CN101447672B - 新型全频谱电力有源滤波器 - Google Patents

Abstract

新型全频谱电力有源滤波器，是根据傅立叶级数分析：“非正弦波的周期量可分解成基波分量和具有基波频率整数倍的谐波分量。”原理，用非正弦波电压减去基波电压的方法，从而分离出全频谱谐波电压，再将此谐波电压反相后抵消原有的谐波电压，从而实现全频谱有源滤波。本发明由标准正弦波变压器、谐波变压器、单相自耦变压器三部分组成。标准正弦波变压器提供标准正弦波比较电压；谐波变压器将非正弦波电压与标准正弦波电压进行比较(相减)，分离出谐波电压，再将谐波电压反相并与标准正弦波电压叠加后注入电网线路。本发明克服了现有逆变式电力有源滤波器的缺点。具有结构简单、低成本、高可靠性、耗能少等优点。

Description

新型全频谱电力有源滤波器

一、所属技术领域

本发明涉及一种能滤除电力系统全频谱所有各次谐波的新型装置，这种装置采用了新颖简单的谐波分离技术——基波比较(相减)分离法。这是一种不需要逆变、主要利用谐波本身能量就能消除谐波的有源滤波装置，属谐波治理和节能技术领域。 

二、背景技术

电力系统中的谐波来自电气设备，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，当电力系统向非线性设备供电时，这些设备在吸收基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，谐波源产生的谐波，与其非线性特性有关。当前，电力系统的谐波源，按其非线性特性主要分几大类： 

a.各种铁心设备，如电动机、变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性，电流为非正弦波形。 

b.各种交直流换流装置(整流器、逆变器、变频调速器)以及晶闸管可控开关设备等，在化工、冶金、矿山等大量工矿企业广泛使用； 

c.各种电焊机，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，导致电流不规则地波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。 

d.日常生活设备：如日光灯、节能灯、电磁炉、微波炉、彩色电视机、电脑、办公自动化设备、变频空调、电子整流充电器等。 

在理想的交流电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。所谓谐波，即在交流电力系统中，由于大量非线性电气设备的使用，其电压电流波形已不是完整的正弦波波形，而是不同程度地发生了畸变。根据数学中的傅立叶级数分析，非正弦波的周期量可分解成基波分量和具有基波频率整数倍的谐波分量。各次谐波的相序是不相同的，分正序、负序和零序三类，三相平衡系统中的各次谐波相序如下表所示： 

次数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	…
																	相序	+	-	0	+	-	0	+	-	0	+	-	0	+	-	0	…

在低压电力系统中，根据运行实践，上述各次谐波的损耗以零序谐波特别是三次谐波所占成分较大，且对电气设备的危害最为严重。其原因根据理论分析，是零序谐波磁通在配电变压器的三铁芯中互相对顶，零序谐波阻抗为零，从而形成零序谐波短路所致。 

各相中的零序谐波特别是三次谐波因其相位相同，不仅不能抵消，反而会相互叠加后以3倍于相线的谐波电流通过中性线，使中性线总电流大大超过其安全电流值造成过负荷，这 种状态下就有可能造成导线过热进而引发火灾。零序谐波特别是三次谐波在发热的同时也就消耗了大量有功功率，这个有功功率的来源只能是电源基波功率提供。 

其他高次谐波的危害 

(1)谐波对如旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声； 

(2)谐波对供电线路产生附加损耗； 

(3)使电网中的电容器产生谐振。由于谐波频率多，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。 

(4)谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。 

现有谐波滤波技术工作原理 

1、无源滤波器工作原理 

无源滤波器是通过L、C串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，从而达到对该次谐波治理的目的。 

LC无源滤波器，结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿一个或几个固定频率的谐波，不能补偿所有谐波，补偿效果也不甚理想。 

2、现有有源滤波器工作原理 

早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF(Active Power Filter)的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。 

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿，和无源滤波器相比，有突出的优点： 

(1)对各次谐波均能有效地抑制； 

(2)系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响； 

(3)不会产生谐振现象，能抑制外电路的谐振产生的谐波电流的变化； 

(4)用一台装置就可以实现对各次谐波的补偿； 

(5)不存在过载问题，当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开。 

由以上可看出，有源电力滤波器克服了无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，本来应该有很大的发展前途，但其缺点是由于功率电子元件容量做不大、电压做不高，成本很高，元件容易烧坏，可靠性不高，因此在现阶段不可能大量推广应用。 

我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段，工业应用上只有少数样机投入运行，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用有 源滤波进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，但现有有源滤波技术的高成本、低可靠性成为其发展的瓶颈。 

三、发明内容和附图说明 

有源滤波效果那么好，市场应用潜力又非常巨大，但高成本技术瓶颈又那么难克服，由此我们设想能不能用一种比较简单的技术代替。首先我们想到，有源滤波的原理其实就是人工制造一个谐波发生器，其产生的谐波与自然谐波一模一样，只不过各次谐波相位相反而已。由此我们设想，与其人工制造，不如直接把电网的谐波提取出来，把相位变反后，再注入电网，不就达到同样效果？ 

本发明的目的，就是发明一种技术实用、结构简单、造价低廉、滤波效果复盖电力谐波全频谱的有源滤波器，代替现有价格昂贵、技术复杂、无法推广的逆变式有源滤波器。 

为了实现有源滤波，最重要的是从电网中把全频谱(多达几十次)的谐波提取出来，在本发明之前，是无法达到的。虽然有正序、负序、零序过滤器，但前2种过滤器只能做到仪表级的输出功率，对有源滤波不实用。 

1、谐波合成原理(见图1) 

为了说明本发明的全频谱谐波提取技术思路，要先说明谐波是如何合成的。 

根据傅立叶级数原理，非正弦波的周期量可分解成基波分量和具有基波频率整数倍的谐波分量。在图1示例的3个分图中，上图是基波波形图，中图是3次谐波的波形，下图是合成波波形。基波是电源提供的，3次谐波是非线性负载提供的。合成波波形是基波与3次谐波同时叠加后的波形，也是电网上的电压波形，这个波形已经不是正弦波，而是畸变波形。这个示例只有一个谐波，实际电网要复杂得多，畸变波形可能由几十个不同频率的谐波叠加合成。 

2、谐波分离原理 

电网上的谐波可能多达数十个，又有正序、负序、零序之分，如何将其整体分离出来？我们是这样考虑的：几乎所有物理现象都是可逆的，既然畸变波形是基波与谐波相加而成，.那么反过来，如果畸变波形减去一个与基波在频率、相位、幅值上完全相等的标准正弦波，不就剩下所有的谐波了？这个设想在理论上是完全正确、可行的，也是可计算的。这个设计思想，是本发明的重要亮点，关键是在电路上如何实现了。 

图2是实现谐波分离原理示意图，图2中： 

U₁——用户电网电压。由于用户是非线性负载，因此U₁是畸变电压，U₁中除基波外还包含有谐波成分，即： 

U₁＝基波电压+谐波电压； 

U₂——标准正弦波电压。我们可以用一台专用变压器从上一级电网系统中经降压获得，其频率、相位、幅值与U₁的基波电压完全相等；即： 

U₂＝基波电压 

U₃——谐波电压。由于U₂与U₁的两个基波电压完全相等，对基波电压来说，A、B两端电位差为零，相当于基波等电位；所以： 

U₃＝U₁-U₂＝(基波电压+谐波电压)-基波电压＝谐波电压。 

如果U₁中没有谐波分量，则U₃＝0，谐波分量越大，则U₃越大。 

由上所述可知道，本发明所采用的谐波分离原理，就是基波比较(相减)法，其实这完全是谐波合成原理的反向操作。 

图2所示谐波分离原理图是单相的，而实际电网是三相的，会不会有些次数的谐波只存在于线电压而不存在于相电压中？不会的，因为谐波虽有正序、负序、零序之分，但每种序列都有相电压，因此本发明的谐波分离原理不会漏掉任何次数的谐波。 

3、本发明工作原理方框图(见图3) 

本发明有源滤波器原理如图3所示，图3中，主要由“标准正弦波电源U2”、“负载电源U1”、“谐波变压器B2”、“谐波隔离阻抗Z”和“非线性负载”几部分组成。 

U1——负载电源。就是普通的工频电源，由于接有非线性负载，因此U1中除基波外，还包含有各次谐波，是一个畸变波形。 

U2——标准正弦波电源。其作用是为“谐波变压器”提供干净纯正的标准正弦波电压，以与电网含有谐波的畸变电压U1作比较之用。 

B2——谐波变压器。其作用是检测负载电源畸变电压U1与标准正弦波电压U2之差，把谐波电压从电网电压U1中分离出来。其中线圈B2-1是谐波电压分离线圈，线圈B2-2是谐波电压反相线圈。 

Z——谐波隔离阻抗。因为谐波是从电网线路上提取，又要反相注入同一线路，因此谐波的输入、输出端必须用电抗隔离。 

图3中，U1与U2通过谐波变压器的B2-1线圈相连接，按照电工理论，如果U1＞U2，则有电流从U1流向U2，反之则从U2流向U1。 

当电网接上非线性负载后，就产生谐波电压，负载电源的电压U₁就是基波电压与谐波电压之和，我们选择U1的基波电压等于或稍大于U2的基波电压，则有电流从U1经谐波变压器B2-1线圈流向U2，这个电流就是谐波电流Ix。 

流过B2-1线圈的谐波电流Ix，在谐波变压器B1的另一边B2-2线圈中产生反相的谐波电压U’x，这个谐波电压与U2叠加后，成为新的合成畸变电压，其波形在顶部是反相谐波电压，如果开关K闭合，则这个合成电压会产生反相谐波电流I’x，将反相谐波电流注入电网中，就能抵消原始谐波，从而起到有源滤波的作用。 

图3中，如果在谐波变压器的B2-1线圈两端接上示波器，就会观察到畸变的谐波电压，如果合上开关K，就会看到平滑的正弦波，证明谐波被滤除了。 

如果变换谐波变压器B2任一线圈的两个线头，则无论开关K处于何状态，均没有滤波作用，这证明有源滤波原理是正确的。 

以上就是本发明的基本工作原理。 

4、附图说明

1、图1是谐波合成原理图 

2、图2是谐波分离原理图 

3、图3是本发明工作原理方框图 

4、图4是本发明实施例工作原理图 

四、具体实施方式

本发明实施例工作原理图见图4： 

图4中实线框内部分是用户的设备，虚线框内的设备是本发明所用到的设备。图4是三相系统，其中只示出了A相的线路图，其余B、C相相同。 

图4中属于本发明的部件： 

BH2--三相标准正弦波变压器，用来产生标准正弦波比较电压。此变压器必须与用户变压器BH1共用一个高压开关，不能另接高压开关。 

B1--单相自耦变压器。 

B2--谐波变压器。 

L--电抗器。 

用户已有的设备： 

BH1--用户配电变压器， 

C--用户无功补偿电容器。此电容器必须接在本发明有源滤波器之后，否则有源滤波器无法正常工作。 

实施例是一个三相供电系统，所以BH2是一台小容量三相变压器，它是标准正弦波发生器，实际上也是普通电力变压器，只不过要求这台变压器与用户变压器具有相同接线组别、相同的电压等级。其主要作用是为谐波分离器提供标准正弦波比较电压。 

实施例实际工作原理见图4，图4中B1是单相自耦变压器，它具有两个线圈：B1-1、B1-2，其中B1-1是电源线圈；B1-2是降压线圈，B1-2线圈同时作谐波隔离阻抗用。B1的作用是为了向负载提供稳定的电压，使负载从空载至满载电压基本不变。 

线圈B1-1，它并联在低压电网线路上，必须能够承受低压电网线路出现的最大电压。 

线圈B1-2，它串联在低压电网线路上，必须能够承受线路可能出现的最大负载电流。 

谐波变压器B2的作用：这个变压器的工作原理与作用上面已经作了详细论述。 

电抗器L的作用：由于小容量标准正弦波变压器BH2的低压端是通过谐波变压器并联在电网上的，有可能向负载供电，串联一个电抗器，是为了限制电流。 

本发明实施例工作过程：参看原理图4，10KV高压电网向用户变压器BH1和标准正弦波变压器BH2同时供电，两个变压器虽然容量不同，但具有相同的接线组别和相同的相位。在空载时三相标准正弦波变压器BH2的低压输出电压U2可以比用户配电变压器BH1的电压U1低一些，以利谐波电流在在谐波变压器B2中的流动。 

当用户接上非线性负载后，就产生谐波电压和流向用户变压器的谐波电流，低压电网的非线性畸变电压U1中就包含了基波电压与谐波电压。 

低压电网电压U1与标准正弦波电压U2同时输入谐波分离线圈B2-1的两头，如果低压电网电压中没有谐波分量，只有基波分量，两个基波分量由于相位相同、幅值相同，则两个基波之间不存在电位差，谐波电流Ix＝0，谐波分离线圈B2-1的两端电压降理论上等于零。 

如果低压电网有非线性负载，则负载产生谐波电压与电网电压叠加，电网电压变成为非线性畸变电压，这个非线性畸变电压不再等于原来的基波电压，因此经比较后在谐波分离线圈B2-1的两端产生电压，这个电压可以不含基波成分，所以是纯谐波电压，这个谐波电压就产生大于0的谐波电流Ix。 

由于谐波分离线圈B2-1是谐波变压器B2的一个线圈，谐波电流Ix就会在B2铁芯产生谐波磁通，从而在线圈B2-2中产生反相谐波电势。线圈B2-2的一头是通过电抗器Z与U2的a端相连的，这个反相谐波电势与标准正弦波电压U2完成了叠加过程，成为反相合成电压，此反相电压加载到低压电网线路上，就产生反相谐波电流I’x。 

由于反相谐波电压电流对原始谐波的强烈对消作用，就能将电网上的谐波消灭得干干净净，从而起到有源滤波的作用。 

五、与现有技术相比本发明的优点： 

1采用传统技术，不用逆变器，本身不产生谐波，消耗功率很少，很节能； 

2全频谱有源滤波，不会遗留某次谐波，对消谐波与原谐波180°反相位，没有相位延迟，滤波效果理想； 

3适合各种阻抗的用户变压器及线路，滤波效果不受用户系统参数影响，通用性很强； 

4有自动适应谐波电压变化功能； 

5低成本。现有有源滤波器由于成本很高，应用很少，而本发明有源滤波器成本特低，任何单位用户都用得起，可以广泛推广使用。 

6容量不限。现有有源滤波器受器件限制，容量难做大，而本发明不受容量限制； 

7用户电压等级不限。可以适用于0.4-10KV电压等级的用户； 

8可靠性高。没有容易烧坏的部件，因此运行可靠性很高； 

9长寿命。由于结构简单，只用传统变压器，没有易损件，因此寿命很长。 

Claims (1)

1.一种新型全频谱电力有源滤波器，包含三相标准正弦波变压器BH2和谐波变压器构成的全频谱谐波分离电路，其特征是：分离全频谱谐波的方法，是把两个具有基波同相位特性的畸变电压U1和标准正弦波电压U2进行比较，从而分离出全频谱谐波电压分量；其中畸变电压U1连接到谐波变压器第一线圈B2-1的上端头，标准正弦波电压U2通过串联的电抗器L连接到谐波变压器第一线圈B2-1的下端头，利用畸变电压U1和标准正弦波电压U2中的基波等电位原理，通过比较，消除了谐波变压器第一线圈B2-1中的基波分量，在谐波变压器的第一线圈B2-1两端头剩下的就是畸变电压U1中含有的全频谱谐波电压分量；此全频谱谐波电压分量在谐波变压器的另一边线圈B2-2中产生反相的谐波电压，这个反相谐波电压与标准正弦波电压U2叠加后，成为新的合成畸变电压，由于其波形包含反相谐波电压，根据电力有源滤波原理，将此合成畸变电压注入电网中，就能抵消原有谐波，实现全频谱电力有源滤波的目的：

三相标准正弦波变压器BH2是普通三相电力变压器，它的初级线圈左端头与用户配电变压器BH1初级线圈左端头并联连接到电源的高压侧，它的次级a相线圈的端头与电抗器L左端头连接，电抗器L的右端头与谐波变压器第一和第二线圈的下端头连接；

谐波变压器是一个双线圈变压器，它的第一和第二线圈极性相异的两个下端头与电抗器L的右端头连接，电抗器L的左端头与三相标准正弦波变压器BH2次级a相线圈的端头连接；所述谐波变压器两个线圈的两个上端头分别接到单相自耦变压器第二线圈B1-2的两端，其中谐波变压器第一线圈B2-1的上端头还和用户配电变压器BH1次级a相线圈的端头连接，谐波变压器第二线圈B2-2的上端头还和单相自耦变压器第一线圈B1-1的上端头及负载的左端头连接；单相自耦变压器第一线圈B1-1的下端头及负载的下端头与电源系统的中性线相连接，连接点电压为0。