CN103269075B - 一种电感量可变的动态谐波滤波方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过动态调节电抗变换器的电感参数来保持动态谐波滤波器谐振频率稳定的自寻最优控制方法。本发明提供的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是电抗变换器的一次电抗绕组与二次电抗变换绕组由磁路耦合，电抗变换器的一次绕组与滤波电容器串联构成谐波滤波系统，通过自寻最优控制方法改变电抗变换器的一次绕组电感量可使谐波滤波器的工作状态保持在最优滤波效果。本发明能满足非线性负载滤波要求，在整体上能够有效地提高电能质量，节能降耗，保持电网清洁、电压稳定。
Description
技术领域
本发明涉及克服谐波危害，提高电能质量等技术领域，特别是涉及一种通过动态调节电抗变换器的电感参数来保持动态谐波滤波器谐振频率稳定的自寻最优控制方法。
背景技术
随着工业技术的快速发展，诸多非线性负荷，如大型电弧炉、电力机车、整流设备、变频装置、电镀电解设备、中高频感应加热设备、电池充电机、晶闸管温控加热设备、通讯设备、音像设备、变频器、计算机等接入电网，电网谐波含量逐年升高。电网谐波导致的各种危害日益突出，如增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率；产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热；引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行等。这些危害使我们认识到电力谐波进行治理刻不容缓。
中国专利“动态谐波滤波器”（申请号：200910063641.0）是用于在长期工作过程中保持滤波精度和滤波效果始终不变的设备，其主要是采用了无源滤波原理，使用自行研制的可变电抗器，通过电抗控制装置调节电抗器二次侧控制线圈电抗值从而改变其一次侧电抗值，一次侧电抗与滤波电容共同构成了无源调谐滤波器。中国专利“动态谐波滤波器电抗控制装置（申请号：201020590423.0）”提供了一种结构相对简单，性能稳定可靠的动态谐波滤波器电抗控制装置以控制可变电抗器的电抗参数。在滤波器的设计中，确定可变电抗器二次侧控制线圈电抗参数的方法无疑是最重要的，只有选择了最合理的方法才能使可变电抗器的电抗参数满足谐振频率的要求，保证动态谐波滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果始终不变。
自寻最优控制的方法在很多领域都有运用，例如中国专利“电站锅炉过热器再热器自寻最优热偏差工况方法（申请号：201010174321.5）”提供了一种电站锅炉过热器再热器自寻最优热偏差工况方法。
自寻最优控制方法是一个自动搜索的过程，使用时无需精确的被控对象数学模型表达式及控制量的给定值且搜寻的最优目标是不固定的。自寻最优控制要求被控对象具有单峰极值特性或其他非线性特性，极限值是漂移、非预知的，最优指标可测，系统可控。由于滤波支路和系统侧并联分流，当动态谐波滤波器在单次谐波频率下达到谐振时，系统中谐波电流达到最小值，滤波支路中谐波电流达到最大值即具有单极值特性。该最大值受到外界影响，变化的方向和大小都是不定的，因此得到这一最大值很困难。然而结合自寻最优控制容易发现，用这种控制方法对滤波后滤波支路的谐波电流进行控制使之搜寻最大值是非常合适的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对动态谐波滤波器的电抗参数如何控制调节以达到谐振频率的问题，提供一种确定可变电抗器一次侧电抗的方法，使得动态谐波滤波器调谐到期望频率，让动态谐波滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果始终不变。
本发明采用以下技术方案：一种电感量可变的动态谐波滤波方法，通过自寻优系统的自寻最优控制方法改变电抗变换器的一次电抗绕组电感量可使谐波滤波器的工作状态保持在最优滤波效果；自寻优系统使动态谐波滤波器中电抗变换器的电抗参数达到最优值控制，根据非线性负载谐波电流大小设定电容容量，再搜索出使LC串联谐振滤波电路达到谐振频率的电抗变换器一次绕组电抗参数，具体是：以滤波支路上的谐波电流作为目标参数，调节晶闸管相位控制电压作为控制量，检测谐波电流的大小，选取使滤波支路上谐波电流最大的控制电压作为最优的电压值，从而确定使LC串联谐振滤波电路能达到谐振频率的电抗变换器一次绕组电抗参数。
作为一种改进，其电抗变换器的一次电抗绕组与二次电抗变换绕组由磁路耦合，电抗变换器的一次电抗绕组与滤波电容器串联构成谐波滤波器。
作为一种改进，自寻优系统控制二次绕组晶闸管功率变换器的控制角，其控制输出移相脉冲触发反并联晶闸管组，通过移相控制来改变电抗变换器二次绕组电流，通过磁路耦合改变电抗变换器一次绕组的电流，从而改变电抗变换器一次绕组的电抗值。
作为一种改进，一次绕组电抗量与二次绕组晶闸管功率变换器的控制角改变，用以下公式实现：
其中，为一次绕组电抗量，为一次绕组和二次绕组线圈匝数比，ω为一次绕组的工作频率，为二次绕组电感量，为晶闸管功率变换器的控制角，为一次绕组初始工作时的电抗量。
作为一种改进，自寻优系统将谐波电流分为m个区间，每个区间设置对应的电容容量，处理器根据检测到的谐波电流大小进行分析并控制接触器的切换使对应区间的电容器接入电路中。
作为一种改进，电流互感器接入滤波支路中，检测滤波支路的电流参数。
作为一种改进，自寻优系统根据谐波电流在电路中的流向，当动态谐波滤波器在单次谐波频率下达到谐振时，滤波效果最好，系统中谐波电流达到最小值，滤波支路中谐波电流达到最大值，以投入动态谐波滤波器后滤波支路中的谐波电流最大为目标，确定控制电压的最优值。
作为一种改进，自寻优系统使二次绕组晶闸管功率变换器的控制电压U从0开始直到最大值时停止，以固定步长Δx递增，每次递增都与前一次保存的最大谐波电流进行比较，若谐波电流增加，则保存当前的控制电压值Ux和谐波电流值Ix。
作为一种改进，二次绕组晶闸管功率变换器的控制电压U与控制角成正比关系。
作为一种改进，自寻优系统每次递增后，为减小电流波动造成的影响，取m次检测谐波电流I的平均值。
本发明的有益效果：本发明提供的电抗变换器一次电抗绕组与二次电抗变换绕组的磁路耦合结构及其自寻优系统的自寻最优控制方法，在动态谐波滤波器的电感参数发生变化导致谐振频率漂移时，可动态调节电抗变换器的一次电抗来稳定谐振频率，同时降低谐波对电气设备的危害，并且提高电气设备在电网中运行的效率和使用寿命。
本发明能够根据谐波电流的变化确定电抗变换器一次绕组的最优电抗值，并且具有以下主要的优点：
1. 将电流互感器接在滤波支路，检测滤波支路上的谐波电流，通过自寻优系统调节动态谐波滤波器从滤波支路吸收最大的谐波电流，达到最佳滤波效果。控制思路简单直观，便于时刻监测动态谐波滤波器效果，自适应能力更强；
2. 自寻优系统采用自寻最优控制方法，免去了电容与电抗参数繁复的检测和计算问题，只需采集线路中的电流量，而无需采集电压量，原理更简单，效果更明显；
3. 同样电力线路的电压变化对自寻优系统的自寻最优控制法的影响不大，这是因为自寻最优控制法直接针对电力线路进行滤波效果控制，任何导致系统谐波增加的扰动都会引起控制系统开始最优搜索，不必考虑电抗变换器自身产生的谐波以及电路参数造成的干扰等问题，自适应能力更强。
附图说明
图1是本发明的动态谐波滤波器的电路图。
图2是本发明的自寻优系统的自寻最优控制方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
如图1、2所示，为发明电感量可变的动态谐波滤波方法具体实施例。该实施例包括：电抗变换器一次电抗绕组与二次电抗变换绕组的磁路耦合结构及其自寻优控制系统，其中，自寻优控制系统的自寻最优控制方法为全局最优化方法，具体针对如何确定晶闸管相位控制电压间接调节电抗变换器一次绕组的电抗，使得动态谐波滤波器的电容和电抗匹配以达到谐振频率且系统在运行过程中能在当前参数下自寻最优的运行方式，以保证动态谐波滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果始终不变。其步骤为：
步骤1：用户首先确定谐波次数n。电网中不同次数的谐波电流的大小不同，但滤波时都需使LC串联谐振滤波电路产生谐振，即控制动态谐波滤波器电容和电抗参数使其达到谐振频率。用户选定的谐波次数n经动态谐波滤波器电抗控制装置中的触摸屏输入处理器中，处理器将谐波采集模块检测到的该次谐波电流I0的大小反映至触摸屏上；
步骤2： 根据滤波前的谐波电流大小I0设定投入的电容容量。将谐波电流I0的大小分为m个区间，每个区间设置对应的电容容量，处理器根据检测到的谐波电流大小分析所在区间并控制电容接触器的关断使对应区间的电容器入。I0较小时，选择投入较小容量电容；I0较大时，选择投入较大容量电容；
步骤3： 投入电容后，通过调节晶闸管功率变换器的控制角，间接控制电抗变换器一次绕组电抗，搜索电抗变换器一次绕组电抗的最优工作点，一次绕组电抗量与二次绕组晶闸管功率变换器的控制角之间的关系为。在动态谐波滤波器电抗控制装置中，通过触发脉冲发生器，用电压信号控制晶闸管的导通，改变电抗变换器二次绕组的电抗，间接改变电抗变换器一次绕组电抗，使得电抗可调。为使系统中谐波电流达到最小值，应控制电抗变换器一次绕组电抗使得滤波支路中的谐波电流最大。以滤波支路中谐波电流作为被控对象I，晶闸管相位控制电压为控制量U，通过改变控制量，测量由于控制量的改变引起被控对象I变化。具体是：
步骤3.1： 通过触摸屏输入控制电压值，设置控制电压U的初值为U0=0，控制器将U0输入触发脉冲发生器，控制晶闸管的导通角，改变电抗变换器一次绕组电抗参数，检测此时滤波支路中的谐波电流I0为初始值并储存起来；
步骤3.2： 以Δx为步长开始递增。自增一次后，为减小电流波动造成的影响，取m次检测谐波电流I的平均值I*，与初始值I0进行比较，若谐波电流增加，则保存当前的控制电压值Ux和谐波电流值Ix做下一步处理；
步骤3.3： 控制电压在上一步的基础上再次Δx为步长自增，将检测到的谐波电流平均值与上步保存的Ix作比较，若谐波电流增加，则保存当前的控制电压值Ux和谐波电流值Ix；
步骤3.4： 重复上述步骤直到控制电压自增到最大值Umax；
步骤4 读取此时的控制电压值Ux，即为最优值。将此电压值设定到自寻优系统中，自寻优处理器控制动态谐波滤波器电抗控制装置的触发脉冲发生器的输出，此时的控制电压能调节晶闸管的导通角，改变电抗变换器二次绕组的电抗并间接使电抗变换器一次绕组电抗与之前设定的电容值匹配，达到LC串联谐振滤波电路的谐振频率，而此时滤波支路中的谐波电流最大而系统侧的谐波电流最小，动态谐波滤波器的滤波效果最好。
当动态谐波滤波器在运行中，若由于外界扰动（如负载的变化），谐波电流会发生较大变化，导致与滤波电容参数不匹配从而影响谐振频率，这时需要重复上述步骤，根据此时的谐波电流的大小重新选择电容并自寻电抗变换器电抗参数的最优值。同时，随温度变化和时间推移，电容器的容量会发生变化，电容也随之改变，若电抗变换器一次绕组的电抗不变，则实际谐振频率会发生静态特性的漂移，滤波效果将受到较大的影响。此时应重新调整电抗变换器一次绕组的电抗，自寻电抗变换器电抗参数的最优值。
自寻最优控制法需多次试探改变输入，并对输出进行判断，所以从调节过程来看，该控制方法的稳定过程稍长。
本发明方法可通过触摸屏脚本程序实现，触摸屏采用北京昆仑通态的TPC7062K，通过MCGS 工控组态软件户能根据自己的控制对象和控制目的任意组态，可同时设置和显示谐波电流、晶闸管相位控制电压、电容器容量等参数。脚本程序的编程语法非常类似于普通的Basic 语言，方便用户操作。
上述实施例中：电抗变换器是指可实现无级调控的电抗装置，其一次绕组为主绕组接入主电路，二次绕组为控制绕组，通过控制二次绕组电抗间接控制一次绕组电抗。
Claims (8)
1.一种电感量可变的动态谐波滤波方法，通过自寻优系统的自寻最优控制方法改变电抗变换器的一次电抗绕组电感量使谐波滤波器的工作状态保持在最优滤波效果；自寻优系统使动态谐波滤波器中电抗变换器的电抗参数达到最优值控制，根据非线性负载谐波电流大小设定电容容量，再搜索出使LC 串联谐振滤波电路达到谐振频率的电抗变换器一次绕组电抗参数，具体是：以滤波支路上的谐波电流作为目标参数，调节晶闸管相位控制电压作为控制量，检测谐波电流的大小，选取使滤波支路上谐波电流最大的控制电压作为最优的电压值，从而确定使LC 串联谐振滤波电路能达到谐振频率的电抗变换器一次绕组电抗参数；自寻优系统控制二次绕组晶闸管功率变换器的控制角，其控制输出移相脉冲触发反并联晶闸管组，通过移相控制来改变电抗变换器二次绕组电流，通过磁路耦合改变电抗变换器一次绕组的电流，从而改变电抗变换器一次绕组的电抗值；一次绕组电抗量与二次绕组晶闸管功率变换器的控制角改变，用以下公式实现：
其中，为一次绕组电抗量，为一次绕组和二次绕组线圈匝数比，ω 为一次绕组的工作频率， 为二次绕组电感量，为晶闸管功率变换器的控制角，为一次绕组初始工作时的电抗量。
2.根据权利要求1 所述的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是：其电抗变换器的一次电抗绕组与二次电抗变换绕组由磁路耦合，电抗变换器的一次电抗绕组与滤波电容器串联构成谐波滤波器。
3.根据权利要求1 所述的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是：自寻优系统将谐波电流分为m 个区间，每个区间设置对应的电容容量，处理器根据检测到的谐波电流大小进行分析并控制接触器的切换使对应区间的电容器接入电路中。
4.根据权利要求1 所述的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是：电流互感器接入滤波支路中，检测滤波支路的电流参数。
5.根据权利要求1 所述的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是：自寻优系统根据谐波电流在电路中的流向，当动态谐波滤波器在单次谐波频率下达到谐振时，滤波效果最好，系统中谐波电流达到最小值，滤波支路中谐波电流达到最大值，以投入动态谐波滤波器后滤波支路中的谐波电流最大为目标，确定控制电压的最优值。
6.根据权利要求1 所述的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是：自寻优系统使二次绕组晶闸管功率变换器的控制电压U 从0 开始直到最大值时停止，以固定步长Δx递增，每次递增都与前一次保存的最大谐波电流进行比较，若谐波电流增加，则保存当前的控制电压值Ux 和谐波电流值Ix。
7.根据权利要求6 所述的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是：二次绕组晶闸管功率变换器的控制电压U 与控制角成正比关系。
8.根据权利要求3 所述的一种电感量可变的动态谐波滤波方法，其特征是：自寻优系统每次递增后，为减小电流波动造成的影响，取m 次检测谐波电流I 的平均值。
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