一种变压器集成电能质量智能调节系统及其控制方法与流程

本发明涉及电能质量治理技术领域，具体涉及一种将智能阻抗原理和感应滤波技术相结合的变压器集成电能质量智能调节系统及其控制方法。

背景技术：

随着电力系统电力电子化的进一步发展，各类全控型器件在用电负载中得到了广泛应用，由于此类器件自身的非线性特性，不可避免地会对电网造成了例如无功损耗、系统网侧电压电流畸变以及局部的串并联谐振等电能质量问题。

探究谐波的综合治理是电力电子领域热点的话题，目前主要的方法可以分为主动治理和被动治理两大类。主动治理是从谐波的产生方面入手，主要是对设备的改造及研发改进电能变化装置。主动治理的方法技术难度大，成本高，一般不能够轻易采用。被动治理方式则是以谐波已经产生为前提对其进行抑制或者是隔离处理的方法，其主要通过加装无源滤波器、有源滤波器或者混合有源滤波器滤波等滤波装置来实现。

目前，无源滤波装置凭借其低廉的成本占据了谐波治理的主要位置，在整个工业整流系统中得到广泛应用。但无源滤波器的是由滤波电容器、电抗器和电阻器对应不同次数谐波按照一定比例组合而形成，其只是针对固定频率的谐波，不能够在负载谐波动态变化的情况下发挥作用。有源滤波可以根据其自身设计的特性，主动跟踪性地滤除谐波电流，动态补偿系统所需无功功率。但由于有源滤波器价格高，容量小，建造及维护运营投资太大，大面积推广使用就显得比较困难。

近段时间，相关学者提出了一种能在负载侧抑制谐波电流的方法-感应滤波技术。感应滤波技术是在整流变压器的基础上，通过研究变压器磁势平衡原理，对变压器的绕组参数进行特殊设计，加上无源滤波支路的作用，将谐波有效的抑制在变压器的低压侧，防止了谐波对网侧系统的影响。该方法使得谐波电流流经谐波调谐支路，降低了对变压器的损耗。但是由于该方法基于无源滤波技术，难免会有产生谐振，而且无源滤波调谐支路只能够固定的补偿部分系统消耗的无功。此外，感应滤波技术还需要满足双重零阻抗的要求，就现在已有的技术而言，变压器绕组和单调调谐滤波支路在零阻抗实现上还存在一定难度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于解决感应滤波技术在工业整流系统应用中存在的不足，优化设计结构，在分析当前电能质量治理主流技术的基础上，结合感应滤波技术和智能阻抗原理，创新性地提出了一种变压器集成电能质量智能调节系统及其控制方法。本系统经由智能阻抗原理对控制器进行优化设计，能实现无功动态补偿、谐波电流双向抑制和谐振阻尼等多目标控制。此外，新型调谐支路可以经由控制策略进行自动调节，简化了传统无源滤波器的物理调谐过程，具有良好的环境适应性。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

一种变压器集成电能质量智能调节系统，包括工业配电网、变压器、工业整流负载、三条智能阻抗支路；工业配电网、工业整流负载和三条智能阻抗支路通过变压器连接在一起；

变压器网侧绕组采用的是星型接线方式，与工业配电网相连；变压器二次低压绕组中的负载绕组采用的是星型接线方式，与工业整流负载相连；变压器二次低压绕组中的滤波绕组采用三角接线方式，三条智能阻抗支路以星形连接的方式与滤波绕组相连。

进一步地，所述智能阻抗支路包括电容器组、耦合变压器、电压源型逆变器，电压源型逆变器串联在耦合变压器的一侧绕组上，耦合变压器的另一侧绕组一端与变压器滤波绕组连接，另一端与电容器组一端连接，电容器组另一端接地。

进一步地，所述变压器集成电能质量智能调节系统的网侧谐波电流的表达式：

其中：n1、n2、n3分别为新型感应滤波变压器网侧绕组、负载绕组、滤波绕组的匝数；ilh为负载侧谐波电流，ush为电网背景谐波电压；zsh为h次谐波条件下电网侧源阻抗，z1h为h次谐波条件下变压器网侧阻抗，z3h为h次谐波条件下滤波绕组阻抗，zact是有源滤波器的等效智能阻抗；zt为耦合变压器阻抗；zc为电容器组阻抗；

为了阻止谐波负载电流流入源极，智能阻抗回路的等效阻抗必须非常低，理想情况下，如果zact+z3h+zt+zc＝0，则ilh将全部流经智能阻抗回路，不再流入电网；考虑到源侧背景谐波电压时，智能阻抗回路必须为ush提供无穷大阻抗，电网电压谐波失真被阻塞，同时谐波电流反馈控制自动提供谐振阻尼，避免智能阻抗支路和电网阻抗之间的谐振；

在基波频率下对于无功功率的动态补偿时，zact阻抗的值是根据电网基波电流is1和基波电压us1之间的夹角θ来确定的，智能阻抗通过自动调节来使得基波电压和电流的相位维持在期望的水平。

一种变压器集成电能质量智能调节系统的控制方法，具体包括如下步骤：

s1、控制系统对多次谐波分量进行抑制；

s2、控制系统对电网中的无功功率进行动态补偿；

s3、控制系统保持直流侧电压稳定；

s4、将谐波抑制、无功补偿和直流稳压部分获得的控制信号叠加，经pwm调制为主电路提供脉冲信号。

进一步地，步骤s1中具体步骤如下：

s11、采样电网侧a、b、c三相电流信号经过陷波滤波器得到除基波信号外的全部谐波分量；

s12、对各次谐波分量分别进行pr控制算法，得到各次谐波所对应需要的智能阻抗端电压uafh；

s13、将各次的谐波对应的uafh整合得到谐波抑制部分的控制信号。

进一步地，步骤s11中，所述陷波滤波器的传递函数如下：

其中s是实部为零、虚部为角频率的复变量，ωc是陷波滤波器的带宽，ω0为谐振频率。

进一步地，步骤s12中，系统对谐波分量的控制算法是基于pr控制器，它是在pi控制算法的基础上经过数学变换得来的，其表达式如下：

其中s是实部为零、虚部为角频率的复变量，kp是比例增益，kr是谐振项增益，ω是谐振频率，其谐振频率ω处的高增益为正弦参考值提供零稳态误差；

在对多次谐波的抑制中用到了多个pr控制器并联，同时对多个频率的谐波进行补偿，每个特定频率的谐波对应产生一个智能阻抗的端电压uafh，所有的频率对应的电压的总和uaf即是所需要的逆变器的端电压。

进一步地，步骤s2中，变压器集成电能质量智能调节系统在无功功率补偿控制部分，使用上述相同的谐波分量策略获得电网基波电压us1和基波电流is1分量，相位检测算法计算两个信号之间的相位差，一旦us1和is1是纯正弦信号并且没有噪声，就可以从过零点中获得相位差，相位差信号控制与电容器组串联的有源滤波器端电压uaf1的振幅，在基频时，电容器组电压uc1由下式给出：

uc1＝uf1-uaf1

其中uf1为基频下滤波绕组端电压，uc1是基频下电容器组端电压，uaf1是有源滤波器端电压；

忽略由基波条件下电网阻抗造成的电压降，所以uf1是恒定的，保持uaf1与uc1同相对准，因为耦合变压器基波频率的电压降很低uc1和uf1之间的相位差可以忽略不计，控制uaf1从而改变uc1，进而实现无功补偿。

进一步地，步骤s2中具体步骤如下：

s21、采样电网侧a、b、c三相电流信号经过陷波滤波器及相关变化之后，得到a、b、c、三相基波电流；

s22、采样电网侧a、b、c三相电压信号经过陷波滤波器及相关变化之后，得到a、b、c、三相基波电压；

s23、将基频下a、b、c各相的电压电流信号经过相位检测得到相位差；

s24、将检测出的相位差进行综合控制得到用于无功补偿的控制信号。

进一步地，步骤s3中具体步骤如下：

s31、采样逆变器直流电容电压，与参考电压相减再经pi控制器获得稳压有功控制量；

s32、通过陷波滤波器及操作直接获得智能阻抗支路电流基频正弦参考量；

s33、将稳压有功控制量与电流基频正弦参考量相乘获得直流稳压的控制信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1)由于本发明中的智能阻抗的应用，一方面变压器不再需要像原感应滤波变压器一样满足零阻抗条件，降低了变压器的设计难度，减少了设计成本；另一方面根据变压器磁势平衡原理，负载谐波被屏蔽在变压器二次侧，降低了谐波电流对变压器的损耗。

2)本发明可以在基频下通过对有源逆变器两端电压进行调控，达到动态补偿系统所需无功功率的目的；同时，在谐波条件下利用各次谐波分量对应控制信号的整合，使得负载产生的所有谐波电流都流经智能阻抗支路，同时，电网电压谐波失真被阻塞。谐波电流反馈控制自动提供谐振阻尼，以避免滤波器和电网阻抗之间的谐振。

3)本系统经由智能阻抗原理对控制器进行优化设计，新的智能阻抗支路可以经由控制策略进行自动调节，简化了传统无源滤波器的物理调谐过程，具有良好的环境适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明变压器集成电能质量智能调节系统原理图；

图2为本发明变压器集成电能质量智能调节系统的单相等效电路；

图3为本发明变压器集成电能质量智能调节系统利用智能阻抗进行无功功率传递等效电路图；

图4为本发明变压器集成电能质量智能调节系统综合控制策略图；

图5为本发明变压器集成电能质量智能调节系统对多次谐波分量同时控制的策略图。

附图标记说明：

1：工业配电网，2：网侧绕组，3：滤波绕组，4：负载绕组，5：工业整流负载，6：智能阻抗支路，7：耦合变压器，8：电容器组，9：电压源型逆变器；

10：变压器单相等值电路，11：工业整流负载单相等效电路，12：智能阻抗支路单相等值电路；

13：pr谐振控制，14：无功补偿控制，15：直流稳压控制。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为一种变压器集成电能质量智能调节系统的原理图，本系统包括工业配电网1、变压器、工业整流负载5、三条智能阻抗支路6。工业配电网1、工业整流负载5和三条智能阻抗支路6通过变压器连接在一起。

变压器网侧绕组2采用的是星型接线方式，通过系统阻抗zs与工业配电网1相连；二次低压绕组中的负载绕组4采用的是星型接线方式，与工业整流负载5相连；二次低压绕组中的滤波绕组3采用三角接线方式，三条智能阻抗支路6以星形连接的方式与滤波绕组3相连。通过系统对智能阻抗的设计调节，可以使得连同二次低压绕组中的滤波绕组在内的整个智能阻抗滤波回路的等值阻抗接近于0。

具体的智能阻抗滤波回路由智能阻抗支路6和滤波绕组3组成；所述智能阻抗支路6由电容器组8、耦合变压器7和电压源型逆变器9共同构成，电压源型逆变器9串联在耦合变压器7的一侧绕组上，耦合变压器7的另一侧绕组一端与变压器滤波绕组3连接，另一端与电容器组8一端连接，电容器组8另一端接地。

下面具体介绍本发明中抑制多次谐波分量的工作原理。

图2为本发明变压器集成电能质量智能调节系统的单相等效电路，变压器单相等值电路10、工业整流负载单相等效电路11、智能阻抗支路单相等值电路12。在等效的模型中is、us和zs分别是电网侧电流，电网侧电压和电网侧的阻抗；il和if是负载电流和滤波支路电流。

根据变压器磁势平衡原理、多绕组变压器电压传递公式、基尔霍夫电流、电压定理，可以推导出网侧谐波电流的表达式：

其中：n1、n2、n3分别为新型感应滤波变压器网侧绕组、负载绕组、滤波绕组的匝数；ilh为负载侧谐波电流，ush为电网背景谐波电压；zsh为h次谐波条件下电网侧源阻抗，z1h为h次谐波条件下变压器网侧阻抗，z3h为h次谐波条件下滤波绕组阻抗，zact是有源滤波器的等效智能阻抗；zt为耦合变压器阻抗；zc为电容器组阻抗。

由(1)式可知，为了阻止谐波负载电流流入源极，智能阻抗回路的等效阻抗必须非常低。理想情况下，如果zact+z3h+zt+zc＝0，则ilh将全部流经智能阻抗回路，不再流入电网；此时zact的值必须被控制为zact＝-(z3h+zt+zc)，智能阻抗回路无源阻抗由耦合变压器阻抗(zt＝rt+jωlt)和电容器阻抗(zc＝rc+1/jωc)以及智能阻抗(zact＝ra+jωla)组成。因此，应该调整有源电感la以使特定频率ω的智能阻抗自动调谐：

该系统能够通过为特定频率谐波等效出不同的有源电感，同时实现多个频率调谐。此外，它产生有源电阻ra＝-(r3+rt+rc)以消除智能阻抗回路的内阻，将其转换成特定次谐波条件下的理想滤波器。

考虑到源侧背景谐波电压时，由(1)式可知，智能阻抗回路必须为ush提供无穷大阻抗。同时，谐波电流反馈控制自动提供谐振阻尼，以避免智能阻抗支路和电网阻抗之间的谐振。

在理想补偿下，对于两种情况，ish必须为零，并且特定次谐波的智能阻抗回路的等效阻抗应为:

(1)对于负载侧谐波电流，智能阻抗回路的等效阻抗为0；

(2)对于源侧背景谐波电压，智能阻抗回路的等效阻抗为∞；

根据叠加定理，考虑上述两个等效条件对电压型有源逆变器施加电压uafh:

当uafh＝u3h，保证没有谐波电流从网测流入智能阻抗回路，即智能阻抗回路无穷大阻抗。当uafh＝-(z3+zt+zc)·ifh，实现了智能阻抗回路实现零阻抗，这两个等效阻抗的叠加表征了智能阻抗的特性。

所述无功补偿原理如下:

基波频率下，zact阻抗值是根据电网基波电流is1和基波电压us1之间的夹角θ来确定的。智能阻抗通过自动调节使得基波电压和电流的相位维持在期望的水平。

由智能阻抗提供的无功功率可以由下式给出(不考虑全调谐支路电阻rc):

其中uf为基频下滤波绕组端电压，xc是电容器组的电抗，xact是由有源滤波器等效出的变化的电抗，所产生的无功由xc和xact所影响。图3为系统无功功率传递等效电路图，依据图3介绍可以通过控制有源电抗xact适应不同的工作要求：

(1)过补-当电容器组产生的无功功率超过了负载的需求量时。然后调整xact来达到向电容器组串联另一个电容(-jxact)的效果，增加了分支的等效阻抗并降低了传递的无功功率。如图3(a)所示。

(2)欠补-当电容器组产生的无功功率不足以满足负载的要求时。然后xact被控制为串联电感器(+jxact)，通过降低分支的等效阻抗来增加传递的无功功率。如图3(b)所示。智能阻抗这种拓扑结构能够适应无功功率的连续变化。

下面具体说明变压器集成电能质量智能调节系统的综合控制方法:

图4为变压器集成电能质量智能调节系统的综合控制策略图，系统的控制方法主要分为四个部分：pr谐振控制13、无功补偿控制14、直流稳压控制15和信号调制。

(1)pr谐振控制

1)、采样电网侧a、b、c三相电流信号经过陷波滤波器得到除基波信号外的全部谐波分量；

2)、对各次谐波分量分别进行pr控制算法，得到各次谐波所对应需要的智能阻抗端电压uafh；

3)、将各次的谐波对应的uafh整合得到谐波抑制部分的控制信号。

变压器集成电能质量智能调节系统在谐波检测的方法用到的是陷波滤波器，其传递函数如下：

其中s是实部为零、虚部为角频率的复变量，ωc是陷波滤波器的带宽，ω0为谐振频率。

系统对谐波分量的控制算法是基于pr控制器，它是在pi控制算法的基础上经过数学变换得来的，其表达式如下：

其中s是实部为零、虚部为角频率的复变量，kp是比例增益，kr是谐振项增益，ω是谐振频率。其谐振频率ω处的高增益为正弦参考值提供零稳态误差。该方法与pi在直流线路分析中的作用相似，它能够直接对当前正弦信号进行参考，消除了参考系的变换以及pll的同步算法。

在对多次谐波的抑制中用到了多个谐振控制器(pr)并联，同时对多个特定频率的谐波进行补偿。每个特定频率的谐波对应一个智能阻抗的端电压uafh，所有特定次谐波频率对应的电压的总和uaf即是所需要的逆变器的端电压。

(2)无功补偿控制

1)、采样电网侧a、b、c三相电流信号经过陷波滤波器及相关变化之后，得到a、b、c、三相基波电流；

2)、采样电网侧a、b、c三相电压信号经过陷波滤波器及相关变化之后，得到a、b、c、三相基波电压；

3)、将基频下a、b、c各相的电压电流信号经过相位检测得到相位差；

4)、将检测出的相位差进行综合控制得到用于无功补偿的控制信号。

变压器集成电能质量智能调节系统在无功功率补偿控制部分，使用上述相同的谐波分量策略获得电网基波电压us1和电流is1分量。相位检测算法计算两个信号之间的相位差。一旦us1和is1是纯正弦信号并且没有噪声，就可以从过零点中获得相位差。相位差信号控制与电容器组串联的有源滤波器端电压uaf1的振幅。在基频时，电容器组电压uc1由下式给出：

uc1＝uf1-uaf1

其中uf1为基频下滤波绕组端电压，uc1是基频下电容器组端电压，uaf1是有源滤波器端电压。

忽略由基波条件下电网阻抗造成的电压降，所以uf1是恒定的。保持uaf1与uc1同相对准，因为耦合变压器基波频率的电压降很低uc1和uf1之间的相位差可以忽略不计，控制uaf1从而改变uc1，进而实现无功补偿。

(3)直流稳压控制

1)、采样逆变器直流电容电压，与参考电压相减再经pi控制器获得稳压有功控制量；

2)、通过陷波滤波器及操作直接获得智能阻抗支路电流基频正弦参考量；

3)、将稳压有功控制量与电流基频正弦参考量相乘获得直流稳压的控制信号。

(4)信号调制

1)、将谐波抑制、无功补偿和直流稳压部分获得的控制信号叠加获得控制信号；

2)、控制信号经pwm调制为主电路提供脉冲信号。

图5为本发明变压器集成电能质量智能调节系统对多次谐波分量同时控制的策略图，可以看出多个谐振控制器(pr)并联，同时对多个频率的谐波进行补偿。

本发明的目的在于解决感应滤波技术在工业整流系统应用中存在的不足，结合感应滤波技术和智能阻抗的思想，提出了一种变压器集成电能质量智能调节系统。本系统经由智能阻抗原理对原感应调控滤波系统的滤波支路进行重新设计，降低了变压器的设计难度，简化了传统的全调谐支路。新的调谐支路由电容器组、耦合变压器和与之串联的有源逆变器共同构成。变压器安装在工业整流负载附近，具有三绕组的结构。主绕组采用的是星型连接线并与电网侧相连，工业整流负载与作为阀门绕组的星型绕组连接，滤波绕组则采用三角形接线连接到调谐支路和有源逆变器。本发明一方面可以在基频下通过对有源逆变器两端电压进行调控，达到动态补偿系统所需无功功率的目的；另一方面，系统可以利用各次谐波分量对应控制信号的整合，使得负载谐波电流全部流经智能阻抗支路，同时，电网电压谐波失真被阻塞。谐波电流反馈控制自动提供谐振阻尼，以避免智能阻抗支路和电网阻抗之间的谐振。

与现有已有的技术相比，本发明具有以下技术优点：

1)由于本发明中的智能阻抗的应用，一方面变压器不再需要像原感应滤波变压器一样满足零阻抗条件，降低了变压器的设计难度，减少了设计成本；另一方面根据变压器磁势平衡原理，负载谐波被屏蔽在变压器二次侧，降低了谐波电流对变压器的损耗。

2)本发明可以在基频下通过对有源逆变器两端电压进行调控，达到动态补偿系统所需无功功率的目的；同时，在谐波条件下利用各次谐波分量对应控制信号的整合，使得负载产生的所有谐波电流都流经智能阻抗支路，同时，电网电压谐波失真被阻塞。谐波电流反馈控制自动提供谐振阻尼，以避免智能阻抗支路和电网阻抗之间的谐振。

3)本系统经由智能阻抗原理对控制器进行优化设计，新的智能阻抗支路可以经由控制策略进行自动调节，简化了传统无源滤波器的物理调谐过程，具有良好的环境适应性。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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。