專利名稱：自動(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)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(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自動(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)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(shí)，不可避免地引起諧波污染嚴(yán)重、功率因數(shù)低下、電壓閃變與不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題。目前，在改善電能質(zhì)量方面主要的濾波技術(shù)有無(wú)源濾波、有源濾波和混合有源濾波。其中，無(wú)源濾波由于裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)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(wú)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(shí)，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(wú)源濾波盡管能夠抑制特定次諧波，但對(duì)低次諧波具有放大作用，且電容器參數(shù)隨時(shí)間的推移容易發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致調(diào)諧頻率發(fā)生偏移，從而影響實(shí)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(wú)源濾波存在的問(wèn)題，但這兩種濾波技術(shù)的實(shí)施通常需要備有大容量諧波補(bǔ)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(guò)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(gè)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(guò)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(gè)換流橋的串/并聯(lián)協(xié)調(diào)運(yùn)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(wú)論是無(wú)源濾波、有源濾波還是多重化濾波，主要用來(lái)解決諧波與無(wú)功對(duì)電網(wǎng)的不良影響，但對(duì)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(fù)荷產(chǎn)生的諧波與無(wú)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(dòng)與噪音，而且降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性與運(yùn)行效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了消除系統(tǒng)阻抗對(duì)電力濾波效能的制約作用，解決電網(wǎng)側(cè)與非線性負(fù)載側(cè)頻率波動(dòng)對(duì)電力濾波性能的影響；同時(shí)，為了在保證電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量滿足國(guó)標(biāo)的前提下，有效解決諧波與無(wú)功功率對(duì)工業(yè)配用電系統(tǒng)自身帶來(lái)的諸如諧波污染嚴(yán)重、主設(shè)備附加損耗大、 振動(dòng)與噪音大、系統(tǒng)功率因數(shù)低、系統(tǒng)運(yùn)行效率低等一系列問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種自動(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償混成系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是包括多目標(biāo)混合控制器、整流變壓器、具有自動(dòng)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(cè)量裝置、特征諧波濾波器總支路上的電壓與電
3流測(cè)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(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)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(biāo)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(jìn)行連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償度調(diào)節(jié)的晶間管可控電抗器相連接。在無(wú)功功率就近補(bǔ)償方面，首先，根據(jù)所測(cè)量的整流變壓器一次側(cè)交流電壓與電流，計(jì)算該側(cè)的基波功率因數(shù)和無(wú)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(wú)功功率等值換算至整流變壓器的中壓側(cè)，以確定動(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)需要提供的無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際容量，然后，考慮自動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償容量，進(jìn)一步計(jì)算無(wú)功缺口，據(jù)此確定晶間管可控電抗器的無(wú)功功率補(bǔ)償度，最后，輸出實(shí)際的觸發(fā)控制角，以控制晶閘管可控電抗器的實(shí)際輸出等值電抗值。在諧波電流就近動(dòng)態(tài)抑制方面，首先，根據(jù)自動(dòng)諧振式濾波支路側(cè)的交流電壓和電流測(cè)量值，通過(guò)離散傅立葉分解，計(jì)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(dòng)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(jìn)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(dòng)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(shí)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(dá)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(guò)對(duì)所述整流變壓器進(jìn)行特殊的繞組布置和阻抗設(shè)計(jì)，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(dá)到串聯(lián)諧振狀態(tài)，而不必考慮系統(tǒng)阻抗的影響以進(jìn)行繁瑣的偏調(diào)諧設(shè)計(jì)，這能從根本上擺脫系統(tǒng)阻抗對(duì)濾波效能的制約作用；
(2)、即使非線性負(fù)載側(cè)或電網(wǎng)側(cè)發(fā)生頻率波動(dòng)，在所述多目標(biāo)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(duì)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(shí)吸收來(lái)自非線性負(fù)載側(cè)和來(lái)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(fù)載側(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的就近動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使得由非線性負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功分量不會(huì)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(biāo)混合控制器的作用下，即使非線性負(fù)載發(fā)生波動(dòng)，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(wú)功均在靠近非線性負(fù)載側(cè)得到就近抑制和補(bǔ)償，這不僅降低了所述整流變壓器的附加損耗、溫升、振動(dòng)與噪音，而且實(shí)現(xiàn)了整個(gè)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(yùn)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(shuō)明如下
1:整流變壓器，2 動(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，3:多目標(biāo)混合控制器，4:動(dòng)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(dòng)諧振式濾波支路，8:7次諧波自動(dòng)諧振式濾波支路，9:11次諧波自動(dòng)諧振式濾波支路，10 13次諧波自動(dòng)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(cè)量裝置，13 整流變壓器一次側(cè)交流電壓測(cè)量裝置，14 自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測(cè)量裝置，15:自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電流測(cè)量裝置，16:整流器，17:可變直流負(fù)載， 18:電網(wǎng)側(cè)等值交流電源。圖3中各部件說(shuō)明如下
19 整流變壓器的基波等值電路，20 自動(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)在基波頻率下的等值電路。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)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(fù)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(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)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(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)2包含有動(dòng)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(dòng)態(tài)混合濾波系統(tǒng)4由5次諧波自動(dòng)諧振式濾波支路7、7次諧波自動(dòng)諧振式濾波支路8、11次諧波自動(dòng)諧振式濾波支路9、13次諧波自動(dòng)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(shí)濾除來(lái)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(dòng)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(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)整流器16側(cè)無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償。多目標(biāo)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(cè)量裝置12、整流變壓器一次側(cè)交流電壓測(cè)量裝置13、自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測(cè)量裝置14、自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電流測(cè)量裝置15連接；輸出端產(chǎn)生的晶間管觸發(fā)角控制信號(hào)分別用于控制各自動(dòng)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(biāo)混合控制器3的控制目標(biāo)是，不管供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式如何變化，動(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)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(dòng)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(shí)現(xiàn)多諧波源處諧波電流的就近雙向抑制。同時(shí)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)整流變壓器1的一次側(cè)(電網(wǎng)側(cè))的功率因數(shù)和無(wú)功功率，間接跟蹤整流器16側(cè)的無(wú)功功率變化，動(dòng)態(tài)連續(xù)地就近補(bǔ)償負(fù)載側(cè)的無(wú)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(biāo)混合控制器3的控制流程圖，具體方法如下
(1)、在無(wú)功功率就近補(bǔ)償方面，首先，根據(jù)所測(cè)量的整流變壓器一次側(cè)交流電壓與電流，計(jì)算該側(cè)的基波功率因數(shù)和無(wú)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(wú)功功率等值換算至整流變壓器1的中壓側(cè)，以確定動(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)2需要提供的無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際容量，然后，考慮自動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償容量，進(jìn)一步計(jì)算無(wú)功缺口，據(jù)此確定晶閘管可控電抗器的無(wú)功功率補(bǔ)償度，最后，輸出實(shí)際的觸發(fā)控制角，以控制晶閘管可控電抗器5的實(shí)際輸出等值電抗值；
(2)、在諧波電流就近動(dòng)態(tài)抑制方面，首先，根據(jù)自動(dòng)諧振式濾波支路(7、8、9、10)側(cè)的交流電壓和電流測(cè)量值，通過(guò)離散傅立葉分解，計(jì)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(dòng)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(jìn)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(dòng)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(shí)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(dá)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(shí)施時(shí)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(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)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(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償混成系統(tǒng)，其特征在于包括多目標(biāo)混合控制器、整流變壓器、具有自動(dòng)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(cè)量裝置、整流變壓器一次側(cè)交流電壓測(cè)量裝置、自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測(cè)量裝置、自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電流測(cè)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(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)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(biāo)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(cè)量裝置、整流變壓器一次側(cè)交流電壓測(cè)量裝置、自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電壓測(cè)量裝置、自動(dòng)諧振式濾波器側(cè)的交流電流測(cè)量裝置連接； 所述多目標(biāo)混合控制器的輸出端與各次諧波自動(dòng)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(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償混成系統(tǒng)，其特征在于在無(wú)功功率就近補(bǔ)償方面，首先，根據(jù)所測(cè)量的整流變壓器一次側(cè)交流電壓與電流，計(jì)算該側(cè)的基波功率因數(shù)和無(wú)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(wú)功功率等值換算至整流變壓器的中壓側(cè)，以確定動(dòng)態(tài)混合濾波和連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)需要提供的無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際容量，然后，考慮各次諧波自動(dòng)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(wú)功補(bǔ)償容量，進(jìn)一步計(jì)算無(wú)功缺口，據(jù)此確定晶間管可控電抗器的無(wú)功功率補(bǔ)償度，最后，輸出實(shí)際的觸發(fā)控制角，以控制晶閘管可控電抗器的實(shí)際輸出等值電抗值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償混合系統(tǒng)，其特征在于在諧波電流就近動(dòng)態(tài)抑制方面，首先，根據(jù)各次諧波自動(dòng)諧振式濾波支路的交流電壓和電流測(cè)量值，通過(guò)離散傅立葉分解，計(jì)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(dòng)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(jìn)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(dòng)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(shí)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(dá)到完全諧振或近似諧振的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自動(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償混成系統(tǒng)。它包括多目標(biāo)混合控制器、整流變壓器、具有自動(dòng)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(cè)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(dòng)諧振式電力濾波與連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，高壓側(cè)與工業(yè)配電網(wǎng)相連接；所述多目標(biāo)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(duì)電力濾波效能的制約作用，解決電網(wǎng)側(cè)與非線性負(fù)載側(cè)頻率波動(dòng)對(duì)電力濾波性能的影響，且實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)自身的高效率運(yùn)行。
文檔編號(hào)H02J3/18GK102332723SQ20111028105
公開(kāi)日2012年1月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:湖南大學(xué)