浙江亚太机电股份有限公司中频滤波系统仿真分析

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语言对滤波系统作仿真分析，给出谐波阻抗图，并给出滤波支路的晶闸管的反压要求。

关键词：滤波，谐波电流，谐波阻抗，晶闸管，正（反）向阻断电压

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

THYRISTOR，VDRM /VRRM

1． 浙江亚太机电股份有限公司中频电炉滤波补偿系统

浙江亚太机电股份有限公司为中频电炉安装了二套低压滤波补偿装置。该装置自验收至今已连续运行7个月。本文试图以MATLAB语言对该滤波系统的谐波特性和晶闸管控制主电路进行仿真分析，以验证系统运行的稳定性。

MATLAB是由美国Mathworks公司的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境, 它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。本人根据制造方提供的技术文件中滤波支路的参数，编写系统阻抗公式并在MATLAB7.1上运行，检验滤波系统是否稳定及滤波效果。使用厂家提供的技术资料归纳如下：

(1) 原理图见图一，滤波补偿接在1250KVA整流变的低压侧绕组，含5,7,11次3个滤波支路。

(2) 滤波补偿支路电容和电感的参数为：

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

C51 =3618uF， C7 =1773uF ，C11=1773uF

滤波补偿系统与接入公共点（PCC）距离为10米左右。

(3) 采用了大功率晶闸管与整流二极管反并联的开关电路，晶闸管和二极管的反向阻断电压为4800伏。该电路称为TSF。

根据提供的系统图，绘出仿真用的电路图如图1，该仿真图用来模拟开关器件的运行状态。

图一滤波系统原理图，图中未画出B,C相及断路器等器件

为了检验滤波装置接入炉变低压侧的稳定性，建立接入系统的谐波阻抗扫描仿真数学模型，即建立滤波支路的阻抗表达式和炉变的阻抗表达式，各滤波支路之间及与炉变均为并联关系。在MATLAB7.1上运行得到系统阻抗与频率的关系图（仿真扫描），从而直观显示系统的稳定性。

2．阻抗仿真程序（.m格式）：

图一中的Zso1为连接电缆的等效阻抗，该阻抗与长度有关。谐波源为hr1。电力变压器为Dyn11的中性点不接，阻抗4.5%。变压器二次绕组的等效阻抗为：

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

Zso1以Zso的数学表达式来描述：

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

式中length为电缆长度，单位为米，w=2*π*50*h,h为谐波次数。

使用MATLAB语言对原理图仿真分析，描述从谐波源看进去的系统阻抗与频率之间的关系――谐波阻抗曲线图。分析了系统的并联谐振点和串联谐振点。

2．1 谐波仿真程序如下：

% for LC filter;

%浙江亚太机电股份有限公司中频滤波，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('波阻图(亚太机电)');

xlabel('h');

ylabel('Z:欧姆 ');

2．2 系统谐波阻抗仿真图

运行上述程序，使得到系统谐波阻抗曲线图如下：直线代表主变压器的谐波阻抗，曲线代表低压侧系统的谐波阻抗变化。从图中可看出阻抗曲线在h=5，7，11处的阻抗最小，表明回路处于串联谐振状态，滤波支路吸收谐波电流。曲线的顶点为并联谐振放大，由于频率为非特怔谐波频率，对系统不会造成影响，但在10次谐波点有1欧的阻抗，对10次电流有3倍的放大，由于10次谐波电流很小，可不予考虑。

图二系统谐波阻抗曲线图

对程序的绘图语句梢作修改，将z1=abs(Z1)改写为 z1=abs(Z1./Zt1)，将ylabel('Z:欧姆 ') 改写为ylabel('注入主变谐波电流倍率')。再次运行程序，即得到谐波电流注入主变压器的倍率，如图三所示。

图三谐波电流注入主变压器的倍率变化曲线

从该曲线中可直观看出滤波支路对谐波电流的吸收情况，对于5，7，11，13次，注入主变压器的谐波电流降为30% 以下。

仿真图表明该滤波组合能有效吸收谐波电流。

3．TSF电路及仿真

滤波装置采用了晶闸管与整流二极管反并联作滤波回路的开关控制器件，与滤波回路LC构成TSF电路（晶闸管控制滤波电路），其基本结构属于TSC（晶闸管投切电容器）电路结构。TSC有采用二种触发方式，即过零触发和定相位触发。过零触发的响应时间受到晶闸管两端电位差的影响, 响应时间可能大于20mS；定相位触发的响应时间不受晶闸管两端电位差的影响，响应时间小于20mS。在定相位触发之前，电容器通过二极管充电到+Vmax(+或-,视整流二极管的接法，如图示为负)，如图四示：

图四定相位触发原理图

移相脉冲相位恰好在电源的负半周最大值时，脉冲予施加于晶闸管的控制极G.K端。这时晶闸管导通，电容通过晶闸管向电源放电。当电容端电压放电至零时，由于电源电压继续上升的作用，对该电容进行正向充电；随着电容端电压的升高，充电电流减少直到该电流小于晶闸管维持电流时，晶闸管自然关断。此刻电容器的电压升到正半周的最大值。而这时电源电压从正半周峰值开始下降，使二极管导通，直到电容器端电压达到负最大值时电流为零。从而完成一个双向开关过程。

MATLAB 的强大功能使得电路仿真快速直观。对于该滤波电路，在.mdl 文件格式下按照语言的要求从器件库调出所需的图元，绘成全电路硬件仿真图如图六。为便于分析，绘出单级TSF电路图（图五）。

图五单元电路仿真图

仿真过程为：

给出触发脉冲，即在脉冲发生器的参数表中将‘Amplitude’置‘1’。然后点击总图的‘Simulation’栏中的’Start’，仿真即开始，点击图中的Scope2，可看到三组晶闸管两端位的变化，这时的端电压几乎为0，经40毫秒后，改变脉冲发生器的参数，即将‘Amplitude’置‘0’，观察Scope2，晶闸管的端电压发生明显的变化，最大电位差为电源电压的5倍。

对于660伏三相供电电压，关断时晶闸管的端电压可达到3300V，考虑到电源电压的波动，该电压值可达到4000V，故应选择反压大于4000V的晶闸管，该滤波装置内的晶闸管选用反压4800V是合理的。

3．结束语

本文用MATLAB语言仿真分析了亚太机电1250KVA变的滤波系统，描述了滤波系统的谐波阻抗图和晶闸管的反压耐受情况。仿真分析结果表明该滤波装置设计合理，该滤波装置投入运行至今稳定可靠。

4.参考文献

[1] 《电力系统谐波―基本原理，分析方法和滤波器设计》 George J.Wakilen著。徐政译 2003.5

[2] MATLAB 电子仿真与应用韩利竹王华编著