王红君^１，石亚慧^１，岳有军^１，赵　辉^１，２

（１．天津理工大学天津市复杂系统控制理论与应用重点实验室，天津３００３８４；２．天津农学院工程技术学院，天津３００３８４）

摘　要：为了提高混合有源滤波器的综合性能，减少复杂结构滤波器在运行过程中有功功率和电力资源的浪费，提出了结构可转换的新型混合有源滤波器这一新的思路：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（ｓｅｒｉｅｓｒｅｓｏｎａｎｔ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｈｙｂｒｉｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＳＲＩＴＨＡＰＦ），当电弧炉冶炼至还原期时，投入注入式有源滤波器（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＩＡＰＦ），进行剩余阶段的谐波治理任务。分析了新型混合有源滤波器的运行机理与开关投切时产生的冲击电流，通过仿真结果和理论计算验证了不同结构滤波器对电弧炉相应冶炼阶段的谐波治理效果。实验表明：投入结构可转换的新型滤波器具有较好的滤波性能，并降低了基波损耗，提高了滤波装置的运行效率。

关 键 词：混合有源滤波器；谐波治理；冲击电流；Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真

随着电炉炼钢产量不断的提升，大量电弧炉投入生产，电弧的剧烈变化产生大量的谐波电流，这些谐波电流不断的注入电网，带来了谐波、电压波动、闪变、电压暂降、三相不平衡等电能质量问题。对电网的安全运行造成了极大的损害^［１］。目前，由无源滤波器（ｐａｓｓｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＰＰＦ）和有源滤波器（ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）共同构成的混合有源电力滤波系统，因其兼顾无源滤波器成本低和有源滤波器滤波效果好的优点^［２］，成为研究电弧炉谐波治理的重要方向。

文献^［１］分析了滤波器对电能质量问题的改善，文献^［３］对混合有源滤波器的控制策略进行改进，文献^［４］解决了有源部分与无源部分间的基波环流问题，文献^［５］分析了并联混合型有源电力滤波器谐波电流注入支路中存在阻塞谐波电流注入的阻抗的问题。随着电弧炉冶炼阶段的推进，仍投入结构复杂的混合有源滤波装置会造成基波损耗大，现有文献中忽略了此问题。本文结合电弧炉工程应用的需要，设计了１种结构可转换的新型混合有源滤波器，详细分析了２种滤波器的运行机理，并对设计中的关键问题进行了研究，通过仿真实验分析和理论计算，证明了混合有源滤波器分阶段投切这一新方法对电弧炉冶炼各阶段的谐波都具有很好的抑制效果，并能有效减少基波损耗。

１　新型混合有源滤波器的设计思路

电弧炉的炼钢过程总体分为３个阶段：熔化期、氧化期和还原期^［６］。根据文献^［５］提供的数据可知，电弧炉冶炼过程中产生的主要谐波次数为２～７次；在熔化期时，系统中谐波畸变率（ｔｏｔａｌ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ＴＨＤ）可达到３３％，而到了还原期时，系统平均谐波畸变率只有７％，相对于熔化期，此时电弧炉的输入功率和电压变化规律较稳定，系统电能质量问题明显地好转^［７］，若仍投入复杂的混合有源滤波器，装置本身会消耗大量的有功功率，对企业造成巨大的经济损失，这与研究滤波器的目的相违背。

因此，结合文献^［８］提出的滤波器设计思路，本文提出了１种结构可转换的新型混合有源滤波器。基本的思路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（ｓｅｒｉｅｓ　ｒｅｓｏｎａｎｔ　ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ｈｙｂｒｉｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＳＲＩＴＨＡＰＦ）^［９］；当电弧炉冶炼至还原期时，投入注入式有源滤波器（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ，ＩＡＰＦ）进行剩余阶段的谐波治理任务。

新型混合有源滤波器是由无源滤波器组、注入支路以及有源滤波器组成。有源部分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^［１０］；Ｒ１、Ｒ２是连接在混合有源滤波器中的开关转换器，控制混合有源滤波器结构的转换，结构如图１所示。

２　２种结构的运行机理分析研究

前面部分对新型混合有源滤波器的设计理念、外部结构做了分析，本节主要针对新型混合有源滤波器２种结构的滤波机理进行进一步的研究^［１１］。

２．１　ＳＲＩＴＨＡＰＦ的运行机理研究

由上述可知，当Ｒ_１、Ｒ_２闭合时，此时投入电弧炉谐波治理的滤波器为串联谐振注入式混合有源滤波器（ＳＲＩＴＨＡＰＦ）。

本文将混合滤波器的有源部分控制为１个电流源，采用电流源开环控制策略，即ｉ_Ｃ＝Ｋ_ｉＳｈ；Ｚ_Ｓｈ、Ｚ_Ｐｈ、Ｚ_Ｒｈ、Ｚ_Ｇｈ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Ｃ_０的谐波阻抗，ＳＲＩＴＨＡＰＦ的单相等效谐波电路如图２所示。

文中下标ｈ表示相应电压或电流的谐波分量。根据基尔霍夫电压和电流定律，可以解得电网侧谐波电流ｉ_Ｓｈ与负载测谐波电流ｉ_Ｌｈ、电网侧谐波电压Ｕ_Ｓｈ的关系为

分析式（１）等式右边第１项，当增益Ｋ 足够大时，ｉ_Ｓｈ≈０，则有源滤波器迫使谐波电流流入无源滤波器，负载谐波得到了很好的抑制。并且由于增益Ｋ的引入，避免了注入支路谐波阻抗Ｚ_Ｇｈ与电网谐波阻抗Ｚ_Ｓｈ发生谐振，保证了滤波效果。同理，式（１）等式右边第２项中，由于Ｚ_Ｐｈ很大，本文假定把增益Ｋ 的值设计成Ｚ_Ｐｈ，即Ｋ＝Ｚ_Ｐｈ，则等式右边第２项可以变换为

因此，只要增益Ｋ 足够大，就可以保证电网侧谐波电流ｉ_Ｓｈ不受电网谐波电压Ｕ_Ｓｈ的影响。

２．２　ＩＡＰＦ的运行机理研究

由图１可知，当电弧炉运行至还原期时，Ｒ_１、Ｒ_２断开，此时投入电弧炉谐波治理的滤波器为注入式有源滤波器（ＩＡＰＦ）。

在ＩＡＰＦ的单相等效谐波电路图中注入支路电容Ｃ_０，主要起到固定补偿无功、给有源滤波器所产生的谐波补偿电流提供低阻抗通道的作用，等效电路如图３所示。

根据基尔霍夫电压和电流定律，可以解得电网侧谐波电流ｉ_Ｓｈ与负载测谐波电流ｉ_Ｌｈ、电网侧谐波电压Ｕ_Ｓｈ的关系为

与前面分析ＳＲＩＴＨＡＰＦ单相等效电路得出的结论一致，只要保证Ｋ 足够大，就能保证良好的滤波性能。并且增益Ｋ 的引入，避免了注入支路谐波阻抗Ｚ_Ｇｈ与电网谐波阻抗Ｚ_Ｓｈ发生谐振，保证了滤波效果。

３　新型混合有源滤波器关键问题研究

对新型有源滤波器的结构和工作机理进行分析后，接下来主要分析其设计中的关键问题。本文主要对投切滤波器时在注入支路中产生的瞬时冲击电流的抑制进行探究。

在电弧炉冶炼至还原期时，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１个明显激增，然后恢复平稳，如图４所示。

根据电弧炉实际工况的要求，要实现理想的无冲击切换，需要在特定时刻快速、准确地进行开关控制。因此本文选用大功率晶闸管作为开关器件，设计、搭建了保护电路，如图５所示。

保护电路由反向并联的三相晶闸管电子开关和ＬＲ 串联电路并联构成。其中三相晶闸管电子开关由单片机控制触发，其作用是作为调压器，保护电路投入电网，实现平滑切换；ＬＲ 串联支路中，电感的作用是降低冲击电流，避免过流威胁滤波设备；串联电阻起到阻尼的作用，抑制电路的振荡。

如图５所示，开关Ｋ控制着保护电路的投切，控制开关Ｋ在冶炼开始时处于闭合状态，还原期开始时，控制开关Ｋ与投切开关Ｒ_１、Ｒ_２同时进行切换，使Ｋ断开，实现ＩＡＰＦ的无冲击投入。启动完成后，重新投入控制开关Ｋ，保护电路退出运行。在仿真电路中加入了保护电路得到注入支路电流，如图６所示。

从图６中可以清楚地观察到，开关切换瞬间注入支路电流没有明显的激增现象，混合有源滤波器结构实现了平滑的切换，证明了这一结构的合理性。

４　仿真实验分析及理论计算

４．１　仿真模型及参数

为了检验新型混合有源滤波器的滤波效果，使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真实验，通过改变滤波器结构，分别验证２种工作模式的滤波器性能。根据指标通过综合方法或者优化方法来决定滤波器的参数^［１２］，具体参数设置如表１所示。

其中混合有源滤波器结构设计如图７所示。

文中采用河北钢厂７０吨电弧炉电网数据作为仿真参数，其中主电源为１１０ｋＶ 高压，主变压器一次侧额定电压为１１０ｋＶ，二次侧额定电压为３５ｋＶ。

４．２　实验结果及分析

文章采用文献^［１３］中的电弧炉仿真模型，该模型能够较真实地反映电弧炉的工作状态。将电弧炉模型代入电弧炉供电系统仿真模型中，得到电弧炉负载谐波电流波形图，其中，０．１５ｓ之前为熔化期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^［１４］；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，谐波电流仿真波形如图８所示。

将新型混合有源滤波器模型代入电弧炉供电系统仿真模型中，在仿真开始时，投入滤波仿真的滤波器为ＳＲＩＴＨＡＰＦ，０．１５ｓ后进行切换，投入滤波仿真的滤波器为ＩＡＰＦ。

从滤波后的电弧炉电网电流波形图中可以看出，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，从而证明了新型混合有源滤波器设计的合理性。滤波后的电流波形图如图９所示。

可投切混合有源滤波器接入前、后电流畸变率数据见表２。

从图８和图９波形以及表２电流畸变率对比可以看出，在还原期切除无源滤波器，只投入有源滤波器同样可以达到滤波效果。

４．３　低损耗混合有源滤波器的分析

本文在仿真的基础上，对实验室原有的有源滤波器实验装置进行了改进，研制出１套ＩＡＰＦ装置平台，用于验证还原期时注入式有源滤波器（ＩＡＰＦ）的滤波性能，在实验室运行的情况如图１０ 和图１１所示。

在还原期按传统方式投入混合有源滤波器，滤波后的波形图如图１２所示。

对比图１１和图１２可以看出，在还原期只投入ＩＡＰＦ与传统方法投入混合有源滤波的效果基本一致，同时还可以降低损耗，分析如下。

基波电流ｉ_１流过单谐调滤波器消耗的基波功率为

式中：Ｑ 为品质因数，；ω_１为基波角频率；ω_ｎ为单谐调滤波器滤除的对应次数谐波的角频率。

基波电流ｉ_１流入二阶高通滤波器时，其消耗的基波功率为

因此，还原期时切除３、５次单谐调滤波器和１组二阶高通滤波器，假设还原期冶炼时间为Ｔ，则三相电路可以减少的基波损耗为

式中：ｉ_１３、ｉ_１５、ｉ_１ｈ分别为流过３、５次单谐调滤波器以及高通滤波器的基波电流；Ｚ_３、Ｚ_５、Ｚ_ｈ分别为３、５次单谐调滤波器以及高通滤波器对基波的阻抗。

从式（６）中可以看出，由于电弧炉冶炼时，电网电流可以达到数十千安，因此虽然流过滤波器的基波电流比例较小，但由于基数较大，因此产生的基波损耗也较大。因此在还原期ＩＡＰＦ可以满足电弧炉电网谐波治理的情况下，切除无源滤波组可以有效地减少电网的基波损耗。

通过上述仿真结果与理论计算可以看出，本文提出的新结构既可以在相应的阶段滤除谐波，同时也可以降低损耗，使混合有源滤波器达到最低损耗的投切。

５　结　语

本文提出了１种新型混合有源滤波器，可以根据电弧炉运行的不同阶段转换不同的工作模式；详细分析了冲击电流的抑制等关键问题；通过Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真，表明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，通过波形对比图可以看出，新结构既可以达到全程投入混合有源滤波器的谐波滤除效果，同时在一定程度上减少了基波有功功率的损耗，从而提高了混合有源滤波器的综合性能，具有较好的应用前景。

［参 考 文 献］（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）

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［２］　ＢＡＲＲＯＳ　Ｊ，ＤＩＥＧＯ　Ｒ．ＡＰＲＡＩＺ　Ｍ　Ｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｉｎｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ：ａ　ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２０１２，６１ （１０）：２６０４－２６１１．

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［１０］刘健犇，陈乔夫，代少君，等．高压大容量串联混合型有源电力滤波器的关键技术［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１３，３３（１２）：１－９．

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［１１］ＭＥＤＩＡＮＡ　Ａ，ＧＯＭＥＺ　Ｍ　Ａ，ＦＵＥＲＴＥ　Ｃ　Ｒ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎｓ　ｔｈｅｏｒｙ　ｔｏ　ａｓｓｅｓｓ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ＡＣ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｒｃ　ｆｕｒｎａｃｅ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，２００５，２０（２）：８０１－８０６．

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［１３］赵辉，吕新亚，王红君，等．用于电能质量分析的电弧炉混合模型研究［Ｊ］．计算机仿真，２０１６，３２（２）：２４８－２５３．

ＺＨＡＯ　Ｈｕｉ，ＬＸｉｎｙａ，ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇｊｕｎ，ｅｔ　ａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｎ　ｈｙｂｒｉｄ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａｒｃ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ｑｕａｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，２０１６，３２（２）：２４８－２５３．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）

［１４］ＣＥＲＮＡＮ　Ｍ，ＴＬＵＳＴＹ　Ｊ．Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｒｃ　ｆｕｒｎａｃｅｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＥＥＥ　ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｂｒｎｏ，Ｃｚｅｃｈ　Ｒｅｐｕｂｌｉｃ：ＩＥＥＥ，２０１４：１８７－１９２．