变压器集成调控滤波系统及其无源控制方法

徐勇 刘乾易 李勇 何哲 向运琨 曾麟

摘要：大功率电解整流系统低压侧呈现出大电流特性，难以实施电能质量治理措施，给整流变压器造成极大危害。提出一种变压器集成调控滤波系统，有源滤波器通过变压器特殊定制的第三绕组接入系统并向其注入补偿电流，利用二次绕组之间的磁势平衡抑制变压器铁芯谐波磁通。首先揭示了变压器集成调控滤波系统的滤波机理，获得补偿电流指令量;建立其欧拉-拉格朗日模型，在无源控制律中增加虚拟注入阻尼实现其良好的跟踪性能;进一步地，在内外部参数扰动情况下，分析了滤波系统的稳定性能;最后，仿真结果验证了理论分析，说明该系统能在变压器二次绕组之间进行谐波抑制，有利于改善变压器的电磁环境。

关键词：电能质量;无源控制;有源滤波;整流变压器

DOI：10.15938/j.emc.（编辑填写）

中图分类号：TM41   文献标志码：A          文章编号：1007 -449X（2017）00-0000-00（编辑填写）

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

電解锰、电解铝等大功率整流系统主要由移相变压器、有载调压整流变压器和晶闸管可控整流桥构成[1-3]。整流变压器将电网220 kV或110 kV电压变为500 V或更低电压等级，变压器呈现出一次侧低电流/高电压、二次侧大电流/低电压的电气特征。在此情况下，整流器附近接入滤波器会引发损耗较大的问题;通常做法是在变压器网侧接入滤波装置[4-6]，而谐波与无功电流流经整流变压器，造成变压器运行效率低下、损耗严重和容量利用率低等问题。综上，如何在大功率电解整流系统中进行电能质量治理仍是一个尚待解决的技术难题。

文献[7-10]提出了感应滤波方法，在变压器内新增感应滤波绕组并接入无源滤波装置，适当地降低了滤波装置的额定电流与接入电压，并实现了谐波电流在变压器二次绕组之间的抑制，提升变压器的运行效率，该方法已在工业整流系统、新能源并网电站实现工程应用[10];为提高其动态滤波性能、增强阻尼谐波谐振能力，文献[11-13]设计了一种基于LC耦合有源滤波方法的电力感应调控滤波系统。有源滤波装置在该系统中仅承担增强无源滤波器滤波性能的责任，最主要的滤波任务还是依赖调谐滤波器，滤波性能的好坏在很大程度上仍取决于调谐滤波器的调谐准确度、品质因数的高低。

为充分挖掘有源滤波装置的滤波潜能，本文提出一种谐波补偿电流主动注入式的变压器集成调控滤波系统，为提高其指令电流动态跟踪能力，设计了虚拟注入阻尼的无源控制策略;对其在内外部参数扰动下的稳定性能进行了探究;最后，仿真结果验证了理论分析。

1 变压器集成调控滤波理论

1.1 系统结构

图1示出了应用于工业整流领域的变压器集成调控滤波系统接线图。为减少滤波设备运行损耗、减低有源滤波器（APF）接入电压等级，采用了滤波器通过变压器第三绕组连接的方式接入系统。该系统由一台三绕组变压器和一组混合有源滤波器组成，变压器一次侧采用Y形接线，二次采用延边三角形接线。延边绕组作为负载绕组连接整流负荷，APF接入点位于延边绕组（W3）和三角绕组（W2）的公共端点处。

考虑跟踪误差在+20%的情况下，以电容/电抗参数偏差为自变量，绘制出图5所示的曲面。从图中可得，电容/电抗参数对?曲面几乎没有影响，并且?仍保持较大的收敛速度使跟踪误差能量函数向平衡点靠近。

4 仿真验证

为验证本文提出的变压器集成调控滤波系统及其无源控制策略，采用PSCAD/EMTDC软件搭建仿真模型，主要参数在表2和3中列出。

图7和图8给出了变压器集成调控滤波系统的滤波性能测试结果。从图7（a）和（d）中可以看出，当在t1时刻投入滤波装置，网侧电流波形质量得到大为改善。六脉波整流桥模拟的谐波源负载产生的5、7、11和13等次谐波含量大幅下降，此时，网侧电流畸变率为3.96%。当t2时刻，减少负载使得网侧基波电流变大，滤波系统也能及时进行跟踪补偿[见图7（f）]，体现了无源控制策略具备的良好动态跟踪性能。此外，图9示出了变压器二次滤波和负载两个绕组的电流波形，补偿电流注入滤波绕组，在谐波频率下满足了变压器二次绕组的磁势平衡原理，实现谐波的二次侧抑制。

仿真中模拟电抗/电容扰动为+20%情况下的滤波效果，如图10所示。很明显，仿真结果与理论分析一致，即网侧电流在滤波器参数偏差情况下，仍能保持一个良好的滤波效果，并且波形与图7（d）相似。此时，网侧电流畸变率为4.01%。

进一步地，仿真对比了变压器集成调控系统在分别采用本文提出的无源控制策略和文献[17]的传统PI控制策略下的滤波效果，表4列出了网侧谐波电流含量对比结果。可以看出相比于PI控制策略，本文所采用的方法在滤波效果上更具优势;对比结果说明：无源控制策略在跟踪能力上的优化提升，进一步增强了滤波系统的工作性能。

5 结论

针对大电流电解整流系统电能质量治理问题，提出了一种变压器集成调控滤波系统。本文研究工作主要有以下三点贡献：

1）提出谐波补偿电流主动注入式的变压器集成调控滤波系统，设计其控制策略，用仿真结果验证其可行性和有效性。

2）建立了基于LC耦合有源濾波器的变压器集成调控滤波系统的无源控制模型，通过反馈采样滤波电容电压和滤波电抗电流实现对补偿电流的精准控制;

3）在考虑内外部参数扰动情况下，对变压器集成调控滤波系统的跟踪稳定性进行了判定，判定结果表明：该系统具有较强的鲁棒性。

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