动态谐波滤波器拓扑结构示意图

无源动态谐波滤波器由可变电抗器［3］、反并联晶闸管触发电路和电容器组组成。其中，可变线圈KL和控制线圈共同组成可变电抗器;多组快速熔断器、电容接触器与电容器的串联电路经过并联后形成电容器组，各电容器可以分段投入和切除，以此避免造成系统过补偿;可变线圈KL的一端与电容器组串联构成无源动态谐波滤波器的主体;反并联晶闸管触发电路的两接线端子与控制线圈的两端相连接构成回路;通过调节反并联晶闸管触发电路的脉冲移相角改变可变电抗器的阻抗，从而在投切电容器组和滤波电容器容量下降时达到动态调谐的目的。

2 无源动态谐波滤波器系统仿真模型

图2 无源动态谐波滤波器的系统仿真模型

无源动态谐波滤波器的系统仿真模型［4］如图2 所示，主要由三相供电电源、非线性负载(谐波源)和无源动态谐波滤波器组成。三相桥式晶闸管整流电路带阻感负载作为非线性负载［5］。B1和B2测量三相电路相电压/电流。无源动态谐波滤波器通过断路器BR4 并联到系统中。

3 滤波前系统无功与谐波的仿真分析

图3 滤波前系统功率与相电流仿真曲线

表1 滤波前后系统仿真测量数据表

4 无功补偿与滤波效果的仿真分析

主要谐波5、7、11 和13 次采用无源动态谐波滤波器滤除，其余高次谐波采用高通滤波器滤除。根据系统无功补偿和滤波需求，给定可变电抗器额定功率Pn=10 ×104VA，原边和副边额定相电压有效值为220 V，励磁电阻和电抗为1 000 Ω，设计出5、7、11 和13 次无源动态谐波滤波器参数［7］如表2 所示。

表2 5、7、11、13 次滤波器的参数表

图4 接入滤波器后系统功率和电流仿真曲线

5 调谐性能仿真分析

5.1 避免过补偿的调谐性能仿真分析

图5 滤波后系统功率和电流仿真曲线

图6 切除C5(2)且β=10.5°时系统功率和电流仿真曲线

由图6 可知，系统无功功率Q 值较小，且滤波效果未受影响。测量得到滤波后系统有功功率P=9 012 VA，无功功率Q =74.85 Var，功率因数λ=1，电源侧谐波电流总畸变率IHDi=9.58%，基波电流I1=20.33 A，5 次谐波电流I5=0.7 A，7 次谐波电流I7=0.49 A，11 次谐波电流I11=0.32 A，13 次谐波电流I13=0.23 A。因此，仿真曲线和测量数据验证了无源动态谐波滤波器能动态调谐避免过补偿。

5.2 应对电容器容量下降的调谐性能仿真分析

图7 QCN下降20%后系统功率和电流仿真曲线

表3 QCN下降调谐前后系统仿真测量数据表

由此可见QCN下降20%使功率因数稍有下降，若下降明显时，需投入更多的电容器消除过补偿。因此，仿真曲线和测量数据说明QCN下降影响了滤波器无功补偿和滤波效果。

图8 5 次无源动态谐波滤波器β=16°时系统仿真曲线

6 结论

根据无源动态谐波滤波器的拓扑结构，在Matlab/simulink 中建立其系统仿真模型后，通过仿真分析验证了无源动态谐波滤波器具有无功补偿和滤波性能;同时其具有调谐特性:过补偿情况下通过分段投切电容器组，加之可变电抗器感抗可调，能够动态调谐避免过补偿;随着滤波电容器容量下降，能够动态地调节滤波器的谐振频率，保证滤波精度不变。其研究成果为无源动态谐波滤波器的样机设计奠定了基础。

［1］ 毛洪山. 浅谈谐波无源滤波器的设计［J］. 建筑电气，2009，28(2):36－39.

［2］ 袁佑新，陈静，罗文周，等.无源动态谐波滤波器.中国:200910063641.0［P］，2009.

［3］ 丁永忠，袁佑新. 基于功率变换的可变电抗器研究［J］.武汉理工大学学报，2008，30(3):75－83.

［4］ 王树文，房俊龙，张长利. 动态电力滤波器的设计［J］.沈阳农业大学学报，2005，36(6):675－678.

［5］ 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab 仿真［M］.北京:机械工业出版社，2006:65－143.

［6］ 王兆安，杨君. 谐波抑制和无功功率补偿［M］. 北京:机械工业出版社，1998:101－141.

［7］ 王淳，程浩忠，陈恳.配电网动态无功补偿的整体优化算法［J］.电工技术学报，2008，23(2):109－114.

［8］ 赵伟.高压配电网谐波与无功综合动态治理理论与应用研究［D］.长沙:湖南大学图书馆，2010.