CN102332723A

CN102332723A - 自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混成系统

Info

Publication number: CN102332723A
Application number: CN201110281055A
Authority: CN
Inventors: 李勇; 罗隆福; 许加柱; 克里斯蒂安·黑汉斯
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: CN102332723B

Abstract

本发明公开了一种自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混成系统。它包括多目标混合控制器、整流变压器、具有自动谐振功能的特征谐波滤波器、晶闸管可控电抗器、二阶高通滤波器、并联电容器、整流变压器一次侧和特征谐波滤波器支路上的电压与电流测量装置。所述整流变压器的低压侧连接有整流器，中压侧连接有自动谐振式电力滤波与连续无功补偿系统，高压侧与工业配电网相连接；所述多目标混合控制器的控制输入端连接所述电压与电流装置，控制输出端连接特征谐波滤波支路上的磁饱和式可控电抗器、以及晶闸管可控电抗器。本发明能消除系统阻抗对电力滤波效能的制约作用，解决电网侧与非线性负载侧频率波动对电力滤波性能的影响，且实现供电系统自身的高效率运行。

Description

自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混成系统

技术领域

本发明属于电力系统与工业配用电系统的谐波治理与无功功率补偿技术领域，具体涉及一种自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混成系统。

背景技术

由于电力电子器件固有的非线性作用，在其应用于电力系统与工业配用电系统时，不可避免地引起谐波污染严重、功率因数低下、电压闪变与不平衡等电能质量问题。目前，在改善电能质量方面主要的滤波技术有无源滤波、有源滤波和混合有源滤波。其中，无源滤波由于装置结构比较简单、设计与制造比较容易，且初期投资成本较低，在电力系统与工业配用电系统中得到了广泛使用。然而，无源滤波器的滤波效能容易受到系统阻抗的制约。当电力网络结构发生变化时，有可能引起滤波阻抗与系统阻抗间的串/并联谐振，这不仅影响供电系统稳定性，而且限制了滤波性能的发挥。另外，无源滤波尽管能够抑制特定次谐波，但对低次谐波具有放大作用，且电容器参数随时间的推移容易发生变化，这会导致调谐频率发生偏移，从而影响实际的滤波性能。有源滤波与混合有源滤波技术能从根本上解决上述无源滤波存在的问题，但这两种滤波技术的实施通常需要备有大容量谐波补偿源和全控型功率器件，且谐波跟踪与控制方式比较复杂，这使得有源滤波的应用目前主要停留在中低压领域，在高压领域（特别是高压直流输电领域）鲜有应用。多重化滤波是另外一种谐波抑制技术，主要应用于大功率工业整流供电系统。它主要是通过换流器的多重化联结（12脉波、18脉波、24脉波等），使得由每个换流桥产生的主要含量的特征谐波电流在电网侧的汇流处通过移相作用而相互抵消，从而降低电网侧的谐波含量。这种滤波方式需要多个换流桥的串/并联协调运行，这在一定程度上降低了电力电子器件的使用效率。特别值得指出的是，上述滤波方式无论是无源滤波、有源滤波还是多重化滤波，主要用来解决谐波与无功对电网的不良影响，但对于电网所连接的供电系统自身而言，并未取得有益改善。由非线性负荷产生的谐波与无功分量在供电系统中自由流通而未得到任何的抑制，这不仅恶化了供电系统中主设备的电磁环境，增加了主设备的附加损耗、振动与噪音，而且降低了系统稳定性与运行效率。

发明内容

为了消除系统阻抗对电力滤波效能的制约作用，解决电网侧与非线性负载侧频率波动对电力滤波性能的影响；同时，为了在保证电网侧电能质量满足国标的前提下，有效解决谐波与无功功率对工业配用电系统自身带来的诸如谐波污染严重、主设备附加损耗大、振动与噪音大、系统功率因数低、系统运行效率低等一系列问题，本发明提出了一种自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混成系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括多目标混合控制器、整流变压器、具有自动谐振功能的特征谐波滤波器、晶闸管可控电抗器、二阶高通滤波器、并联电力电容器、整流变压器一次侧的电压与电流测量装置、特征谐波滤波器总支路上的电压与电流测量装置。其中，所述整流变压器的低压绕组侧接整流器、中压绕组侧接自动谐振式电力滤波与连续无功补偿系统、高压绕组侧与工业配电网相连接；所述多目标混合控制器的控制输入端接整流变压器一次输出侧的电压与电流装置、以及特征谐波滤波器总支路上的电压与电流装置，而控制输出端与特征谐波滤波支路上的磁饱和式可控电抗器、以及用于进行连续无功补偿度调节的晶闸管可控电抗器相连接。

在无功功率就近补偿方面，首先，根据所测量的整流变压器一次侧交流电压与电流，计算该侧的基波功率因数和无功功率，然后判断该功率因数是否大于期望值，如果大于期望值，则保持晶闸管可控电抗器的当前触发角不变，如果小于期望值，则将整流变压器一次侧的无功功率等值换算至整流变压器的中压侧，以确定动态混合滤波和连续无功补偿系统需要提供的无功补偿的实际容量，然后，考虑自动谐振式滤波支路、二阶高通滤波器和并联电容器各自提供的固定无功补偿容量，进一步计算无功缺口，据此确定晶闸管可控电抗器的无功功率补偿度，最后，输出实际的触发控制角，以控制晶闸管可控电抗器的实际输出等值电抗值。

在谐波电流就近动态抑制方面，首先，根据自动谐振式滤波支路侧的交流电压和电流测量值，通过离散傅立叶分解，计算h次谐波频率下谐波电压与电流的相角，其中，h = 5, 7, 11, 13，并判断h次谐波频率下的电压与电流相角差Δφ是否为0，如果判定为0，则维持该次谐波自动谐振式滤波支路的晶闸管触发角不变，如果判定不为0，则进一步判断该次谐波电压与谐波电流的相角差Δφ是否满足0<Δφ <5o，如果判定满足，则继续维持该次谐波自动谐振式滤波支路的晶闸管触发角不变，如果判定不满足，则将该相角差输入至PI调节环节，然后输出实际的晶闸管触发角，以调节磁饱和电抗器的输出电抗值，使得该电抗值与该条支路上的串联电容器的电容值相匹配，以达到完全谐振或近似谐振的状态。

本发明的技术效果是：

（1）、通过对所述整流变压器进行特殊的绕组布置和阻抗设计，使得该整流变压器中压侧所连接的特征谐波滤波器在特定次谐波频率下可完全达到串联谐振状态，而不必考虑系统阻抗的影响以进行繁琐的偏调谐设计，这能从根本上摆脱系统阻抗对滤波效能的制约作用；

（2）、即使非线性负载侧或电网侧发生频率波动，在所述多目标混合控制器的作用下，特征谐波滤波器在5、7、11、13次谐波频率下的综合谐波电抗始终为0或近似为0（综合谐波电抗略呈感性），这能从根本上保证对主要特征谐波电流的抑制性能；

（3）、具有双向谐波屏蔽功能，所述的特征谐波滤波器和二阶高通滤波器，能同时吸收来自非线性负载侧和来自晶闸管可控电抗器侧的谐波电流，使得谐波电流被屏蔽于靠近谐波源处，这样，缩短了谐波电流的流通路径，使得所述整流变压器一次侧绕组以及电网侧的谐波电流含量很小，呈良好的正弦性；

（4）、能在靠近非线性负载侧，实现无功功率的就近动态补偿，使得由非线性负载产生的无功分量不会串扰至所述整流变压器的一次绕组侧以及电网侧，且在所述多目标混合控制器的作用下，即使非线性负载发生波动，所述整流变压器一次绕组侧和电网侧的功率因数始终维持在期望值（0.95以上）；

（5）、由于谐波和无功均在靠近非线性负载侧得到就近抑制和补偿，这不仅降低了所述整流变压器的附加损耗、温升、振动与噪音，而且实现了整个工业整流供电系统的高功率因数和高效率稳定运行。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是本发明的控制流程图。

图3是本发明在多谐波源情形下的等值电路图。

图1中各部件说明如下：

1：整流变压器， 2：动态混合滤波和连续无功补偿系统， 3：多目标混合控制器, 4：动态混合滤波系统, 5：晶闸管可控电抗器, 6：并联电容器, 7：5次谐波自动谐振式滤波支路, 8：7次谐波自动谐振式滤波支路, 9：11次谐波自动谐振式滤波支路, 10：13次谐波自动谐振式滤波支路, 11：二阶高通滤波器, 12：整流变压器一次侧交流电流测量装置, 13：整流变压器一次侧交流电压测量装置, 14：自动谐振式滤波器侧的交流电压测量装置, 15：自动谐振式滤波器侧的交流电流测量装置, 16：整流器, 17：可变直流负载, 18：电网侧等值交流电源。

图3中各部件说明如下：

19：整流变压器的基波等值电路，20：自动谐振式电力滤波与连续无功补偿系统在基波频率下的等值电路。

具体实施方式

参见图1，整流变压器1的低压绕组采用同相逆并联的三角形接线方式，并外接整流器16，以满足可变直流负载17的低压大电流供电需求。中压绕组采用三角形接线方式，并外接动态混合滤波和连续无功补偿系统2；高压绕组采用星型接线方式，并与电网侧等值交流电源18（工业配电系统或者外部电网）相连接。

动态混合滤波和连续无功补偿系统2包含有动态混合滤波系统4、晶闸管可控电抗器5和并联电容器6。其中，动态混合滤波系统4由5次谐波自动谐振式滤波支路7、7次谐波自动谐振式滤波支路8、11次谐波自动谐振式滤波支路9、13次谐波自动谐振式滤波支路10、以及二阶高通滤波器11共同组成，用于同时滤除来自整流器16侧和晶闸管可控电抗器5侧的主要特征谐波电流（5、7、11、13次谐波电流）和高次谐波电流（17次以上谐波电流）。另外，该动态混合滤波系统4在基波频率下等值阻抗呈容性，通过与晶闸管可控电抗器5和并联电容器6的协调配合，实现对整流器16侧无功功率的动态连续补偿。

多目标混合控制器3的输入端分别与整流变压器一次侧交流电流测量装置12、整流变压器一次侧交流电压测量装置13、自动谐振式滤波器侧的交流电压测量装置14、自动谐振式滤波器侧的交流电流测量装置15连接；输出端产生的晶闸管触发角控制信号分别用于控制各自动谐振式滤波支路（7、8、9、10）中的磁饱和可控电抗器控制绕组所连接的晶闸管整流电路、以及晶闸管可控电抗器5中与电抗器双向串联的晶闸管整流电路。

多目标混合控制器3的控制目标是，不管供电系统的运行方式如何变化，动态混合滤波和连续无功补偿系统2在5、7、11、13次谐波频率下始终处于谐振或近似处于谐振状态（总阻抗在这些次谐波频率下略呈感性），以动态协调整流变压器1中压侧绕组在这些次谐波频率下的谐波等值阻抗，实现多谐波源处谐波电流的就近双向抑制。同时，通过在线监测整流变压器1的一次侧（电网侧）的功率因数和无功功率，间接跟踪整流器16侧的无功功率变化，动态连续地就近补偿负载侧的无功功率，从而使得整流变压器一次侧（电网侧）的功率因数始终维持在0.95以上。

图2所示为多目标混合控制器3的控制流程图，具体方法如下：

（1）、在无功功率就近补偿方面，首先，根据所测量的整流变压器一次侧交流电压与电流，计算该侧的基波功率因数和无功功率，然后判断该功率因数是否大于期望值（0.95），如果大于期望值，则保持晶闸管可控电抗器5的当前触发角不变，如果小于期望值，则将整流变压器一次侧的无功功率等值换算至整流变压器1的中压侧，以确定动态混合滤波和连续无功补偿系统2需要提供的无功补偿的实际容量，然后，考虑自动谐振式滤波支路（7、8、9、10）、二阶高通滤波器11和并联电容器6各自提供的固定无功补偿容量，进一步计算无功缺口，据此确定晶闸管可控电抗器的无功功率补偿度，最后，输出实际的触发控制角，以控制晶闸管可控电抗器5的实际输出等值电抗值；

（2）、在谐波电流就近动态抑制方面，首先，根据自动谐振式滤波支路（7、8、9、10）侧的交流电压和电流测量值，通过离散傅立叶分解，计算h（h=5, 7, 11, 13）次谐波频率下谐波电压与电流的相角，并判断h次谐波频率下的电压与电流相角差Δφ是否为0，如果判定为0，则维持该次谐波自动谐振式滤波支路的晶闸管触发角不变，如果判定不为0，则进一步判断该次谐波电压与谐波电流的相角差Δφ是否满足0<Δφ <5o，如果判定满足，则继续维持该次谐波自动谐振式滤波支路的晶闸管触发角不变，如果判定不满足，则将该相角差输入至PI（比例-积分）调节环节，然后输出实际的晶闸管触发角，以调节磁饱和电抗器的输出电抗值，使得该电抗值与该条支路上的串联电容器的电容值相匹配，以达到完全谐振或近似谐振（该支路等值阻抗略呈感性）的状态。

下面根据图3阐述本发明在具体实施时的阻抗布置。若考虑整流器16（谐波源）侧产生的h次（h=5，7,11,13）特征谐波电流I_Lh，则自动谐振式电力滤波与连续无功补偿系统的基波等值电路20在h次谐波频率下表征出的总谐波阻抗Z_FCh可表示为：

(1)

由整流器16（谐波源）侧产生的h次谐波电流I_Lh馈入至电网侧（整流变压器1的一次侧）所导致的电网侧h次谐波电流的含量I_Sh，也即整流变压器1的一次侧绕组存在的h次谐波电流I_1h，可表示为：

Figure 2011102810550100002DEST_PATH_IMAGE002

(2)

若考虑晶闸管可控电抗器5（谐波源）侧产生的h次谐波电流I_LCh，则整流变压器的基波等值电路19和电网侧系统阻抗Z_S在h次谐波频率下表征出的总谐波阻抗Z_RSh可表示为：

(3)

由晶闸管可控电抗器5（谐波源）侧产生的h次谐波电流I_LCh馈入至电网侧（整流变压器1的一次侧），所导致的电网侧h次谐波电流的含量I_Sh可表示为：

Figure 2011102810550100002DEST_PATH_IMAGE004

（4）

由公式（2）可知，当考虑负载侧（整流器16侧）产生的h次谐波电流I_Lh，若使得馈入至电网侧以及整流变压器1的一次侧绕组中h次谐波电流含量很小的话，只需保证由整流变压器1的中压侧绕组等值阻抗Z₃和动态混合滤波系统4的h次谐波总阻抗远远小于整流变压器1的一次侧（高压侧）绕组等值阻抗Z₁和电网侧系统阻抗Z_S，即（hZ ₃+Z _FCh）<<（hZ ₁+hZ _S）。在具体实施时，只需确保整流变压器1的中压侧绕组等值阻抗Z₃设计为等于或近似等于0，同时，自动谐振式电力滤波与无功补偿系统2在h次谐波频率下的总等值阻抗Z_FCh等于或近似等于0。进一步地，由公式（1）可知，只需确保动态混合滤波系统4在h次谐波频率下达到谐振或近似达到谐振（稍偏感性阻抗）即可，这可通过本发明的多目标混合控制器3的动态谐振调节策略（见图2）来实现。

由公式（4）可知，当考虑晶闸管可控电抗器5侧产生的h次谐波电流I_LCh，若使得馈入至电网侧以及整流变压器1的高中低压绕组中的h次谐波电流含量很小的话，只需保证动态混合滤波系统4在h次谐波频率下的等值阻抗等于或近似等于0，也即在h次谐波频率下达到谐振或近似达到谐振（稍偏感性阻抗），这同样可由本发明的多目标混合控制器3的动态谐振条件策略（见图2）来实现。

综上所述，无论h次（h=5,7,11,13）谐波电流来自于负载侧（整流器16侧）还是来自于晶闸管可控电抗器5侧，只需在阻抗设计时，使得整流变压器1的中压侧绕组等值阻抗等于或近似等于0，同时，动态混合滤波系统4在多目标混合控制器3的控制作用下，h次谐波频率下的等值阻抗等于或近似等于0，则可保证电网侧以及整流变压器1的一次侧（高压侧）绕组中h次谐波电流的含量很小。也就是，满足如下阻抗约束条件：

Figure 2011102810550100002DEST_PATH_IMAGE005

（5）

其中，Z₁₃、Z₂₃、Z₁₂分别表示整流变压器高压绕组侧与中压绕组侧、低压绕组侧与中压绕组侧、高压绕组侧与低压绕组侧之间的短路阻抗，可由变压器短路试验测得。在实际的整流变压器设计时，只需调节这三个绕组之间的轴向和辐向尺寸，即可使得Z₃等于或者近似等于0。Z_C和Z_L是自动谐振式滤波支路中的固定电力电容器和磁饱和电抗器的基波等值阻抗，其中，Z_L的输出电抗值是可变的，且受到多目标混合控制器3的控制。

另外，值得说明的是，本发明不仅包括对5、7、11、13次特征谐波电流采取的自动谐振式滤波，还包括对高次谐波电流采取的无源滤波。当h为17、19等更高次谐波次数时，二阶高通滤波器11的等值谐波阻抗呈低阻抗特性，能在一定程度上同时滤除来自负载侧（整流器16侧）和来自晶闸管可控电抗器5侧的高次谐波电流。

在基波频率下，自动谐振式滤波支路（7、8、9、10）、二阶高通滤波器11、并联电容器6各自的基波等值阻抗均呈容性，而晶闸管可控电抗器5的基波等值阻抗呈感性。通过固定的容性阻抗和可变的感性阻抗的相互协调，实现在靠近整流器16侧就近动态补偿整流器的无功功率消耗。多目标混合控制器3的控制目标之一是实现无功功率的就近补偿，控制流程见上述说明以及图3。在具体实施动态连续无功功率调节时，可首先计算整流变压器1的一次侧（电网侧）的功率因数和无功功率，并等值转换至整流变压器1的中压侧，获取动态混合滤波和连续无功补偿系统2需要提供的总的无功补偿容量Q_FC，然后按公式（6）确定晶闸管可控电抗器5需要输出的基波等值电抗值：

Figure 2011102810550100002DEST_PATH_IMAGE006

（6）

其中，V₃是整流变压器1的中压侧线电压有效值；Z_C、Z_L分别是单个自动谐振式滤波支路（7、8、9、10）上的电容器和电抗器的基波等值阻抗；Z_HP、Z_CC、Z_LC分别是二阶高通滤波器11、并联电容器6和晶闸管可控电抗器5的基波等值阻抗。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混成系统，其特征在于：包括多目标混合控制器、整流变压器、具有自动谐振功能的特征谐波滤波器、晶闸管可控电抗器、二阶高通滤波器、并联电容器、整流变压器一次侧交流电流测量装置、整流变压器一次侧交流电压测量装置、自动谐振式滤波器侧的交流电压测量装置、自动谐振式滤波器侧的交流电流测量装置，所述整流变压器的低压绕组侧与整流器连接，中压绕组侧与动态混合滤波和连续无功补偿系统连接，高压绕组侧与电网侧等值交流电源连接；所述多目标混合控制器的输入端分别与整流变压器一次侧交流电流测量装置、整流变压器一次侧交流电压测量装置、自动谐振式滤波器侧的交流电压测量装置、自动谐振式滤波器侧的交流电流测量装置连接；所述多目标混合控制器的输出端与各次谐波自动谐振式滤波支路上的磁饱和式可控电抗器、以及晶闸管可控电抗器连接。

2.根据权利要求1所述的自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混成系统，其特征在于：在无功功率就近补偿方面，首先，根据所测量的整流变压器一次侧交流电压与电流，计算该侧的基波功率因数和无功功率，然后判断该功率因数是否大于期望值，如果大于期望值，则保持晶闸管可控电抗器的当前触发角不变，如果小于期望值，则将整流变压器一次侧的无功功率等值换算至整流变压器的中压侧，以确定动态混合滤波和连续无功补偿系统需要提供的无功补偿的实际容量，然后，考虑各次谐波自动谐振式滤波支路、二阶高通滤波器和并联电容器各自提供的固定无功补偿容量，进一步计算无功缺口，据此确定晶闸管可控电抗器的无功功率补偿度，最后，输出实际的触发控制角，以控制晶闸管可控电抗器的实际输出等值电抗值。

3.根据权利要求1所述的自动谐振式电力滤波与连续无功补偿混合系统，其特征在于：在谐波电流就近动态抑制方面，首先，根据各次谐波自动谐振式滤波支路的交流电压和电流测量值，通过离散傅立叶分解，计算h次谐波频率下谐波电压与电流的相角，其中，h = 5, 7, 11, 13，并判断h次谐波频率下的电压与电流相角差Δφ是否为0，如果判定为0，则维持该次谐波自动谐振式滤波支路的晶闸管触发角不变，如果判定不为0，则进一步判断该次谐波电压与谐波电流的相角差Δφ是否满足0<Δφ <5o，如果判定满足，则继续维持该次谐波自动谐振式滤波支路的晶闸管触发角不变，如果判定不满足，则将该相角差输入至PI调节环节，然后输出实际的晶闸管触发角，以调节磁饱和电抗器的输出电抗值，使得该电抗值与该条支路上的串联电容器的电容值相匹配，以达到完全谐振或近似谐振的状态。