王紅君１，石亞慧１，岳有軍１，趙 輝１，２
（１．天津理工大學天津市復雜系統(tǒng)控制理論與應用重點實驗室，天津３００３８４；２．天津農(nóng)學院工程技術學院，天津３００３８４）
摘 要：為了提高混合有源濾波器的綜合性能，減少復雜結構濾波器在運行過程中有功功率和電力資源的浪費，提出了結構可轉換的新型混合有源濾波器這一新的思路：在電弧爐冶煉周期開始時，投入大容量的串聯(lián)諧振注入式混合有源濾波器（ｓｅｒｉｅｓｒｅｓｏｎａｎｔ?。椋睿辏澹悖簦椋铮睢。瑁猓颍椋洹。幔悖簦椋觯濉。穑铮鳎澹颉。妫椋欤簦澹?，ＳＲＩＴＨＡＰＦ），當電弧爐冶煉至還原期時，投入注入式有源濾波器（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ?。幔悖簦椋觯澹穑铮鳎澹颉。妫椋欤簦澹颍桑粒校疲?，進行剩余階段的諧波治理任務。分析了新型混合有源濾波器的運行機理與開關投切時產(chǎn)生的沖擊電流，通過仿真結果和理論計算驗證了不同結構濾波器對電弧爐相應冶煉階段的諧波治理效果。實驗表明：投入結構可轉換的新型濾波器具有較好的濾波性能，并降低了基波損耗，提高了濾波裝置的運行效率。
關 鍵 詞：混合有源濾波器；諧波治理；沖擊電流；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真
隨著電爐煉鋼產(chǎn)量不斷的提升，大量電弧爐投入生產(chǎn)，電弧的劇烈變化產(chǎn)生大量的諧波電流，這些諧波電流不斷的注入電網(wǎng)，帶來了諧波、電壓波動、閃變、電壓暫降、三相不平衡等電能質量問題。對電網(wǎng)的安全運行造成了極大的損害［１］。目前，由無源濾波器（ｐａｓｓｉｖｅ?。穑铮鳎澹颉。妫椋欤簦澹颍校校疲┖陀性礊V波器（ａｃｔｉｖｅ?。穑铮鳎澹颉。妫椋欤簦澹?，ＡＰＦ）共同構成的混合有源電力濾波系統(tǒng)，因其兼顧無源濾波器成本低和有源濾波器濾波效果好的優(yōu)點［２］，成為研究電弧爐諧波治理的重要方向。
文獻［１］分析了濾波器對電能質量問題的改善，文獻［３］對混合有源濾波器的控制策略進行改進，文獻［４］解決了有源部分與無源部分間的基波環(huán)流問題，文獻［５］分析了并聯(lián)混合型有源電力濾波器諧波電流注入支路中存在阻塞諧波電流注入的阻抗的問題。隨著電弧爐冶煉階段的推進，仍投入結構復雜的混合有源濾波裝置會造成基波損耗大，現(xiàn)有文獻中忽略了此問題。本文結合電弧爐工程應用的需要，設計了１種結構可轉換的新型混合有源濾波器，詳細分析了２種濾波器的運行機理，并對設計中的關鍵問題進行了研究，通過仿真實驗分析和理論計算，證明了混合有源濾波器分階段投切這一新方法對電弧爐冶煉各階段的諧波都具有很好的抑制效果，并能有效減少基波損耗。
１ 新型混合有源濾波器的設計思路
電弧爐的煉鋼過程總體分為３個階段：熔化期、氧化期和還原期［６］。根據(jù)文獻［５］提供的數(shù)據(jù)可知，電弧爐冶煉過程中產(chǎn)生的主要諧波次數(shù)為２～７次；在熔化期時，系統(tǒng)中諧波畸變率（ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃｓｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ＴＨＤ）可達到３３％，而到了還原期時，系統(tǒng)平均諧波畸變率只有７％，相對于熔化期，此時電弧爐的輸入功率和電壓變化規(guī)律較穩(wěn)定，系統(tǒng)電能質量問題明顯地好轉［７］，若仍投入復雜的混合有源濾波器，裝置本身會消耗大量的有功功率，對企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，這與研究濾波器的目的相違背。
因此，結合文獻［８］提出的濾波器設計思路，本文提出了１種結構可轉換的新型混合有源濾波器?；镜乃悸肥窃陔娀t冶煉周期開始時，投入大容量的串聯(lián)諧振注入式混合有源濾波器（ｓｅｒｉｅｓ?。颍澹螅铮睿幔睿簟。椋睿辏澹悖簦椋铮睢。瑁猓颍椋洹。幔悖簦椋觯濉。穑铮鳎澹颉。妫椋欤簦澹?，ＳＲＩＴＨＡＰＦ）［９］；當電弧爐冶煉至還原期時，投入注入式有源濾波器（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ?。幔悖簦椋觯濉。穑铮鳎澹颉。妫椋欤簦澹?，ＩＡＰＦ）進行剩余階段的諧波治理任務。
新型混合有源濾波器是由無源濾波器組、注入支路以及有源濾波器組成。有源部分通過耦合變壓器與基波串聯(lián)諧振電路并聯(lián)構成注入式有源濾波器［１０］；Ｒ１、Ｒ２是連接在混合有源濾波器中的開關轉換器，控制混合有源濾波器結構的轉換，結構如圖１所示。
２ ２種結構的運行機理分析研究
前面部分對新型混合有源濾波器的設計理念、外部結構做了分析，本節(jié)主要針對新型混合有源濾波器２種結構的濾波機理進行進一步的研究［１１］。
２．１?。樱遥桑裕龋粒校频倪\行機理研究
由上述可知，當Ｒ１、Ｒ２閉合時，此時投入電弧爐諧波治理的濾波器為串聯(lián)諧振注入式混合有源濾波器（ＳＲＩＴＨＡＰＦ）。
本文將混合濾波器的有源部分控制為１個電流源，采用電流源開環(huán)控制策略，即ｉＣ＝ＫｉＳｈ；ＺＳｈ、ＺＰｈ、ＺＲｈ、ＺＧｈ分別為電網(wǎng)諧波阻抗、無源濾波器組的諧波阻抗、基波串聯(lián)諧振支路諧波阻抗和注入電容Ｃ０的諧波阻抗，ＳＲＩＴＨＡＰＦ的單相等效諧波電路如圖２所示。
文中下標ｈ表示相應電壓或電流的諧波分量。根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可以解得電網(wǎng)側諧波電流ｉＳｈ與負載測諧波電流ｉＬｈ、電網(wǎng)側諧波電壓ＵＳｈ的關系為
分析式（１）等式右邊第１項，當增益Ｋ 足夠大時，ｉＳｈ≈０，則有源濾波器迫使諧波電流流入無源濾波器，負載諧波得到了很好的抑制。并且由于增益Ｋ的引入，避免了注入支路諧波阻抗ＺＧｈ與電網(wǎng)諧波阻抗ＺＳｈ發(fā)生諧振，保證了濾波效果。同理，式（１）等式右邊第２項中，由于ＺＰｈ很大，本文假定把增益Ｋ 的值設計成ＺＰｈ，即Ｋ＝ＺＰｈ，則等式右邊第２項可以變換為
因此，只要增益Ｋ 足夠大，就可以保證電網(wǎng)側諧波電流ｉＳｈ不受電網(wǎng)諧波電壓ＵＳｈ的影響。
２．２?。桑粒校频倪\行機理研究
由圖１可知，當電弧爐運行至還原期時，Ｒ１、Ｒ２斷開，此時投入電弧爐諧波治理的濾波器為注入式有源濾波器（ＩＡＰＦ）。
在ＩＡＰＦ的單相等效諧波電路圖中注入支路電容Ｃ０，主要起到固定補償無功、給有源濾波器所產(chǎn)生的諧波補償電流提供低阻抗通道的作用，等效電路如圖３所示。
根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可以解得電網(wǎng)側諧波電流ｉＳｈ與負載測諧波電流ｉＬｈ、電網(wǎng)側諧波電壓ＵＳｈ的關系為
與前面分析ＳＲＩＴＨＡＰＦ單相等效電路得出的結論一致，只要保證Ｋ 足夠大，就能保證良好的濾波性能。并且增益Ｋ 的引入，避免了注入支路諧波阻抗ＺＧｈ與電網(wǎng)諧波阻抗ＺＳｈ發(fā)生諧振，保證了濾波效果。
３ 新型混合有源濾波器關鍵問題研究
對新型有源濾波器的結構和工作機理進行分析后，接下來主要分析其設計中的關鍵問題。本文主要對投切濾波器時在注入支路中產(chǎn)生的瞬時沖擊電流的抑制進行探究。
在電弧爐冶煉至還原期時，混合有源濾波器要進行結構的切換，在電弧爐電網(wǎng)正常運行的情況下，瞬間切去無源濾波部分，注入支路電流將會有明顯的變化，通過仿真發(fā)現(xiàn)，在時間為０．１９ｓ時切除無源部分，會發(fā)現(xiàn)注入支路電流有１個明顯激增，然后恢復平穩(wěn)，如圖４所示。
根據(jù)電弧爐實際工況的要求，要實現(xiàn)理想的無沖擊切換，需要在特定時刻快速、準確地進行開關控制。因此本文選用大功率晶閘管作為開關器件，設計、搭建了保護電路，如圖５所示。
保護電路由反向并聯(lián)的三相晶閘管電子開關和ＬＲ 串聯(lián)電路并聯(lián)構成。其中三相晶閘管電子開關由單片機控制觸發(fā)，其作用是作為調壓器，保護電路投入電網(wǎng)，實現(xiàn)平滑切換；ＬＲ 串聯(lián)支路中，電感的作用是降低沖擊電流，避免過流威脅濾波設備；串聯(lián)電阻起到阻尼的作用，抑制電路的振蕩。
如圖５所示，開關Ｋ控制著保護電路的投切，控制開關Ｋ在冶煉開始時處于閉合狀態(tài)，還原期開始時，控制開關Ｋ與投切開關Ｒ１、Ｒ２同時進行切換，使Ｋ斷開，實現(xiàn)ＩＡＰＦ的無沖擊投入。啟動完成后，重新投入控制開關Ｋ，保護電路退出運行。在仿真電路中加入了保護電路得到注入支路電流，如圖６所示。
從圖６中可以清楚地觀察到，開關切換瞬間注入支路電流沒有明顯的激增現(xiàn)象，混合有源濾波器結構實現(xiàn)了平滑的切換，證明了這一結構的合理性。
４ 仿真實驗分析及理論計算
４．１ 仿真模型及參數(shù)
為了檢驗新型混合有源濾波器的濾波效果，使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ進行仿真實驗，通過改變?yōu)V波器結構，分別驗證２種工作模式的濾波器性能。根據(jù)指標通過綜合方法或者優(yōu)化方法來決定濾波器的參數(shù)［１２］，具體參數(shù)設置如表１所示。
其中混合有源濾波器結構設計如圖７所示。
文中采用河北鋼廠７０噸電弧爐電網(wǎng)數(shù)據(jù)作為仿真參數(shù)，其中主電源為１１０ｋＶ 高壓，主變壓器一次側額定電壓為１１０ｋＶ，二次側額定電壓為３５ｋＶ。
４．２ 實驗結果及分析
文章采用文獻［１３］中的電弧爐仿真模型，該模型能夠較真實地反映電弧爐的工作狀態(tài)。將電弧爐模型代入電弧爐供電系統(tǒng)仿真模型中，得到電弧爐負載諧波電流波形圖，其中，０．１５ｓ之前為熔化期的負載諧波電流的波形，帶有波動劇烈、畸變嚴重、明顯的“零休”現(xiàn)象等特點［１４］；０．１５ｓ后為還原期時的負載諧波電流的波形，此時的諧波電流較為平穩(wěn)，但諧波畸變、“零休”現(xiàn)象依然存在，諧波電流仿真波形如圖８所示。
將新型混合有源濾波器模型代入電弧爐供電系統(tǒng)仿真模型中，在仿真開始時，投入濾波仿真的濾波器為ＳＲＩＴＨＡＰＦ，０．１５ｓ后進行切換，投入濾波仿真的濾波器為ＩＡＰＦ。
從濾波后的電弧爐電網(wǎng)電流波形圖中可以看出，電流波形基本接近正弦波，電流波動、畸變、“零休”現(xiàn)象得到很大的改善，從而證明了新型混合有源濾波器設計的合理性。濾波后的電流波形圖如圖９所示。
可投切混合有源濾波器接入前、后電流畸變率數(shù)據(jù)見表２。
從圖８和圖９波形以及表２電流畸變率對比可以看出，在還原期切除無源濾波器，只投入有源濾波器同樣可以達到濾波效果。
４．３ 低損耗混合有源濾波器的分析
本文在仿真的基礎上，對實驗室原有的有源濾波器實驗裝置進行了改進，研制出１套ＩＡＰＦ裝置平臺，用于驗證還原期時注入式有源濾波器（ＩＡＰＦ）的濾波性能，在實驗室運行的情況如圖１０ 和圖１１所示。
在還原期按傳統(tǒng)方式投入混合有源濾波器，濾波后的波形圖如圖１２所示。
對比圖１１和圖１２可以看出，在還原期只投入ＩＡＰＦ與傳統(tǒng)方法投入混合有源濾波的效果基本一致，同時還可以降低損耗，分析如下。
基波電流ｉ１流過單諧調濾波器消耗的基波功率為
式中：Ｑ 為品質因數(shù)，
；ω１為基波角頻率；ωｎ為單諧調濾波器濾除的對應次數(shù)諧波的角頻率。
基波電流ｉ１流入二階高通濾波器時，其消耗的基波功率為
因此，還原期時切除３、５次單諧調濾波器和１組二階高通濾波器，假設還原期冶煉時間為Ｔ，則三相電路可以減少的基波損耗為
式中：ｉ１３、ｉ１５、ｉ１ｈ分別為流過３、５次單諧調濾波器以及高通濾波器的基波電流；Ｚ３、Ｚ５、Ｚｈ分別為３、５次單諧調濾波器以及高通濾波器對基波的阻抗。
從式（６）中可以看出，由于電弧爐冶煉時，電網(wǎng)電流可以達到數(shù)十千安，因此雖然流過濾波器的基波電流比例較小，但由于基數(shù)較大，因此產(chǎn)生的基波損耗也較大。因此在還原期ＩＡＰＦ可以滿足電弧爐電網(wǎng)諧波治理的情況下，切除無源濾波組可以有效地減少電網(wǎng)的基波損耗。
通過上述仿真結果與理論計算可以看出，本文提出的新結構既可以在相應的階段濾除諧波，同時也可以降低損耗，使混合有源濾波器達到最低損耗的投切。
５ 結 語
本文提出了１種新型混合有源濾波器，可以根據(jù)電弧爐運行的不同階段轉換不同的工作模式；詳細分析了沖擊電流的抑制等關鍵問題；通過Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真，表明不同模式下的濾波器結構都能對電弧爐相應冶煉階段的負載諧波有較好的治理能力，通過波形對比圖可以看出，新結構既可以達到全程投入混合有源濾波器的諧波濾除效果，同時在一定程度上減少了基波有功功率的損耗，從而提高了混合有源濾波器的綜合性能，具有較好的應用前景。
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