一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器的制作方法

本发明涉及电力滤波领域，尤其是涉及一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器。

背景技术：

随着社会的发展，对钢铁的需求量越来越大，在炼钢产业中，电弧炉炼钢占据了很大比例。电弧炉技术的发展使得越来越多的电弧炉投入大型钢铁生产，其对电源侧产生的一系列影响也愈发明显。电弧炉利用交流电弧发热的原理进行炼钢，其电弧弧长的不规律变化导致电弧电阻的非线性，从而引起电流发生畸变，产生谐波电流，而谐波电流流入供电系统中，作用在系统阻抗上，从而造成电压畸变，这些谐波的产生影响正常的供电，对电网安全造成威胁。

一直以来，对于电弧炉造成的这些电能质量问题，科研人员进行了深入研究并提出了许多解决方案。最初提出采用无源滤波器，无源滤波器结构简单，既能滤除谐波同时还可以进行无功补偿，但是由于这种滤波器容易受到电网阻抗变动的影响，而且容易发生串联谐振，这些缺点的存在使得无源滤波器逐渐被有源滤波器取代。有源滤波器动态性能好，不受系统阻抗变动影响，缺点是滤波器容量小，随着容量的增加成本明显上升。为克服有源和无源滤波器各自存在的不足，混合有源滤波器应运而生。混合有源滤波器将无源滤波器和有源滤波器结合在一起，充分发挥各自的优势，既能扩大滤波器的容量，同时也能保证滤波的稳定性和成本。

电弧炉的炼钢的程序主要分为三个阶段：熔化期、氧化期和还原期。电弧炉冶炼时主要谐波次数为2-7次；其中熔化期的电能问题最为严重；随着冶炼进程的推移，电弧炉所引起的电能质量问题逐渐好转，到了还原期时谐波畸变率只有7％，相对于熔化期而言，此时炉内燃弧稳定，电弧炉的输入功率和电压变化规律也较稳定。根据电工学原理可知，滤波器的作用是降低无功与谐波引发的线路损耗，提高供配电的运行效率。但现有的无源滤波器结构在串并联谐振频率数值的设计上都略高于目标频率，使基波频率下滤波器的基波损耗相对较大。因此，随着电弧炉冶炼进程的好转，继续投入复杂的混合有源滤波器，既消耗大量有功功率又给企业带来了一定损失。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器，该滤波器具有较好的谐波补偿性能和较小的逆变器容量，滤波效率高、成本低、使用寿命长。

为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案是：

一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器，并联于非线性负载电网，包括：无源滤波器组ppf、注入支路、有源滤波器，以及检测电路、控制电路、驱动电路；所述注入支路由电容c1、电感l1和电容c0构成；有源滤波器的输出端通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联构成注入式有源滤波器；r1、r2是开关转换器，负责控制混合有源滤波器结构的转换；注入支路的两端分别通过r1、r2与无源滤波器组串联。

所述检测电路是通过谐波电流检测得到拟滤除的各次谐波电流；所述控制电路是对各次谐波电流进行加权求和形成有源滤波器的谐波补偿电流指令；所述驱动电路是将指令电流与实际输出电流经过pwm发生器处理后，产生pwm驱动信号，根据返回的数值使主电路发出大小相等方向相反的补偿信号将谐波消去。

所述无源滤波器组由三条无源滤波支路并联组成，所述的三条无源滤波支路分别是高通滤波器支路以及两条单调谐支路，其中高通滤波器用来滤除少量流入无源滤波器部分的高次谐波，单调谐支路用于滤除各次谐波。

所述的有源滤波器是基于igbt器件及pwm调制技术构成的电压源逆变器。

本发明所具有的优点及有益效果是：

本发明一种结构可转换的混合有源滤波器,是在电弧炉冶炼周期开始时，投入大容量的串联谐振注入式混合有源滤波器；而到了还原期时，进行开关切换，此时只投入注入式有源滤波器。可以根据电弧炉运行的不同阶段转换不同的工作模式，在不同模式下的滤波器结构都能对电弧炉相应冶炼阶段的负载谐波有较好的治理能力，同时在一定程度上减少了基波有功功率损耗，提高了混合有源滤波器的综合性能，增加混合有源滤波器的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述：

图1为本发明一种结构可转换的混合有源滤波器的系统结构图；

图2为本发明一种结构可转换的混合有源滤波器的原理结构图；

图3是开关闭合之后投入本发明一种结构可转换的混合有源滤波器的系统结构图；

图4为断开开关只投入有源滤波器的系统结构图；

图5为投入本发明一种结构可转换的混合有源滤波器的单相等效谐波电路；

图6为只投入有源滤波器的单相等效谐波电路；

图7为电弧炉冶炼周期控制系统结构流程图；

图8为本发明无源滤波部分切去前后注入支路电流实时仿真波形图；

图9为本发明电弧炉负载谐波电流实时仿真波形图；

图10为本发明滤波后电弧炉电网电流实时仿真波形图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明，下面结合附图及实施例对本发明进行详细的描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2所示，本发明一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器srithapf，包括无源滤波器组ppf1、注入支路4、有源滤波器apf2，以及检测电路、控制电路、驱动电路；所述注入支路由电容c1、电感l1和电容co构成；所述的有源滤波器apf是基于igbt器件及pwm调制技术构成的电压源逆变器。有源滤波器apf的输出端通过耦合变压器3与基波串联谐振电路并联构成注入式有源滤波器；r1、r2是开关转换器，负责控制混合有源滤波器结构的转换；注入支路4的两端分别通过r1、r2与无源滤波器组串联。

如图1所示，所述检测电路是通过谐波电流检测得到拟滤除的各次谐波电流；所述控制电路是对各次谐波电流进行加权求和形成有源滤波器apf的谐波补偿电流指令；所述驱动电路是将指令电流与实际输出电流经过pwm发生器处理后，产生pwm驱动信号，根据返回的数值使主电路发出大小相等方向相反的补偿信号将谐波消去。

所述无源滤波器组由三条无源滤波支路并联组成，提高了整体性能。所述的三条无源滤波支路分别是高通滤波器支路11以及两条单调谐支路12，其中高通滤波器用来滤除少量流入无源滤波器部分的高次谐波，单调谐支路用于滤除各次谐波。而有源滤波器通过耦合变压器接入电路，大部分的谐波由无源滤波器组滤除，基波流入基波谐振电路，有源滤波器并不需要很大的容量，这种结构在大功率的电路中依然可以满足要求。电容c1、电感l1和电容co是注入支路的结构。所述的三条无源滤波支路分别是高通滤波器11支路以及两条单调谐支路12,单调谐支路用于滤除各次谐波。而有源滤波器通过耦合变压器接入电路，大部分的谐波由无源滤波器组滤除，基波流入基波谐振电路，有源滤波器并不需要很大的容量，这种结构在大功率的电路中依然可以满足要求。

本发明一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器的运行机理如下：

如图3所示，当r1、r2闭合时，此时将投入本发明一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器进行电弧炉谐波治理，如图5所示，根据一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器的单相等效谐波电路图可知，本发明将有源滤波器控制为一个电流源，采用电流源开环控制策略，即ic＝kilh；zsh、zph、zrh、zgh分别为电网谐波阻抗、无源滤波器组的谐波阻抗、基波串联谐振支路谐波阻抗和注入电容c0的谐波阻抗。

根据本发明一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器等效电路图可以解得电网侧谐波电流ish与负载测谐波电流ilh以及电网侧谐波电压ush关系为：

分析上式右边第一项，当k足够大时，ish≈0，谐波电流将流入无源滤波器组中，大部分谐波被滤除。同时增益k的引入避免了注入支路谐波阻抗zgh与电网谐波阻抗zsh发生谐振。同理，上式右边第二项中，因为zph很大，让k的值取zph，

即k＝zph，则右式第二项可以变换为：

因为增益k的取值很大，保证了电网侧谐波电流ish不受电网谐波电压ush的影响。

有源滤波器的运行机理如下：

如图4所示，冶炼至还原期时，r1、r2断开，此时只投入注入式有源滤波器进行电弧炉谐波治理，如图6所示，根据注入式有源滤波器单相等效谐波电路图可知，此时注入支路电容c0主要起到固定补偿无功的作用，同时给有源滤波器所产生的谐波补偿电流提供一个低阻抗的通道。

根据基尔霍夫电压和电流定律，可以解得电网侧谐波电流ish与负载测谐波电流ilh、电网侧谐波电压ush关系为：

与前面分析一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器单相等效电路得出的结论一致，只要保证k值足够大，就能取得良好的滤波性能。并且增益k的引入，避免了注入支路谐波阻抗zgh与电网谐波阻抗zsh发生谐振，使滤波效果更加稳定。通过分析两种模式下的滤波器，可以发现两种滤波器对结构参数的要求是相同的，因此在实际应用时不需要重新对滤波器进行参数设计就可以实现连贯的模式转换，保障了在电弧炉谐波治理中投入滤波器的连续性。

本发明一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器冲击电流抑制的研究：

如图8所示，在电弧炉冶炼至还原期时，一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器要进行结构的切换，在电弧炉电网正常运行的情况下，瞬间切去无源滤波部分，注入支路电流将会有明显的变化，通过仿真发现，在时间为0.19s时切除无源部分，会发现注入支路电流有一个微小激增，然后恢复平稳。氧化期结束后的扒渣是电弧炉冶炼周期由氧化期过渡到还原期的一个重要的标志，扒渣完毕到出钢的这段时间都处于还原期，因此本发明选取氧化期结束后扒渣作为开关转换的信号，具体流程如下：

如图7所示，其中r1、r2开关由单片机控制触发，在电弧炉冶炼周期开始前，控制器s7-200执行复位指令，使r1、r2闭合。冶炼开始后，即投入srithapf进行谐波治理。氧化期扒渣结束，进入还原期前，控制器s7-200接收切换指令信号，使r1、r2断开。还原期冶炼时，实现注入式有源滤波器无冲击的投入，进行该阶段谐波治理。

将电弧炉模型带入电弧炉供电系统仿真模型中，得到如图9所示的电弧炉负载谐波电流波形图，由图中可知0.15s之前为熔化期时的负载谐波电流的波形，带有波动剧烈、畸变严重、明显的“零休”现象等特点；0.15s后为还原期时的负载谐波电流的波形，此时的谐波电流较为平稳，但谐波畸变、“零休”现象依然存在。然后将混合有源滤波器模型带入电弧炉供电系统仿真模型中，在仿真开始时，投入滤波仿真的为srithapf，0.15s后进行切换，投入滤波仿真的为注入式有源滤波器。图10为滤波后的电弧炉电网电流波形图，从图中可以看出，电流波形基本接近正弦波，电流波动、畸变、“零休”现象得到很大的改善，从而证明了本发明一种结构可转换的串联谐振注入式混合有源滤波器设计的合理性。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。