CN104600702B - 一种集成电抗器的感应调控滤波系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成电抗器的感应调控滤波系统及其控制方法，所述系统包括相互连接的新型整流变压器和滤波支路；所述滤波支路包括串联连接的电压源型逆变器及无源调谐支路；所述新型整流变压器的高压侧绕组采用星形接线，直接与电网相连接，低压侧采用延边三角形接线；其中，低压侧延边绕组依次连接整流器和非线性负载，低压侧三角形绕组与延边绕组的交点与滤波支路中的无源调谐支路相连接。本发明可有效抑制新型整流变压器高压侧所产生的谐波电流，由于变压器集成了滤波电抗器，变压器与系统阻抗连接，从滤波支路来看，相当于增大了工业配电网的等效系统阻抗，因此可有效地提高无源调谐支路的抗谐振能力。

Description

一种集成电抗器的感应调控滤波系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及谐波治理领域，更具体地说，是涉及一种集成电抗器的感应调控滤波系统及其控制方法。

背景技术

工业配电网中非线性负载的大量使用，不可避免地引起谐波污染严重、功率因数低下以及电压闪变与不平衡等电能质量等问题。目前，在改善工业配用电系统电能质量方面的滤波技术主要有无源滤波、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，在电力系统中得到了广泛应用。但是，无源滤波器的滤波性能很容易受到系统阻抗的影响。在电网含有谐波电压的情况下，当电力网络结构发生变化时，无源滤波器的阻抗与系统阻抗可能会发生串/并联谐振，因此不仅影响供电系统稳定性，而且影响系统的滤波效果。另外，无源滤波器中采用的电抗器一般占地面积较大，且投资成本很高，这对于用地较为紧张的场合来说是一大难题。

为了解决无源滤波技术存在的不足，有源滤波与混合型有源滤波技术在电能质量治理领域得到了广泛的应用。有源滤波技术具有谐波跟随特性好、小容量情况下滤波效果好等优点，但是大容量化难度较大。混合有源滤波系统采用无源滤波与有源滤波技术相结合，无源部分补偿大功率非线性负载产生的大部分谐波，而有源部分补偿剩余的谐波并提高了谐波抑制的动态性能，因此混合有源滤波技术可有效地降低有源部分的容量。然而，有源滤波器和混合型有源滤波器也存在着占地面积较大的缺点。目前常用的无源滤波、有源滤波以及混合有源滤波设备中，谐波电流都会流经变压器等供电设备，这不仅使变压器工作在恶劣的电磁环境中，增加了变压器的附加损耗、振动与噪音，减少变压器的使用寿命，而且影响供电系统稳定性与运行效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提供一种集成电抗器的感应调控滤波系统及其控制方法，能够解决系统阻抗对无源滤波效果的影响，在保证电网侧电能质量满足国标的前提下，有效解决谐波和无功对变压器带来的诸如谐波污染严重、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，同时解决目前工业配电网中使用的滤波设备占地面积较大的缺点。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种集成电抗器的感应调控滤波系统，包括相互连接的新型整流变压器和滤波支路；

所述滤波支路包括串联连接的电压源型逆变器及无源调谐支路；

所述新型整流变压器的高压侧绕组采用星形接线，直接与电网相连接，低压侧采用延边三角形接线；其中，低压侧延边绕组依次连接整流器和非线性负载，低压侧三角形绕组与延边绕组的交点与滤波支路中的无源调谐支路相连接；

所述无源调谐支路由三个5次单调谐电路组成，新型整流变压器中的低压侧三角形绕组与低压侧延边绕组的每一个交点连接一个5次单调谐电路；

每个5次单调谐电路包括依次串联的5次滤波空心电抗器和电容；所述5次滤波空心电抗器集成于新型整流变压器内部。

进一步地，所述5次滤波空心电抗器包括缠绕于新型整流变压器的铁芯上的两个绕组，所述两个绕组的同名端相反，在铁芯上相互隔开一段距离设置且关于铁芯的中点对称分布；两个绕组与高压侧绕组之间的感应电动势大小相同、方向相反，且两个绕组与低压侧延边绕组之间的感应电动势大小相同、方向相反。

进一步地，所述低压侧三角形绕组的等值漏抗近似于零。

进一步地，所述低压侧三角形绕组的等值漏抗为零，所述低压侧三角形绕组的等值阻抗为零。

进一步地，所述电压源型逆变器为两电平逆变器、三电平逆变器或多电平逆变器。

进一步地，所述滤波支路还包括与电压源型逆变器连接的控制电路。

一种控制以上所述的集成电抗器的感应调控滤波系统的方法，包括：

S1、电网侧a相电压经过锁相环产生一个同步角，为控制电路提供参考信号；

S2、电网侧三相电压及三相电流经过DQ变换后分别得到DQ坐标下的电压和电流，在经过p、q运算电路后得到瞬时有功功率和瞬时无功功率，再经过高通滤波器后，得到瞬时有功功率及瞬时无功功率的直流分量；

S3、实测直流电压值与参考值之差经PI调节器注入瞬时无功功率的直流分量；

S4、将得到的瞬时有功功率及瞬时无功功率的直流分量经过谐波电流检测电路得到谐波电流在DQ坐标系的分量，经过反DQ变换转化为ABC坐标系下的三相谐波电流指令；

S5、将三相谐波电流指令与虚拟电阻相乘，并将输出信号经过PWM信号模块，得到电压源型逆变器的控制信号，输入到电压源型逆变器中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中新型整流变压器内部集成了5次滤波空心电抗器，采用特殊的绕组排布有效避免各绕组间存在功率耦合现象而影响滤波效果；新型整流变压器外部配相应的电容器组成无源调谐支路，节省了原有铁芯电抗器的占地面积，因此有效地减小了滤波装置的体积，从而可以大大节约投资成本。

充分利用了无源滤波、有源滤波和感应滤波各自的技术优势，5次单调谐电路在基波频率下呈容性，起主要的谐波抑制作用，且承受了大部分基波电压；电压源型逆变器仅承受少量的谐波电压，因此电压源型逆变器部分的容量将会大大减少，从而减少投资成本；无源调谐支路和电压源型逆变器接在变压器的延边绕组与三角形绕组的交点处，其位置最为接近谐波源，可从谐波流通路径上对谐波加以抑制，因此可有效地减少谐波对变压器带来的诸如振动与噪音、损耗大等不利影响。

电压源型逆变器与无源调谐支路串联，起辅助滤波作用；它能解决无源调谐支路对谐波跟随性不足问题，提高无源调谐支路的滤波效果。

本发明可有效抑制新型整流变压器高压侧所产生的谐波电流，由于变压器集成了滤波电抗器，变压器与系统阻抗连接，从滤波支路来看，相当于增大了工业配电网的等效系统阻抗，因此可有效地提高无源调谐支路的抗谐振能力。

附图说明

图1是本发明所述的一种集成电抗器的感应调控滤波系统的结构框图；

图2是本发明中新型整流变压器的绕组排布结构的局部剖面示意图；

图3是本发明中新型整流变压器的绕组互感关系示意图；

图4是本发明所述的一种集成电抗器的感应调控滤波系统控制方法的流程示意图。

附图标记：

新型整流变压器1 滤波支路2 5次滤波空心电抗器3

无源调谐支路4 5次单调谐电路5 电压源型逆变器6

电网7 整流器9 高压绕组10

低压侧三角形绕组11 低压侧延边绕组12 铁芯14

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明所述的一种集成电抗器的感应调控滤波系统及其控制方法作进一步说明。

以下是本发明所述的一种集成电抗器的感应调控滤波系统及其控制方法的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。

请参考图1，图中示出了一种集成电抗器的感应调控滤波系统，包括相互连接的新型整流变压器1和滤波支路2。所述滤波支路2包括串联连接的电压源型逆变器6及无源调谐支路4，所述电压源型逆变器6连接有控制电路。视系统的补偿容量而定，电压源型逆变器6可选择采用两电平、三电平和多电平三相逆变器中的任一种，可满足不同场合需要。

所述新型整流变压器1的高压侧绕组采用星形接线，直接与电网7相连接，低压侧采用延边三角形接线；其中，低压侧延边绕组依次连接整流器9和非线性负载，低压侧三角形绕组与延边绕组的交点与滤波支路2中的无源调谐支路4相连接。

具体地，所述无源调谐支路4由三个5次单调谐电路5组成，新型整流变压器1中的低压侧三角形绕组与低压侧延边绕组的每一个交点连接一个5次单调谐电路5；每个5次单调谐电路5包括依次串联的5次滤波空心电抗器3和电容；所述5次滤波空心电抗器3集成于新型整流变压器1内部。

下面结合附图简要介绍5次滤波空心电抗器3集成于新型整流变压器1内部的排布方式及其工作原理。

如图2所示，所述5次滤波空心电抗器3包括缠绕于新型整流变压器1的铁芯14上的两个绕组，所述两个绕组的同名端相反，在铁芯14上相互隔开一段距离设置且关于铁芯14的中点对称分布。具体地，以往的整流变压器包括铁芯14，以及由内至外依次绕设于铁芯14上的低压侧延边绕组12、低压侧三角形绕组11和高压绕组10。本发明中使用的新型整流变压器1在此基础上进行了改进，还包括绕设于低压侧延边绕组12和铁芯14之间的两个绕组构成的5次滤波空心电抗器3。

进一步地，5次滤波空心电抗器3的两个绕组与高压侧绕组10之间的感应电动势大小相同、方向相反，且两个绕组与低压侧延边绕组12之间的感应电动势大小相同、方向相反。因此，两个绕组与高压侧绕组10和低压侧延边绕组12之间的感应电动势相互抵消，从而使5次滤波空心电抗器3与高压侧绕组10和低压侧延边绕组12之间没有功率耦合，提高了无源调谐支路4的滤波效果。此外，由于5次滤波空心电抗器3通过特殊的绕组排布集成于新型整流变压器1内部，因此可以最大限度地减小感应调控滤波系统的体积、继而大大地节约了滤波成本。

图3示出了新型整流变压器1中各绕组间的互感关系，其中，绕组A为新型整流变压器1内部的高压侧绕组10或者低压侧延边绕组12，绕组B和绕组C分别为5次滤波空心电抗器3的两个绕组。由图可知各绕组之间的互感关系为：

M₁₂＝-M₁₃；M₂₁＝-M₃₁；

其中，M₁₂为绕组A对绕组B的互感系数，M₁₃为绕组A对绕组C的互感系数，M₂₁为绕组B对绕组A的互感系数，M₃₁为绕组C对绕组A的互感系数。

流经绕组A的电流I₁在空间中可产生磁场，与绕组B和绕组C产生的磁链分别ψ₂₁、ψ₃₁，因此，电流I₁在绕组B和绕组C上产生的感应电动势分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_2=-\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{21}}{\mathrm{dt}}\\ E_3=-\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{31}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.$

其中，E₂为电流I₁在绕组B上产生的感应电动势，E₃为电流I₁在绕组C上产生的感应电动势。

根据磁链与互感的关系可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{21}=M_{21}{I}_1\\ {\mathrm{\ψ}}_{31}=M_{31}{I}_1\end{array}\right.$

结合上述几式，可得流经绕组A的电流I₁在绕组B和绕组C上的电动势之和：

$E_{231}=E_{21}+E_{31}=-(M_{21}+M_{31})\frac{d{I}_1}{\mathrm{dt}}=0;$

同理可知对于绕组A，流经绕组B和绕组C的电流I₂在绕组A上的感应电动势之和：

$E_{123}=E_{12}+E_{13}=-(M_{12}+M_{13})\frac{d{I}_2}{\mathrm{dt}}=0;$

所以绕组A与绕组B和绕组C之间存在着电磁耦合，但由于本发明中特殊的绕组排列方式使两绕组彼此感应电动势均为0，即无功率耦合，由此实现了两段滤波电抗器与高、低压供电绕组间的解耦。本发明采用在空间上将5次滤波空心电抗器3的两个绕组相隔一定的距离分布，使两个绕组的互感接近于0，从而也实现了两段集成滤波空心电抗器间无功率耦合的目标。

在实际应用中，5次单调谐电路5除可以抑制5次谐波外，还可以与电压源型逆变器6配合，屏蔽7、11、13次谐波。在滤波支路2中，5次单调谐电路5承受大部分基波电压，起主要滤波和无功补偿作用，而电压源型逆变器6仅承受少量的谐波电压，因此可以有效地降低有源部分的补偿容量，从而可以最大限度地节约投资成本。此外还改善了无源调谐支路4的滤波性能，提高系统实时滤波特性，并降低工业配电网系统与无源调谐支路4发生串/并联谐振的可能性，提高系统稳定性。所述新型整流变压器1采用特殊的绕组排布和阻抗设计使得低压侧三角形绕组的等值阻抗和等值漏抗接近于零，低压侧三角形绕组与无源调谐支路4连接，对特征次谐波构成了接近零阻抗的谐波短路环，相当于“超导回路”，使得特征次谐波磁通在新型整流变压器1的铁芯中被大大抑制，从而使新型整流变压器1的高压侧绕组中不含有谐波电流，实现了从根本上治理谐波的目的。因此本发明可有效解决谐波对变压器自身带来的诸如谐波污染严重、附加损耗大、振动与噪音大、运行效率低等一系列问题。

如图4所示，本发明还提供了一种控制以上所述的感应调控滤波系统的方法，该控制方法由连接于电压源型逆变器6上的控制电路实现。通过该控制方法，能够使电压源型逆变器6在检测到谐波时将反向谐波电流注入到电网7中，有效改善无源调谐支路4谐波跟随性不足的缺点。

具体地，所述控制方法包括以下步骤：

S1、电网侧a相电压u_sa经过锁相环PLL产生一个同步角θ，为控制电路提供参考信号；

S2、电网侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc及三相电流i_sa、i_sb、i_sc经过DQ变换后分别得到DQ坐标下的电压和电流u_d、u_q及i_d、i_q，在经过p、q运算电路后得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，再经过高通滤波器后，得到瞬时有功功率及瞬时无功功率的直流分量

S3、为了使电压源型逆变器稳定工作，将实测直流电压值V_dc与参考值V_dc*之差经PI调节器注入瞬时无功功率的直流分量从而使系统侧与电压源型逆变器的直流侧实现了有功交换，稳定了直流侧电压；

S4、将得到的瞬时有功功率及瞬时无功功率的直流分量经过谐波电流检测电路得到谐波电流在DQ坐标系的分量，经过反DQ变换转化为ABC坐标系下的三相谐波电流指令；

S5、将三相谐波电流指令与虚拟电阻K相乘，并将输出信号经过PWM信号模块，得到电压源型逆变器的控制信号，输入到电压源型逆变器中，从而控制电压源型逆变器产生补偿谐波。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种具体实施方式，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 (7)

1.一种集成电抗器的感应调控滤波系统，其特征在于：包括相互连接的新型整流变压器和滤波支路；

所述滤波支路包括串联连接的电压源型逆变器及无源调谐支路；

所述新型整流变压器的高压侧绕组采用星形接线，直接与电网相连接，低压侧采用延边三角形接线；其中，低压侧延边绕组依次连接整流器和非线性负载，低压侧三角形绕组与延边绕组的交点与滤波支路中的无源调谐支路相连接；

所述无源调谐支路由三个5次单调谐电路组成，新型整流变压器中的低压侧三角形绕组与低压侧延边绕组的每一个交点连接一个5次单调谐电路；

每个5次单调谐电路包括依次串联的5次滤波空心电抗器和电容；所述5次滤波空心电抗器集成于新型整流变压器内部。

2.根据权利要求1所述的集成电抗器的感应调控滤波系统，其特征在于：所述5次滤波空心电抗器包括缠绕于新型整流变压器的铁芯上的两个绕组，所述两个绕组的同名端相反，在铁芯上相互隔开一段距离设置且关于铁芯的中点对称分布；两个绕组与高压侧绕组之间的感应电动势大小相同、方向相反，且两个绕组与低压侧延边绕组之间的感应电动势大小相同、方向相反。

3.根据权利要求2所述的集成电抗器的感应调控滤波系统，其特征在于：所述低压侧三角形绕组的等值漏抗近似于零。

4.根据权利要求2所述的集成电抗器的感应调控滤波系统，其特征在于：所述低压侧三角形绕组的等值漏抗为零，所述低压侧三角形绕组的等值阻抗为零。

5.根据权利要求1所述的集成电抗器的感应调控滤波系统，其特征在于：所述电压源型逆变器为两电平逆变器、三电平逆变器或多电平逆变器。

6.根据权利要求1所述的集成电抗器的感应调控滤波系统，其特征在于：所述滤波支路还包括与电压源型逆变器连接的控制电路。

7.一种控制权利要求1所述的集成电抗器的感应调控滤波系统的方法，包括：

S1、电网侧a相电压经过锁相环产生一个同步角，为控制电路提供参考信号；

S2、电网侧三相电压及三相电流经过DQ变换后分别得到DQ坐标下的电压和电流，在经过p、q运算电路后得到瞬时有功功率和瞬时无功功率，再经过低通滤波器后，得到瞬时有功功率及瞬时无功功率的直流分量；

S3、将实测直流电压值与参考值之差经PI调节器叠加到瞬时无功功率的直流分量上；

S4、将得到的瞬时有功功率及瞬时无功功率的直流分量经过谐波电流检测电路得到谐波电流在DQ坐标系的分量，经过反DQ变换转化为ABC坐标系下的三相谐波电流指令；

S5、将三相谐波电流指令与虚拟电阻相乘，并将输出信号经过PWM信号模块，得到电压源型逆变器的控制信号，输入到电压源型逆变器中。