專利名稱：自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償混成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)與工業(yè)配用電系統(tǒng)的諧波治理與無功功率補償技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償混成系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
由于電力電子器件固有的非線性作用，在其應(yīng)用于電力系統(tǒng)與工業(yè)配用電系統(tǒng)時，不可避免地引起諧波污染嚴重、功率因數(shù)低下、電壓閃變與不平衡等電能質(zhì)量問題。目前，在改善電能質(zhì)量方面主要的濾波技術(shù)有無源濾波、有源濾波和混合有源濾波。其中，無源濾波由于裝置結(jié)構(gòu)比較簡單、設(shè)計與制造比較容易，且初期投資成本較低，在電力系統(tǒng)與工業(yè)配用電系統(tǒng)中得到了廣泛使用。然而，無源濾波器的濾波效能容易受到系統(tǒng)阻抗的制約。當(dāng)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，有可能引起濾波阻抗與系統(tǒng)阻抗間的串/并聯(lián)諧振，這不僅影響供電系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且限制了濾波性能的發(fā)揮。另外，無源濾波盡管能夠抑制特定次諧波，但對低次諧波具有放大作用，且電容器參數(shù)隨時間的推移容易發(fā)生變化，這會導(dǎo)致調(diào)諧頻率發(fā)生偏移，從而影響實際的濾波性能。有源濾波與混合有源濾波技術(shù)能從根本上解決上述無源濾波存在的問題，但這兩種濾波技術(shù)的實施通常需要備有大容量諧波補償源和全控型功率器件，且諧波跟蹤與控制方式比較復(fù)雜，這使得有源濾波的應(yīng)用目前主要停留在中低壓領(lǐng)域，在高壓領(lǐng)域(特別是高壓直流輸電領(lǐng)域)鮮有應(yīng)用。多重化濾波是另外一種諧波抑制技術(shù)，主要應(yīng)用于大功率工業(yè)整流供電系統(tǒng)。它主要是通過換流器的多重化聯(lián)結(jié) (12脈波、18脈波、M脈波等)，使得由每個換流橋產(chǎn)生的主要含量的特征諧波電流在電網(wǎng)側(cè)的匯流處通過移相作用而相互抵消，從而降低電網(wǎng)側(cè)的諧波含量。這種濾波方式需要多個換流橋的串/并聯(lián)協(xié)調(diào)運行，這在一定程度上降低了電力電子器件的使用效率。特別值得指出的是，上述濾波方式無論是無源濾波、有源濾波還是多重化濾波，主要用來解決諧波與無功對電網(wǎng)的不良影響，但對于電網(wǎng)所連接的供電系統(tǒng)自身而言，并未取得有益改善。由非線性負荷產(chǎn)生的諧波與無功分量在供電系統(tǒng)中自由流通而未得到任何的抑制，這不僅惡化了供電系統(tǒng)中主設(shè)備的電磁環(huán)境，增加了主設(shè)備的附加損耗、振動與噪音，而且降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性與運行效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除系統(tǒng)阻抗對電力濾波效能的制約作用，解決電網(wǎng)側(cè)與非線性負載側(cè)頻率波動對電力濾波性能的影響；同時，為了在保證電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量滿足國標的前提下，有效解決諧波與無功功率對工業(yè)配用電系統(tǒng)自身帶來的諸如諧波污染嚴重、主設(shè)備附加損耗大、 振動與噪音大、系統(tǒng)功率因數(shù)低、系統(tǒng)運行效率低等一系列問題，本發(fā)明提出了一種自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償混成系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括多目標混合控制器、整流變壓器、具有自動諧振功能的特征諧波濾波器、晶間管可控電抗器、二階高通濾波器、并聯(lián)電力電容器、整流變壓器一次側(cè)的電壓與電流測量裝置、特征諧波濾波器總支路上的電壓與電
3流測量裝置。其中，所述整流變壓器的低壓繞組側(cè)接整流器、中壓繞組側(cè)接自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償系統(tǒng)、高壓繞組側(cè)與工業(yè)配電網(wǎng)相連接；所述多目標混合控制器的控制輸入端接整流變壓器一次輸出側(cè)的電壓與電流裝置、以及特征諧波濾波器總支路上的電壓與電流裝置，而控制輸出端與特征諧波濾波支路上的磁飽和式可控電抗器、以及用于進行連續(xù)無功補償度調(diào)節(jié)的晶間管可控電抗器相連接。在無功功率就近補償方面，首先，根據(jù)所測量的整流變壓器一次側(cè)交流電壓與電流，計算該側(cè)的基波功率因數(shù)和無功功率，然后判斷該功率因數(shù)是否大于期望值，如果大于期望值，則保持晶閘管可控電抗器的當(dāng)前觸發(fā)角不變，如果小于期望值，則將整流變壓器一次側(cè)的無功功率等值換算至整流變壓器的中壓側(cè)，以確定動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)需要提供的無功補償?shù)膶嶋H容量，然后，考慮自動諧振式濾波支路、二階高通濾波器和并聯(lián)電容器各自提供的固定無功補償容量，進一步計算無功缺口，據(jù)此確定晶間管可控電抗器的無功功率補償度，最后，輸出實際的觸發(fā)控制角，以控制晶閘管可控電抗器的實際輸出等值電抗值。在諧波電流就近動態(tài)抑制方面，首先，根據(jù)自動諧振式濾波支路側(cè)的交流電壓和電流測量值，通過離散傅立葉分解，計算h次諧波頻率下諧波電壓與電流的相角，其中，h = 5，7，11，13，并判斷h次諧波頻率下的電壓與電流相角差Δ φ是否為0，如果判定為0， 則維持該次諧波自動諧振式濾波支路的晶間管觸發(fā)角不變，如果判定不為0，則進一步判斷該次諧波電壓與諧波電流的相角差Δ φ是否滿足0<Δ φ <5°，如果判定滿足，則繼續(xù)維持該次諧波自動諧振式濾波支路的晶閘管觸發(fā)角不變，如果判定不滿足，則將該相角差輸入至PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，然后輸出實際的晶閘管觸發(fā)角，以調(diào)節(jié)磁飽和電抗器的輸出電抗值，使得該電抗值與該條支路上的串聯(lián)電容器的電容值相匹配，以達到完全諧振或近似諧振的狀態(tài)。本發(fā)明的技術(shù)效果是
(1)、通過對所述整流變壓器進行特殊的繞組布置和阻抗設(shè)計，使得該整流變壓器中壓側(cè)所連接的特征諧波濾波器在特定次諧波頻率下可完全達到串聯(lián)諧振狀態(tài)，而不必考慮系統(tǒng)阻抗的影響以進行繁瑣的偏調(diào)諧設(shè)計，這能從根本上擺脫系統(tǒng)阻抗對濾波效能的制約作用；
(2)、即使非線性負載側(cè)或電網(wǎng)側(cè)發(fā)生頻率波動，在所述多目標混合控制器的作用下， 特征諧波濾波器在5、7、11、13次諧波頻率下的綜合諧波電抗始終為0或近似為0 (綜合諧波電抗略呈感性)，這能從根本上保證對主要特征諧波電流的抑制性能；
(3)、具有雙向諧波屏蔽功能，所述的特征諧波濾波器和二階高通濾波器，能同時吸收來自非線性負載側(cè)和來自晶閘管可控電抗器側(cè)的諧波電流，使得諧波電流被屏蔽于靠近諧波源處，這樣，縮短了諧波電流的流通路徑，使得所述整流變壓器一次側(cè)繞組以及電網(wǎng)側(cè)的諧波電流含量很小，呈良好的正弦性；
(4)、能在靠近非線性負載側(cè)，實現(xiàn)無功功率的就近動態(tài)補償，使得由非線性負載產(chǎn)生的無功分量不會串?dāng)_至所述整流變壓器的一次繞組側(cè)以及電網(wǎng)側(cè)，且在所述多目標混合控制器的作用下，即使非線性負載發(fā)生波動，所述整流變壓器一次繞組側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)始終維持在期望值(0. 95以上)；
(5)、由于諧波和無功均在靠近非線性負載側(cè)得到就近抑制和補償，這不僅降低了所述整流變壓器的附加損耗、溫升、振動與噪音，而且實現(xiàn)了整個工業(yè)整流供電系統(tǒng)的高功率因數(shù)和高效率穩(wěn)定運行。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明的控制流程圖。圖3是本發(fā)明在多諧波源情形下的等值電路圖。圖1中各部件說明如下
1:整流變壓器，2 動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)，3:多目標混合控制器，4:動態(tài)混合濾波系統(tǒng)，5:晶閘管可控電抗器，6:并聯(lián)電容器，7:5次諧波自動諧振式濾波支路，8:7次諧波自動諧振式濾波支路，9:11次諧波自動諧振式濾波支路，10 13次諧波自動諧振式濾波支路，11:二階高通濾波器，12 整流變壓器一次側(cè)交流電流測量裝置，13 整流變壓器一次側(cè)交流電壓測量裝置，14 自動諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測量裝置，15:自動諧振式濾波器側(cè)的交流電流測量裝置，16:整流器，17:可變直流負載， 18:電網(wǎng)側(cè)等值交流電源。圖3中各部件說明如下
19 整流變壓器的基波等值電路，20 自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償系統(tǒng)在基波頻率下的等值電路。
具體實施例方式參見圖1，整流變壓器1的低壓繞組采用同相逆并聯(lián)的三角形接線方式，并外接整流器16，以滿足可變直流負載17的低壓大電流供電需求。中壓繞組采用三角形接線方式， 并外接動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)2 ；高壓繞組采用星型接線方式，并與電網(wǎng)側(cè)等值交流電源18 (工業(yè)配電系統(tǒng)或者外部電網(wǎng))相連接。動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)2包含有動態(tài)混合濾波系統(tǒng)4、晶閘管可控電抗器5和并聯(lián)電容器6。其中，動態(tài)混合濾波系統(tǒng)4由5次諧波自動諧振式濾波支路7、7次諧波自動諧振式濾波支路8、11次諧波自動諧振式濾波支路9、13次諧波自動諧振式濾波支路10、以及二階高通濾波器11共同組成，用于同時濾除來自整流器16側(cè)和晶閘管可控電抗器5側(cè)的主要特征諧波電流(5、7、11、13次諧波電流)和高次諧波電流(17次以上諧波電流)。另外，該動態(tài)混合濾波系統(tǒng)4在基波頻率下等值阻抗呈容性，通過與晶間管可控電抗器5和并聯(lián)電容器6的協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)對整流器16側(cè)無功功率的動態(tài)連續(xù)補償。多目標混合控制器3的輸入端分別與整流變壓器一次側(cè)交流電流測量裝置12、整流變壓器一次側(cè)交流電壓測量裝置13、自動諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測量裝置14、自動諧振式濾波器側(cè)的交流電流測量裝置15連接；輸出端產(chǎn)生的晶間管觸發(fā)角控制信號分別用于控制各自動諧振式濾波支路(7、8、9、10)中的磁飽和可控電抗器控制繞組所連接的晶閘管整流電路、以及晶閘管可控電抗器5中與電抗器雙向串聯(lián)的晶閘管整流電路。多目標混合控制器3的控制目標是，不管供電系統(tǒng)的運行方式如何變化，動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)2在5、7、11、13次諧波頻率下始終處于諧振或近似處于諧振狀態(tài)(總阻抗在這些次諧波頻率下略呈感性)，以動態(tài)協(xié)調(diào)整流變壓器1中壓側(cè)繞組在這些次諧波頻率下的諧波等值阻抗，實現(xiàn)多諧波源處諧波電流的就近雙向抑制。同時，通過在線監(jiān)測整流變壓器1的一次側(cè)(電網(wǎng)側(cè))的功率因數(shù)和無功功率，間接跟蹤整流器16側(cè)的無功功率變化，動態(tài)連續(xù)地就近補償負載側(cè)的無功功率，從而使得整流變壓器一次側(cè)(電網(wǎng)側(cè))的功率因數(shù)始終維持在0. 95以上。圖2所示為多目標混合控制器3的控制流程圖，具體方法如下
(1)、在無功功率就近補償方面，首先，根據(jù)所測量的整流變壓器一次側(cè)交流電壓與電流，計算該側(cè)的基波功率因數(shù)和無功功率，然后判斷該功率因數(shù)是否大于期望值(0. 95)，如果大于期望值，則保持晶閘管可控電抗器5的當(dāng)前觸發(fā)角不變，如果小于期望值，則將整流變壓器一次側(cè)的無功功率等值換算至整流變壓器1的中壓側(cè)，以確定動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)2需要提供的無功補償?shù)膶嶋H容量，然后，考慮自動諧振式濾波支路(7、8、9、 10)、二階高通濾波器11和并聯(lián)電容器6各自提供的固定無功補償容量，進一步計算無功缺口，據(jù)此確定晶閘管可控電抗器的無功功率補償度，最后，輸出實際的觸發(fā)控制角，以控制晶閘管可控電抗器5的實際輸出等值電抗值；
(2)、在諧波電流就近動態(tài)抑制方面，首先，根據(jù)自動諧振式濾波支路(7、8、9、10)側(cè)的交流電壓和電流測量值，通過離散傅立葉分解，計算h(h=5，7，11，13)次諧波頻率下諧波電壓與電流的相角，并判斷h次諧波頻率下的電壓與電流相角差△ Φ是否為0，如果判定為 0，則維持該次諧波自動諧振式濾波支路的晶間管觸發(fā)角不變，如果判定不為0，則進一步判斷該次諧波電壓與諧波電流的相角差Δ φ是否滿足0<Δ φ <5°，如果判定滿足，則繼續(xù)維持該次諧波自動諧振式濾波支路的晶閘管觸發(fā)角不變，如果判定不滿足，則將該相角差輸入至PI (比例-積分)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，然后輸出實際的晶閘管觸發(fā)角，以調(diào)節(jié)磁飽和電抗器的輸出電抗值，使得該電抗值與該條支路上的串聯(lián)電容器的電容值相匹配，以達到完全諧振或近似諧振(該支路等值阻抗略呈感性)的狀態(tài)。下面根據(jù)圖3闡述本發(fā)明在具體實施時的阻抗布置。若考慮整流器16 (諧波源) 側(cè)產(chǎn)生的h次(h=5，7，11，13)特征諧波電流Iia,則自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償系統(tǒng)的基波等值電路20在h次諧波頻率下表征出的總諧波阻抗Zfqj可表示為
權(quán)利要求
1.一種自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償混成系統(tǒng)，其特征在于包括多目標混合控制器、整流變壓器、具有自動諧振功能的特征諧波濾波器、晶間管可控電抗器、二階高通濾波器、并聯(lián)電容器、整流變壓器一次側(cè)交流電流測量裝置、整流變壓器一次側(cè)交流電壓測量裝置、自動諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測量裝置、自動諧振式濾波器側(cè)的交流電流測量裝置，所述整流變壓器的低壓繞組側(cè)與整流器連接，中壓繞組側(cè)與動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)連接，高壓繞組側(cè)與電網(wǎng)側(cè)等值交流電源連接；所述多目標混合控制器的輸入端分別與整流變壓器一次側(cè)交流電流測量裝置、整流變壓器一次側(cè)交流電壓測量裝置、自動諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測量裝置、自動諧振式濾波器側(cè)的交流電流測量裝置連接； 所述多目標混合控制器的輸出端與各次諧波自動諧振式濾波支路上的磁飽和式可控電抗器、以及晶閘管可控電抗器連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償混成系統(tǒng)，其特征在于在無功功率就近補償方面，首先，根據(jù)所測量的整流變壓器一次側(cè)交流電壓與電流，計算該側(cè)的基波功率因數(shù)和無功功率，然后判斷該功率因數(shù)是否大于期望值，如果大于期望值，則保持晶閘管可控電抗器的當(dāng)前觸發(fā)角不變，如果小于期望值，則將整流變壓器一次側(cè)的無功功率等值換算至整流變壓器的中壓側(cè)，以確定動態(tài)混合濾波和連續(xù)無功補償系統(tǒng)需要提供的無功補償?shù)膶嶋H容量，然后，考慮各次諧波自動諧振式濾波支路、二階高通濾波器和并聯(lián)電容器各自提供的固定無功補償容量，進一步計算無功缺口，據(jù)此確定晶間管可控電抗器的無功功率補償度，最后，輸出實際的觸發(fā)控制角，以控制晶閘管可控電抗器的實際輸出等值電抗值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償混合系統(tǒng)，其特征在于在諧波電流就近動態(tài)抑制方面，首先，根據(jù)各次諧波自動諧振式濾波支路的交流電壓和電流測量值，通過離散傅立葉分解，計算h次諧波頻率下諧波電壓與電流的相角，其中，h = 5，7，11，13，并判斷h次諧波頻率下的電壓與電流相角差Δ φ是否為0，如果判定為0， 則維持該次諧波自動諧振式濾波支路的晶間管觸發(fā)角不變，如果判定不為0，則進一步判斷該次諧波電壓與諧波電流的相角差Δ φ是否滿足0<Δ φ <5°，如果判定滿足，則繼續(xù)維持該次諧波自動諧振式濾波支路的晶閘管觸發(fā)角不變，如果判定不滿足，則將該相角差輸入至PI調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，然后輸出實際的晶閘管觸發(fā)角，以調(diào)節(jié)磁飽和電抗器的輸出電抗值，使得該電抗值與該條支路上的串聯(lián)電容器的電容值相匹配，以達到完全諧振或近似諧振的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償混成系統(tǒng)。它包括多目標混合控制器、整流變壓器、具有自動諧振功能的特征諧波濾波器、晶閘管可控電抗器、二階高通濾波器、并聯(lián)電容器、整流變壓器一次側(cè)和特征諧波濾波器支路上的電壓與電流測量裝置。所述整流變壓器的低壓側(cè)連接有整流器，中壓側(cè)連接有自動諧振式電力濾波與連續(xù)無功補償系統(tǒng)，高壓側(cè)與工業(yè)配電網(wǎng)相連接；所述多目標混合控制器的控制輸入端連接所述電壓與電流裝置，控制輸出端連接特征諧波濾波支路上的磁飽和式可控電抗器、以及晶閘管可控電抗器。本發(fā)明能消除系統(tǒng)阻抗對電力濾波效能的制約作用，解決電網(wǎng)側(cè)與非線性負載側(cè)頻率波動對電力濾波性能的影響，且實現(xiàn)供電系統(tǒng)自身的高效率運行。
文檔編號H02J3/18GK102332723SQ20111028105
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者克里斯蒂安·黑漢斯, 李勇, 羅隆福, 許加柱 申請人:湖南大學(xué)