第 38 卷 第 10 期
2018 年 10 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.38 No.10
Oct. 2018
基于能量模型的混合感应滤波系统控制方法
张志文
1
,曾令雄
1
,谢 斌
1
,饶玉凡
2
,易梅生
3
(1. 湖南大学 电气与信息工程学院,湖南 长沙 410082;2. 长沙电力职业技术学院 电力工程系,湖南 长沙 410131;
3. 特变电工湖南电气有限公司,湖南 衡阳 421007)
摘要:提出了一种工业配电系统新型混合感应滤波( HIAF) 装置。 分析了 HIAF 投入后谐波流通路径及对整
流变压器及系统的益处。 通过系统三相等效电路分析了 HIAF 的补偿机理并建立了 HIAF 的数学模型。 基
于无源控制(PBC)思想建立了该系统在 dq 坐标系下的欧拉 拉格朗日能量模型。 依据 HIAF 的补偿特性,并
结合阻尼注入的方法设计了控制器。 仿真和实验结果验证了补偿系统和控制策略的正确性。
关键词:混合感应滤波;无源控制;欧拉 拉格朗日能量模型;阻尼注入;补偿
中图分类号:TN 713 文献标识码:A DOI:10.16081 / j.issn.1006
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6047.2018.10.016
收稿日期:2017
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09
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13;修回日期:2018
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07
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11
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51477046) ;湖南省
创新创业技术投资资助项目(2017GK5021);湖南省重点研
发计划项目(2016GK2087,2017GK2241)
Project supported by the National Natural Science Foundation of
China(51477046),the Project of Innovation and Entrepreneurship
Technology Investment in Hunan Province( 2017GK5021) and
the Key R&D Program of Hunan Province(2016GK2087,2017⁃
GK2241)
0 引言
近年来,随着新能源发电的发展,越来越多的电
力电子变换装置作为新能源接入电网的接口被广泛
地应用到中低压配电网中。 电能变换装置的非线性
特性不可避免地给供电质量带来一定的影响
[1⁃2]
。
同时,非线性负荷如中压电机调速装置和工业二极
管或晶闸管整流装置等,向电网注入大量谐波并消
耗大量无功,在严重影响电能质量的同时,也给整个
系统的安全稳定运行带来巨大的挑战
[3]
。
为了治理配电网中存在的大量谐波,可以采用
安装无源滤波器、有源滤波器或者混合滤波器等方
式加以滤除。 无源滤波器虽然设计简单,但体积较
大,参数固定,在容量变化的配电网中不仅效果不
佳,还存在与系统发生谐振的风险。 相较无源滤波
器,有源滤波器具有较好的滤波特性且能有效抑制
谐振的发生,但在 6.6 kV 及以上电压等级的中压配
电网中,使用有源滤波方式补偿时容量大、成本高。
所以,为了降低有源补偿容量、减小投资成本,通常
采用混合滤波器提高滤波系统综合性价比
[3⁃4]
。
上述常规治理方案虽然能够满足配电网谐波治
理的要求,但其安装位置一般为公共母线,虽然可以
大幅改善母线及其上级系统的供电环境,但改善效
果无法拓展至下一级系统。 另一方面,在大功率整
流系统中,谐波可能增加整流变压器的损耗和噪声,
降低其使用 寿 命,常规的滤 波方法无 法改 善 这 一
状况
[5⁃6]
。
感应滤波技术是一种基于磁动势平衡原理的新
型滤波技术。 文献[7⁃10]以电解整流系统为例全面
地分析了感应滤波的特性,指出其克服了已有常规
滤波装置的缺点,表现了良好的滤波特性。 然而,由
于其本质还是无源滤波器,谐振风险依旧存在,且设
备占地面积大,难以在一些安装空间受限的场合加
以应用。 感应调控滤波技术
[11]
通过将感应滤波和
有源滤波结合,很好地克服了感应滤波存在的一些
固有问题,并有效地改善了整个系统的滤波性能。
然而,目前感应调控滤波技术均采用阻尼控制,虽然
控制原理简单但控制精度不够,且在工程中滤波系
统参数偏移时控制效果易受影响。
本文在已有研究的基础上,提出了一种新型的混
合感应滤波 HIAF(Hybrid Inductive Active Filtering)
系统。 该系统将一组 7 次无源滤波支路和电压源型
变流器直接串联并与对应滤波变压器的滤波绕组相
连接,从而取代了感应滤波系统中原有的多组无源
支路。 同时,基于系统的耗散特性,引入了无源控制
PBC(Passive⁃Based Control) 方法,通过建立系统等
效能量模型,可实现对滤波支路更为精确的分析和
控制。 仿真和实验结果表明该方法可以有效提高系
统的动、静态性能。
1 系统技术特征介绍
图 1 为工业配电系统结构示意图。 该系统中的
非线性负荷产生大量谐波电流,经过整流变压器和
配电变压器注入电网。 在母线上配置滤波装置以形
成低阻抗通路,可以有效抑制负荷谐波电流流入公
共电网,改善了该母线或其他母线负荷的供电环境,
但谐波源所在供电系统的电能质量问题依旧存在。
从图 1 可知,由于滤波装置安装位置的限制,使
得所有谐波和无功分量电流都会经过整流变压器,
引起整流变压器损耗加大、温升提高、振动和噪声加
剧等问题。
不同于传 统 混合滤 波 技术, 图 2 给 出 了应 用