變壓器集成調控濾波系統及其無源控制方法

徐勇 劉乾易 李勇 何哲 向運琨 曾麟

摘要：大功率電解整流系統低壓側呈現出大電流特性，難以實施電能質量治理措施，給整流變壓器造成極大危害。提出一種變壓器集成調控濾波系統，有源濾波器通過變壓器特殊定制的第三繞組接入系統并向其注入補償電流，利用二次繞組之間的磁勢平衡抑制變壓器鐵芯諧波磁通。首先揭示了變壓器集成調控濾波系統的濾波機理，獲得補償電流指令量;建立其歐拉-拉格朗日模型，在無源控制律中增加虛擬注入阻尼實現其良好的跟蹤性能;進一步地，在內外部參數擾動情況下，分析了濾波系統的穩定性能;最后，仿真結果驗證了理論分析，說明該系統能在變壓器二次繞組之間進行諧波抑制，有利于改善變壓器的電磁環境。

關鍵詞：電能質量;無源控制;有源濾波;整流變壓器

DOI：10.15938/j.emc.（編輯填寫）

中圖分類號：TM41 ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：1007 -449X（2017）00-0000-00（編輯填寫）

Abstract：The low-voltage side of the large-power rectifier system has the characteristic of large current， which makes it hard for power quality management. It also has the negative effect on the rectifier transformer. This paper proposed a transformer integrated active filtering system. The active filter accesses to the system via the special designed transformer， and injects the compensating currents. The harmonic flux in the transformer is suppressed due to the magnetic potential balance between the secondary windings. First， the filtering mechanism was revealed， and the reference compensating current was obtained. The Euler-Lagrange model was then established. Virtual damping was added into the passive control law to realize the satisfactory tracking performance. Furthermore， the system stability was analyzed considering the internal and external disturbance. Finally， the theoretical analysis was verified by means of simulation results， which showed that the filtering system can suppress the harmonic between the secondary windings and improve the electromagnetic environment of the transformer.

Keywords： power quality; passive control; active filtering; rectifier transformer

0 引言

電解錳、電解鋁等大功率整流系統主要由移相變壓器、有載調壓整流變壓器和晶閘管可控整流橋構成[1-3]。整流變壓器將電網220 kV或110 kV電壓變為500 V或更低電壓等級，變壓器呈現出一次側低電流/高電壓、二次側大電流/低電壓的電氣特征。在此情況下，整流器附近接入濾波器會引發損耗較大的問題;通常做法是在變壓器網側接入濾波裝置[4-6]，而諧波與無功電流流經整流變壓器，造成變壓器運行效率低下、損耗嚴重和容量利用率低等問題。綜上，如何在大功率電解整流系統中進行電能質量治理仍是一個尚待解決的技術難題。

文獻[7-10]提出了感應濾波方法，在變壓器內新增感應濾波繞組并接入無源濾波裝置，適當地降低了濾波裝置的額定電流與接入電壓，并實現了諧波電流在變壓器二次繞組之間的抑制，提升變壓器的運行效率，該方法已在工業整流系統、新能源并網電站實現工程應用[10];為提高其動態濾波性能、增強阻尼諧波諧振能力，文獻[11-13]設計了一種基于LC耦合有源濾波方法的電力感應調控濾波系統。有源濾波裝置在該系統中僅承擔增強無源濾波器濾波性能的責任，最主要的濾波任務還是依賴調諧濾波器，濾波性能的好壞在很大程度上仍取決于調諧濾波器的調諧準確度、品質因數的高低。

為充分挖掘有源濾波裝置的濾波潛能，本文提出一種諧波補償電流主動注入式的變壓器集成調控濾波系統，為提高其指令電流動態跟蹤能力，設計了虛擬注入阻尼的無源控制策略;對其在內外部參數擾動下的穩定性能進行了探究;最后，仿真結果驗證了理論分析。

1 變壓器集成調控濾波理論

1.1 系統結構

圖1示出了應用于工業整流領域的變壓器集成調控濾波系統接線圖。為減少濾波設備運行損耗、減低有源濾波器（APF）接入電壓等級，采用了濾波器通過變壓器第三繞組連接的方式接入系統。該系統由一臺三繞組變壓器和一組混合有源濾波器組成，變壓器一次側采用Y形接線，二次采用延邊三角形接線。延邊繞組作為負載繞組連接整流負荷，APF接入點位于延邊繞組（W3）和三角繞組（W2）的公共端點處。

考慮跟蹤誤差在+20%的情況下，以電容/電抗參數偏差為自變量，繪制出圖5所示的曲面。從圖中可得，電容/電抗參數對?曲面幾乎沒有影響，并且?仍保持較大的收斂速度使跟蹤誤差能量函數向平衡點靠近。

4 仿真驗證

為驗證本文提出的變壓器集成調控濾波系統及其無源控制策略，采用PSCAD/EMTDC軟件搭建仿真模型，主要參數在表2和3中列出。

圖7和圖8給出了變壓器集成調控濾波系統的濾波性能測試結果。從圖7（a）和（d）中可以看出，當在t1時刻投入濾波裝置，網側電流波形質量得到大為改善。六脈波整流橋模擬的諧波源負載產生的5、7、11和13等次諧波含量大幅下降，此時，網側電流畸變率為3.96%。當t2時刻，減少負載使得網側基波電流變大，濾波系統也能及時進行跟蹤補償[見圖7（f）]，體現了無源控制策略具備的良好動態跟蹤性能。此外，圖9示出了變壓器二次濾波和負載兩個繞組的電流波形，補償電流注入濾波繞組，在諧波頻率下滿足了變壓器二次繞組的磁勢平衡原理，實現諧波的二次側抑制。

仿真中模擬電抗/電容擾動為+20%情況下的濾波效果，如圖10所示。很明顯，仿真結果與理論分析一致，即網側電流在濾波器參數偏差情況下，仍能保持一個良好的濾波效果，并且波形與圖7（d）相似。此時，網側電流畸變率為4.01%。

進一步地，仿真對比了變壓器集成調控系統在分別采用本文提出的無源控制策略和文獻[17]的傳統PI控制策略下的濾波效果，表4列出了網側諧波電流含量對比結果。可以看出相比于PI控制策略，本文所采用的方法在濾波效果上更具優勢;對比結果說明：無源控制策略在跟蹤能力上的優化提升，進一步增強了濾波系統的工作性能。

5 結論

針對大電流電解整流系統電能質量治理問題，提出了一種變壓器集成調控濾波系統。本文研究工作主要有以下三點貢獻：

1）提出諧波補償電流主動注入式的變壓器集成調控濾波系統，設計其控制策略，用仿真結果驗證其可行性和有效性。

2）建立了基于LC耦合有源濾波器的變壓器集成調控濾波系統的無源控制模型，通過反饋采樣濾波電容電壓和濾波電抗電流實現對補償電流的精準控制;

3）在考慮內外部參數擾動情況下，對變壓器集成調控濾波系統的跟蹤穩定性進行了判定，判定結果表明：該系統具有較強的魯棒性。

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