一種電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法技術方案

本發明專利技術公開了一種電力感應濾波系統及其虛擬阻抗綜合控制方法，本發明專利技術中的電力感應濾波系統主要包括經過特殊設計的新型感應濾波變壓器和與之連接的濾波支路；所述濾波支路包括單調諧濾波器組和串聯連接的諧波電流控制電壓源型逆變器。本發明專利技術根據現有濾波方法中未解決的技術問題以及存在的設備制造工藝難點，將電壓源型逆變器的電網諧振阻尼控制和濾波器零阻抗控制有機地相結合，一方面解決了因電網系統阻抗參數變化而導致無源濾波設備性能下降的問題，另一方面可實現對無源濾波設備品質因數的優化控制以減少對設備生產工藝水平的依賴，使得單調諧濾波器的品質因數滿足設計時的要求，從而進一步改善了整體的濾波特性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及工業整流系統的諧波治理領域，特別是一種將網側諧振阻尼控制和無源濾波裝置品質因數控制相結合的電力感應濾波系統虛擬阻抗綜合控制方法。
技術介紹
對于化工、冶金等高耗能企業的供電系統而言，為提高運行效率，節省投資成本，一般采用晶閘管相控整流系統。由于此類電力電子器件固有的非線性特性，不可避免地會導致一次側電流畸變率大、向網側注入的諧波電流超標嚴重和功率因數低等電能質量問題。目前，在解決工業整流系統電能質量問題方面，主要采取的措施有無源濾波技術和有源濾波技術。在電網側加裝無源濾波裝置作為一種較為經濟的選擇在工業整流領域中得到了廣泛應用，而無源濾波技術只能濾除特定次諧波，當諧波源動態變化時，濾波性能會受到較大影響。另外，無源濾波技術存在濾波支路與系統阻抗發生諧振而使特定次諧波放大的風險。采用有源電力濾波技術可對諧波電流進行實時跟蹤濾除，同時動態地補償系統所需要的無功功率，提高網側的功率因數。但大容量有源濾波器存在投資成本高，維護工作量大等缺點，難以大面積推廣使用。近年來，一種能實現在諧波源處就近抑制的濾波方法-感應濾波技術被相關學者提出。該技術充分挖掘了整流變壓器的潛能，基于變壓器磁勢平衡原理，通過對變壓器繞組阻抗參數的特殊設計，利用無源濾波裝置可使得諧波電流被抑制在變壓器的低壓側。該方法有效縮短了諧波流通路徑，減少了諧波對變壓器造成的損耗。但是，值得注意的是，該方法是基于無源濾波技術，因此仍會
有發生諧振的風險，尤其是對于諧波背景電壓成分較重的工業配電網，該方法對串聯諧振抑制能力較差。此外，由于感應濾波技術對于濾波繞組和單調諧濾波器的等值阻抗有著雙重零阻抗要求，變壓器繞組零阻抗可在變壓器設計中進行優化，而針對采用單調諧濾波器的無源濾波設備，由于現有制造工藝限制、成本控制以及線路阻抗的存在，盡管在設計與制造上已實現了電抗與電容的準確調諧，濾波支路的等值阻抗Zfn仍可能作為一個不為零的電阻而存在。經過對電抗器生產廠家調研得知：倘若要使得電抗器的內阻下降十倍，成本價格將會上升同樣的十倍；并且低內阻的電抗器需使用截面積更大的線圈導線，這樣也增大了電抗器的構造體積。因此，要想達到設計時的品質因數，設備的造價成本將變得高昂，占地面積也會變大。這對投資成本有著重考量的高耗能企業而言，無疑為感應濾波技術的實現與推廣增加了一定難度。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的在于克服現有技術的上述缺陷，提供一種電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，一方面消除電網系統阻抗對無源濾波效能的影響，減弱工業配電網中的背景諧波成分對無源濾波設備倒灌作用；另一方面實現對濾波支路品質因數的控制，使得在投資成本一定的情況下，對已完成制造的無源濾波裝置的阻抗進行優化以實現濾波效果的進一步改善。同時，新型感應濾波變壓器還能解決工業整流負載所產生的的諧波電流對其本身所造成的損耗與噪音等問題。本專利技術通過以下技術手段解決上述問題：一種電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，所述電力感應濾波系統包括工業配電網、新型感應濾波變壓器、工業整流負載、濾波支路、電流電壓傳感器；所述濾波支路包括無源濾波裝置和電壓源型逆變器，所述無源濾波裝置和
所述電壓源型逆變器通過所述電流電壓傳感器連接，所述新型感應濾波變壓器采用三繞組式變壓器，其網側繞組采用的是星型接線方式，通過系統阻抗與電網相連；所述新型感應濾波變壓器的兩個二次低壓繞組根據繞組間有無電的聯系，采用感應型接線方式或自耦型接線方式，所述無源濾波裝置由2組具有串聯諧振特性的單調諧濾波器組成；所述電壓源型逆變器采用兩電平拓撲，其逆變器交流出口處電壓應滿足如下控制規律： V C = K · Σ n = 2 ∞ I S n + K R n · Σ n = 5 , 7 I f n ]]>其中，K為諧振阻尼控制系數，KRn為零阻抗控制系數，ISn和Ifn分別是變壓器一次側和濾波支路的諧波電流，VC是逆變器交流出口電壓；所述電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，通過調節零阻抗控制系數KRn以改變濾波繞組和無源濾波裝置的總阻抗值大小，使得其滿足實現感應濾波的零阻抗條件，即Z3n+Zfn≈0；其中Z3n為新型感應濾波變壓器濾波繞組的等效阻抗，Zfn為濾波支路等效阻抗。進一步地，所述電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，具體包括如下步驟：S1、控制電力感應濾波系統的諧振阻尼，獲得第一輸出信號；S2、控制電力感應濾波系統的零阻抗，獲得第二輸出信號；S3、控制電力感應濾波系統的直流穩壓，獲得第三輸出信號；S4、將第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號相疊加獲得控制信號，控制信號經PWM調制為主電路提供脈沖信號。進一步地，步驟S1中，具體包括如下步驟：S11、采樣電網側a相電壓信號，通過鎖相環產生一個同步相位角，為控制電路提供相位基準；S12、采樣電網側a、b、c三相電流信號經過由基波電壓信號提供相位基準的dq變換和低通濾波器后，獲得兩組直流信號，再經dq反變換轉化為abc坐標系下的電流獲得基波，與采樣的三相電流信號相減獲得諧波電流信號；S13、將諧波電流信號乘以諧振阻尼控制系數獲得第一輸出信號。進一步地，步驟S2中，具體包括如下步驟：S21、采樣濾波支路a、b、c三相電流信號，經過由五次諧波電壓信號提供相位基準的dq變換和低通濾波器之后，再由dq反變換獲得五次諧波電流，五次諧波電流乘以五次零阻抗控制系數；S22、采樣濾波支路a、b、c三相電流信號，經過由七次諧波電壓信號提供相位基準的dq變換和低通濾波器之后，再由dq反變換獲得七次諧波電流，七次諧波電流乘以七次零阻抗控制系數；S23、將上述獲得的信號相疊加獲得第二輸出信號；進一步地，步驟S3中，具體包括如下步驟：S31、采樣逆變器直流電容電壓，與參考電壓相減經PI控制器獲得穩壓有功控制量；S32、根據變壓器接線方式的不同，由基波電壓相位基準校準獲得三相電壓單位正弦信號；S33、將穩壓有功控制量與三相電壓單位正弦信號相乘獲得第三輸出信號。與現有技術相比，本專利技術所具有的有益效果為：(1)、通過本專利技術控制部分中的諧振阻尼控制，相當于在網側額外附加了一個值為K的虛擬系統阻抗，而該虛擬電阻K的值遠遠大于原系統阻抗Ls，故其具有比常規無源濾波系統更強的諧振阻尼能力；(2)、通過本專利技術控制部分中的零阻抗控制，可以視為在濾波支路疊加了一個值為KRn的虛擬電阻，調節KRn為負阻抗以實現對濾波支路阻抗的調節，以
達到設計所要求的品質因數，同時，本控制可在保證濾波效果本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，其特征在于，所述電力感應濾波系統包括工業配電網、新型感應濾波變壓器、工業整流負載、濾波支路、電流電壓傳感器；所述濾波支路包括無源濾波裝置和電壓源型逆變器，所述無源濾波裝置和所述電壓源型逆變器通過所述電流電壓傳感器連接，所述新型感應濾波變壓器采用三繞組式變壓器，其網側繞組采用的是星型接線方式，通過系統阻抗與電網相連；所述新型感應濾波變壓器的兩個二次低壓繞組根據繞組間有無電的聯系，采用感應型接線方式或自耦型接線方式，所述無源濾波裝置由2組具有串聯諧振特性的單調諧濾波器組成；所述電壓源型逆變器采用兩電平拓撲，其逆變器交流出口處電壓應滿足如下控制規律：其中，K為諧振阻尼控制系數，KRn為零阻抗控制系數，ISn和Ifn分別是變壓器一次側和濾波支路的諧波電流，VC是逆變器交流出口電壓；所述電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，通過調節零阻抗控制系數KRn以改變濾波繞組和無源濾波裝置的總阻抗值大小，使得其滿足實現感應濾波的零阻抗條件，即Z3n+Zfn≈0；其中Z3n為新型感應濾波變壓器濾波繞組的等效阻抗，Zfn為濾波支路等效阻抗。

【技術特征摘要】
1.一種電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，其特征在于，所述電力感應濾波系統包括工業配電網、新型感應濾波變壓器、工業整流負載、濾波支路、電流電壓傳感器；所述濾波支路包括無源濾波裝置和電壓源型逆變器，所述無源濾波裝置和所述電壓源型逆變器通過所述電流電壓傳感器連接，所述新型感應濾波變壓器采用三繞組式變壓器，其網側繞組采用的是星型接線方式，通過系統阻抗與電網相連；所述新型感應濾波變壓器的兩個二次低壓繞組根據繞組間有無電的聯系，采用感應型接線方式或自耦型接線方式，所述無源濾波裝置由2組具有串聯諧振特性的單調諧濾波器組成；所述電壓源型逆變器采用兩電平拓撲，其逆變器交流出口處電壓應滿足如下控制規律：其中，K為諧振阻尼控制系數，KRn為零阻抗控制系數，ISn和Ifn分別是變壓器一次側和濾波支路的諧波電流，VC是逆變器交流出口電壓；所述電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，通過調節零阻抗控制系數KRn以改變濾波繞組和無源濾波裝置的總阻抗值大小，使得其滿足實現感應濾波的零阻抗條件，即Z3n+Zfn≈0；其中Z3n為新型感應濾波變壓器濾波繞組的等效阻抗，Zfn為濾波支路等效阻抗。2.根據權利要求1所述的電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，其特征在于，所述電力感應濾波系統的虛擬阻抗綜合控制方法，具體包括如下步驟：S1、控制電力感應濾波系統的諧振阻尼，獲得第一輸出信號；S2、控制電力感應濾波系統的零阻抗，獲得第二輸出信號；S3、控制電力感應濾波系統的直流穩壓，獲得第三輸出信號；S4、將第一輸出信號、第二輸出信號、第三輸出信號相疊加獲得控...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李勇，劉乾易，胡斯佳，羅隆福，曹一家，
申請(專利權)人：湖南大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43