浙江亞太機電股份有限公司中頻濾波系統仿真分析

丁榮榮

Abstrect: The power filter systemisanalysed , thehamonic impedance diagram and VDRM /VRRMof SCR are geven with the MATLAB lanquage In this paper

前言：本文使用MATLAB語言對濾波系統作仿真分析，給出諧波阻抗圖，并給出濾波支路的晶閘管的反壓要求。

關鍵詞：濾波，諧波電流，諧波阻抗，晶閘管，正（反）向阻斷電壓

Key words: FILTER,HARMONIC CURRENT,SIMULATION,HARMONIC IMPEDANCE，

THYRISTOR，VDRM /VRRM

1． 浙江亞太機電股份有限公司中頻電爐濾波補償系統

浙江亞太機電股份有限公司為中頻電爐安裝了二套低壓濾波補償裝置。該裝置自驗收至今已連續運行7個月。本文試圖以MATLAB語言對該濾波系統的諧波特性和晶閘管控制主電路進行仿真分析，以驗證系統運行的穩定性。

MATLAB是由美國Mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境, 它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案。本人根據制造方提供的技術文件中濾波支路的參數，編寫系統阻抗公式并在MATLAB7.1上運行，檢驗濾波系統是否穩定及濾波效果。使用廠家提供的技術資料歸納如下：

(1) 原理圖見圖一，濾波補償接在1250KVA整流變的低壓側繞組，含5,7,11次3個濾波支路。

(2) 濾波補償支路電容和電感的參數為：

L5 =0.350mH ， L7 =0.355mH， L11=0.142mH

C51 =3618uF， C7 =1773uF ，C11=1773uF

濾波補償系統與接入公共點（PCC）距離為10米左右。

(3) 采用了大功率晶閘管與整流二極管反并聯的開關電路，晶閘管和二極管的反向阻斷電壓為4800伏。該電路稱為TSF。

根據提供的系統圖，繪出仿真用的電路圖如圖1，該仿真圖用來模擬開關器件的運行狀態。

圖一濾波系統原理圖，圖中未畫出B,C相及斷路器等器件

為了檢驗濾波裝置接入爐變低壓側的穩定性，建立接入系統的諧波阻抗掃描仿真數學模型，即建立濾波支路的阻抗表達式和爐變的阻抗表達式，各濾波支路之間及與爐變均為并聯關系。在MATLAB7.1上運行得到系統阻抗與頻率的關系圖（仿真掃描），從而直觀顯示系統的穩定性。

2．阻抗仿真程序（.m格式）：

圖一中的Zso1為連接電纜的等效阻抗，該阻抗與長度有關。諧波源為hr1。電力變壓器為Dyn11的中性點不接，阻抗4.5%。變壓器二次繞組的等效阻抗為：

Zt=6.703e-4+i*0.0312156*h ， α=arctan (r/x)=88.77(50Hz)。

Zso1以Zso的數學表達式來描述：

Zso=0.01273*length./1000+i*w*length*0.9337e-3./1000;

式中length為電纜長度，單位為米，w=2*π*50*h,h為諧波次數。

使用MATLAB語言對原理圖仿真分析，描述從諧波源看進去的系統阻抗與頻率之間的關系——諧波阻抗曲線圖。分析了系統的并聯諧振點和串聯諧振點。

2．1 諧波仿真程序如下：

% for LC filter;

%浙江亞太機電股份有限公司中頻濾波，POWER 1250KVA;

%The cable length bettwen filter system and PCC is 50M long with the paramert is:

%====================================================================

% L5 =0.350mH L7 =0.355mH L11=0.142mH

% C5 =3618uF C7 =1773uF C11=1773uF

% If the cable length is 10Mlong,thecapacttorparameter will be changed as:

% C5 =3500uF C7 =1700uF C11=1700uF

%====================================================================

V=0.66, Q51=0.165,Q71=0.081,Q111=0.081;%Y: Q=327kvar

h=1:0.01:25，w=10;

tg1=50,tg2=50,tg3=50;

Sn=1.25,k=0.045,a=(82.5/180)*pi;

Sc=Sn/k,Zso=0.01273*50./1000+i*h*50*0.9337e-3./1000;

r=(V^2*3/Sc)*cos(a),x=(V^2*3/Sc)*sin(a);

Zso=0.01273*length./1000+i*w*length*0.9337e-3./1000;

Zt=r+i*x*h,Zt1=Zt+Zso,Yt1=1./Zt1;

XC51=(V^2*3)./Q51,XL51=XC51/25,C5=1000000/(314*XC51),L5=1000*XL51/314,I51=314*10^-6*C5*V*1000;

XC71=(V^2*3)./Q71,XL71=XC71/49,C7=1000000/(314*XC71),L7=1000*XL71/314,I71=314*10^-6*C7*V*1000;

XC111=(V^2*3)./Q111,XL111=XC111/121,C11=1000000/(314*XC111),L11=1000*XL111/314,I111=324*10^-6*C11*V*1000;

R51=(XC51*XL51)^0.5/tg1,R71=(XC71*XL71)^0.5/tg2;

R111=(XC111*XL111)^0.5/tg3;

Z51=R51+i*(XL51.*h-XC51./h),Y51=1./Z51;

Z71=R71+i*(XL71.*h-XC71./h),Y71=1./Z71;

Z111=R111+i*(XL111.*h-XC111./h),Y111=1./Z111;

Zf1=1./(Y51+Y71+Y111),Yf1=1./Zf1;

Y1=Yt1+Yf1,Z1=1./Y1;%

z1=abs(Z1);

z2=abs(Zf1);

zt1=abs(Zt1);

plot(h,z1,h,zt1);

title('波阻圖(亞太機電)');

xlabel('h');

ylabel('Z:歐姆 ');

2．2 系統諧波阻抗仿真圖

運行上述程序，使得到系統諧波阻抗曲線圖如下：直線代表主變壓器的諧波阻抗，曲線代表低壓側系統的諧波阻抗變化。從圖中可看出阻抗曲線在h=5，7，11處的阻抗最小，表明回路處于串聯諧振狀態，濾波支路吸收諧波電流。曲線的頂點為并聯諧振放大，由于頻率為非特怔諧波頻率，對系統不會造成影響，但在10次諧波點有1歐的阻抗，對10次電流有3倍的放大，由于10次諧波電流很小，可不予考慮。

圖二系統諧波阻抗曲線圖

對程序的繪圖語句梢作修改，將z1=abs(Z1)改寫為 z1=abs(Z1./Zt1)，將ylabel('Z:歐姆 ') 改寫為ylabel('注入主變諧波電流倍率')。再次運行程序，即得到諧波電流注入主變壓器的倍率，如圖三所示。

圖三諧波電流注入主變壓器的倍率變化曲線

從該曲線中可直觀看出濾波支路對諧波電流的吸收情況，對于5，7，11，13次，注入主變壓器的諧波電流降為30% 以下。

仿真圖表明該濾波組合能有效吸收諧波電流。

3．TSF電路及仿真

濾波裝置采用了晶閘管與整流二極管反并聯作濾波回路的開關控制器件，與濾波回路LC構成TSF電路（晶閘管控制濾波電路），其基本結構屬于TSC（晶閘管投切電容器）電路結構。TSC有采用二種觸發方式，即過零觸發和定相位觸發。過零觸發的響應時間受到晶閘管兩端電位差的影響, 響應時間可能大于20mS；定相位觸發的響應時間不受晶閘管兩端電位差的影響，響應時間小于20mS。在定相位觸發之前，電容器通過二極管充電到+Vmax(+或-,視整流二極管的接法，如圖示為負)，如圖四示：

圖四定相位觸發原理圖

移相脈沖相位恰好在電源的負半周最大值時，脈沖予施加于晶閘管的控制極G.K端。這時晶閘管導通，電容通過晶閘管向電源放電。當電容端電壓放電至零時，由于電源電壓繼續上升的作用，對該電容進行正向充電；隨著電容端電壓的升高，充電電流減少直到該電流小于晶閘管維持電流時，晶閘管自然關斷。此刻電容器的電壓升到正半周的最大值。而這時電源電壓從正半周峰值開始下降，使二極管導通，直到電容器端電壓達到負最大值時電流為零。從而完成一個雙向開關過程。

MATLAB 的強大功能使得電路仿真快速直觀。對于該濾波電路，在.mdl 文件格式下按照語言的要求從器件庫調出所需的圖元，繪成全電路硬件仿真圖如圖六。為便于分析，繪出單級TSF電路圖（圖五）。

圖五單元電路仿真圖

仿真過程為：

給出觸發脈沖，即在脈沖發生器的參數表中將‘Amplitude置‘1。然后點擊總圖的‘Simulation欄中的Start，仿真即開始，點擊圖中的Scope2，可看到三組晶閘管兩端位的變化，這時的端電壓幾乎為0，經40毫秒后，改變脈沖發生器的參數，即將‘Amplitude置‘0，觀察Scope2，晶閘管的端電壓發生明顯的變化，最大電位差為電源電壓的5倍。

對于660伏三相供電電壓，關斷時晶閘管的端電壓可達到3300V，考慮到電源電壓的波動，該電壓值可達到4000V，故應選擇反壓大于4000V的晶閘管，該濾波裝置內的晶閘管選用反壓4800V是合理的。

3．結束語

本文用MATLAB語言仿真分析了亞太機電1250KVA變的濾波系統，描述了濾波系統的諧波阻抗圖和晶閘管的反壓耐受情況。仿真分析結果表明該濾波裝置設計合理，該濾波裝置投入運行至今穩定可靠。

4.參考文獻

[1] 《電力系統諧波—基本原理，分析方法和濾波器設計》 George J.Wakilen著。徐政譯 2003.5

[2] MATLAB 電子仿真與應用韓利竹王華編著