电力感应调控滤波系统滤波机理与运行特性分析
国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）、昆士兰大学信息技术与电气工程学院的研究人员刘乾易、李勇等，在2018年第14期《电工技术学报》上撰文，提出一种具有新型滤波原理的电力感应调控滤波系统。通过对整流变压器绕组的零阻抗设计，二次负载绕组和额外滤波绕组之间的谐波磁通相互抵消，从而缩短谐波在电力系统中的流通路径；有源逆变器起到隔离电网与整流负载之间的谐波电流作用，进一步提升了感应滤波性能。
给出电力感应调控滤波系统在谐波域下的三相等效电路和数学模型，根据推导出的谐波传递矩阵，建立本系统谐波抑制性能的评价体系，揭示了感应调控滤波系统独特的滤波机理；针对潜在的谐波放大现象，提出一种改进型虚拟阻抗控制策略，讨论了虚拟阻抗相位、幅值与滤波性能之间的关系，获得实现最优谐波抑制效果的虚拟阻抗相位。搭建小功率实验样机平台，验证了理论分析的正确性。
由于高耗能企业在电能质量治理方面存在的局限性，不可避免对公用电网引入谐波污染、低功率因数及高运行损耗等一系列电能质量问题。为满足工业生产需求，电力行业制定了相关的谐波标准[1,2]。对于典型的电解整流系统，靠近整流器侧电流可达到数百乃至上千安培[3]，因此为改善用电质量并节约运营成本，在电力系统公共连接点加装滤波装置已成为一种常用措施[4-6]。
值得注意的是，这类滤波器的使用使得谐波和无功分量能在其安装点之前任意流窜，对电气设备造成危害。举例来说，由工业整流负载产生的谐波电流会对整流变压器产生不容忽视的运行损耗和温升，加速了变压器的绝缘老化，减少使用寿命；在极度畸变的电流环境下运行，变压器的实际容量利用率也较低[7-9]。因此，有必要寻求一种能在工业谐波源附近进行电能质量综合治理的方法。
通过在负载侧改进电路结构或者设计优化控制策略，可以使非线性负载向电网尽量不传递或少传递谐波。目前所采取的主要措施有基于脉宽调制技术的整流器[10-12]、多脉波整流技术[13-15]和变压器集成滤波技术（第三绕组滤波器、感应滤波技术）[16-19]。
多脉波整流技术作为大功率整流系统谐波抑制的主要方案，将两个或多个整流单元通过整流变压器移相多重联结，以减少特征谐波次数。文献[13]提出了一种新型圆形变压器，变压器绕组分布于同一圆周上，具有电路和磁路对称性好，电路简单等优势。
文献[16]利用了现有变压器的第三绕组结合调谐滤波器构造了一条低阻抗调谐路径，并设计了相应的五条包含滤除零序和非零序谐波的滤波支路。然而这种第三绕组滤波器由于绕组滤波器设计难度大，使得滤波效果不尽人意。
文献[17]则对整流变压器进行重设计，提出了采用额外特殊设计滤波绕组的感应滤波（Inductive Power Filtering, IPF）技术。当谐波电流流经二次侧负载绕组时，形成的谐波磁通穿链相耦合的滤波绕组，滤波绕组随即感应出反向磁通，迫使窜入的特定次谐波磁通相抵消，对网侧绕组起到了谐波屏蔽的作用，因此感应滤波方法的滤波任务应归功于特殊设计的变压器而非无源滤波器。
结合混合有源滤波方法，可大幅提升感应滤波性能。本文提出一种主动跟踪式电力感应调控滤波（Controllably IPF, CIPF）系统，该系统由一台零阻抗设计的三绕组变压器、一组单调谐滤波器和一台与之串联的电压源型逆变器构成。该CIPF系统有效缩短了谐波流通路径，实现对于来自网侧/负载侧谐波的双向抑制，并阻尼谐波谐振。
首先建立CIPF系统的三相等效电路模型和数学模型，并以此为基础分析系统独特的滤波机理；然后为消除潜在的谐波放大现象并改善滤波性能，设计了改进型控制策略，探讨虚拟阻抗幅值、相位与谐波抑制效果之间的关系；最后通过实验验证了所提系统的有效性。
图1 CIPF系统原理接线图
图9 CIPF实验样机系统
针对工业整流领域电能质量问题，本文提出了一种主动跟踪式电力感应调控滤波系统，主要工作如下：
1）推导了CIPF系统谐波域数学模型和谐波传递矩阵，揭示了CIPF系统不同于传统混合滤波器的独特滤波机理。
2）建立CIPF系统滤波性能的评价体系，定义了能定量体现抑制来自负载和电网谐波效果的滤除率和阻尼率指标，为滤波系统硬件参数设计提供了指导。
3）针对潜在的滤波性能变差问题，本文提出了改进型虚拟阻抗控制策略，讨论了虚拟阻抗模值、相位与滤波性能之间的关系，确定了最佳虚拟阻抗相位，为控制器参数设计提供了理论依据。