CN101552472A - 一种有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器，它包括基波电压检测单元、电力电子逆变器系统单元和接入系统单元。基波电压检测单元包括电压互感器和基波电压检测环节，电力电子逆变器系统单元包括电压增益电路和电压发生电路；工作时，电压互感器并联在谐波源的两端，接入系统单元将电压发生电路的输出电压并联接在谐波源的两端。该滤波器还可以包括谐波电流检测单元和电流增益电路。本发明结构简单，控制方便，同时对谐波起到了“疏导”和“隔离”的作用，其滤波效果非常好且同时适合于电压型和电流型谐波源。本发明与现有的PWM高频整流器，并联型有源电力滤波器，串联混合型有源电力滤波器，统一电能质量控制器相比均有一定优势。

Description

一种有源电力滤波器

技术领域

本发明属于电力滤波器技术领域，具体涉及一种有源电力滤波器。

背景技术

电力电子装置和非线性负载的广泛应用产生了大量的谐波，影响了系统的功率因数。谐波对电力系统来说就是一种污染，一种公害，它不仅会对电力系统本身的安全经济运行构成威胁，还会给周围的电气环境带来极大的影响和危害。无功补偿在提高功率因数和节能、减少功率损耗、提高输电能力等方面具有极其重要的作用。现代信息技术、微电子技术和数控加工技术等领域的各种先进的精密仪器与设备对供电质量的要求越来越高，谐波抑制和无功补偿成为电力系统和电力用户关注的热点问题。

电力电子变换装置是目前电力系统中最主要的谐波源，解决电力电子装置造成的谐波和无功功率问题有两种方案：一种是主动型方案，即对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数控制为1，这种装置属于绿色电力电子装置，是电力电子领域的热门研究方向，但这种方案的主要缺点是电力电子装置要承受全部功率，系统动态响应要求很高，而且要对现有的设备进行更新，代价较大；另一种属于被动型方案，通过装设谐波和无功补偿装置来补偿谐波，并提高功率因数，这就是通常所说的电力滤波器，大部分电力滤波器除了具有滤波功能以外，还具有静态或动态无功补偿的功能。电力滤波器一般分为无源电力滤波器和有源电力滤波器，其中无源电力滤波器是目前使用最为广泛和成熟的谐波抑制手段，但是无源电力滤波器存在一些固有缺点：可能导致谐振现象、系统的阻抗严重地影响滤波特性、无法对变化的谐波进行实时补偿等。有源电力滤波器就是为了解决无源电力滤波器的问题而提出的。有源电力滤波器主要分为以下四大类：

1)单独使用的并联型和串联型有源电力滤波器。单独使用的并联型有源电力滤波器的代表性的论文有：Gyugyi L，Strycula E.Active AC PowerFilter.IEEE Transactions on Industry Applications，1976，Vol.12，529～535。这种滤波方式后来被简称为并联型有源电力滤波器。电力电子类谐波源根据其特性分为电压型谐波源和电流型谐波源，并联型滤波器一般适合于电流型谐波源，而串联型滤波器一般适合于电压型谐波源。传统的并联型有源电力滤波器的主要缺点是成本较高，一般只适合于电流型谐波源。单独使用的串联型有源电力滤波器与单独使用的并联型有源电力滤波器成对偶关系，这种滤波器对谐波呈现一个较高阻抗，起到隔离谐波的作用。这种滤波器不能进行无功补偿，功能比较单一，保护比较困难，而且一般只适合于电压型谐波源。

2)其他并联型有源电力滤波器，主要包括注入式有源电力滤波器、基于单周控制的有源电力滤波器和基于谐波磁通补偿的有源电力滤波器，注入式有源电力滤波器不能动态补偿无功功率，基于单周控制的有源电力滤波器的代表性论文有：K.M.Smedley，L.Zhou，C.Qiao.Unifiedconstant-frequency integration control of active power filters-steady-state anddynamics.IEEE Transactions on Power Electronics，2001，16(3)：428-436。该滤波器要求电网电压平衡无畸变，其稳定性对参数选定有严格要求。基于谐波磁通补偿的有源电力滤波器的代表性文献为：C.Zhang，Q.Chen，Y.Zhao，D.Li.A novel active power filter for high-voltage power distribution systemsapplication，IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22(2)：911-918。该滤波器系统的内阻抗在很大程度上会影响滤波特性，并且很难严格满足谐波磁通补偿条件。

3)混合型有源电力滤波器，主要包括并联无源和串联有源电力滤波器相结合的方案、无源和有源电力滤波器串联联接的方案和基于基波磁通补偿的串联有源电力滤波器。并联无源和串联有源电力滤波器相结合的方案的代表性文献为：F.Z.Peng，H.Akagi，A.Nabae.A new approach to harmoniccompensation in power system-a combined system of shunt passive and seriesactive filters.IEEE Transactions on Industry Applications，1990，26(6)：983-990。无源与有源电力滤波器串联联接的方案的代表性文献为：H.Fujita，H.Akagi.A practical approach to harmonic compensation in power systems-series connection of passive and active filters.IEEE Transactions on IndustryApplications，1991，27(6)：1020-1025。这种滤波器将变压器及逆变器部分移到并联无源部分的下面，形成了一种新的拓扑结构，它跟并联无源和串联有源电力滤波器相结合的方案在原理是等效的，其滤波效果也完全一致。基于基波磁通补偿的串联有源电力滤波器是发明人提出的一种有源电力滤波器，代表性文献为：D.Li，Q.Chen，Z.Jia，C.Zhang.A high-power activefiltering system with fundamental magnetic flux compensation.IEEETransactions on Power Delivery，2006，21(2)：823-830。这三种方案的优点是可以采用较小容量的有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合完成大容量的滤波任务。这三种方案的共同缺点是无源支路较多，且无法动态补偿无功功率。

4)统一电能质量控制器(UPQC)。代表性的论文有：H.Akagi.New trendsin active filters for power conditioning.IEEE Transactions on IndustryApplications，1996，32(6)：1312-1322。统一电能质量控制器包含两个逆变器，一个串联在系统中，主要起谐波隔离、电压调节以及补偿闪变和不平衡电压的作用；另一个并联在谐波源两端，主要起补偿谐波电流或负序电流和调节两个逆变器的直流母线电压的作用，该系统的缺点是结构和控制非常复杂。

发明内容

本发明是针对现有技术的问题和不足而提出的一种兼具“疏导”和“隔离”谐波作用，结构简单、实现起来非常方便且滤波效果非常好的有源电力滤波器。

本发明提供的有源电力滤波器，其特征在于：该有源电力滤波器为单相结构，它包括基波电压检测单元、电力电子逆变器系统单元和接入系统单元；

基波电压检测单元包括电压互感器和基波电压检测环节，电压互感器的输出端与基波电压检测环节的输入端相联，基波电压检测单元将从畸变的电网电压中检测出基波电压信号作为基波电压检测单元输出信号，送入电力电子逆变器系统单元的电压增益电路；

电力电子逆变器系统单元包括电压增益电路和电压发生电路；

电压增益电路将检测到的基波电压信号进行放大后送入电压发生电路，电压发生电路产生一个与其输入信号成比例的电压，电压发生电路的输出端与接入系统单元相联；

工作时，电压互感器并联在谐波源的两端，接入系统单元将电压发生电路的输出电压并联接在谐波源的两端。

作为本发明的改进，该有源电力滤波器还包括谐波电流检测单元，在电力电子逆变器系统单元内设置有电流增益电路和加法器；

谐波电流检测单元包括电流互感器和谐波检测环节，电流互感器串接电网母线上，电流互感器的输出端与谐波检测环节的输入端相联接；电流互感器从电网母线的系统电流中检测出电流信号送入谐波检测环节，谐波检测环节检测出谐波电流信号送入电流增益电路，电流增益电路将检测到的谐波电流信号进行放大后送入加法器；加法器将谐波电流信号和基波电压信号相加后的电压信号作为电压发生电路的输入信号。

上述技术方案还可以采用下述一种或几种方式作进一步的改进：之一：接入系统单元由联接电抗器构成，使用时，电压发生电路的一个输出端与电网母线相联，另一输出端通过一个联接电抗器后和电网的一根母线相联。之二：接入系统单元由变压器构成，使用时，电压发生电路的两个输出端和一个变压器的二次侧相联，变压器的一次侧的两端分别接在两根母线上。之三：该有源电力滤波器由三套单相结构构成三相系统，用于三相四线制的电力系统。之四：在三相三线制的电力系统的负载侧设置一根中性线，由三套单相结构的有源电力滤波器构成三相系统。

本发明所述的有源电力滤波器与现有技术相比有如下优点：

1)结构简单；整个系统仅仅由信号检测电路、逆变器电路和一个简单的接入单元构成。

2)控制方便，只须对基波无功功率和系统电流的谐波成分进行简单控制就可以实现谐波“疏导”和“隔离”的作用，同时可以很方便的动态调节无功功率；有源电力滤波器中参考信号

在系统进入稳态后的谐波含量并不高，有利于逆变器的PWM电压跟踪控制。

3)该有源电力滤波器对谐波同时起到了“疏导”和“隔离”的作用，所以其滤波效果非常好且同时适合于电压型和电流型谐波源。

4)逆变器容量较小，系统达到稳态后

基本为正弦波，逆变器支路的电流为谐波电流和所需补偿的基波无功电流之和，所以整个系统的容量基本上就是系统所需补偿的无功功率的容量。

5)保护方便，易于投入切除。与现有的PWM高频整流器，并联型有源电力滤波器，串联混合型有源电力滤波器，统一电能质量控制器相比均有一定优势。

附图说明

图1本发明提出的有源电力滤波器通过电抗器接入的单相原理电路；

图2本发明提出的有源电力滤波器通过变压器耦合接入电网的单相原理电路；

图3为基波等效电路图；

图4为谐波等效电路图之一；

图5为谐波等效电路图之二；

图6本发明提出的有源电力滤波器通过电抗器接入的简化单相原理电路；

图7本发明提出的有源电力滤波器通过变压器耦合接入电网的简化单相原理电路；

图8为本发明三相四线制系统结构示意图；

图9为本发明三相三线制系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明所述的有源滤波器及其工作原理作进一步的说明。

本发明所说的单相有源电力滤波器包括四个单元，即谐波电流检测单元I、基波电压检测单元II、电力电子逆变器系统单元III和接入系统单元IV。

谐波电流检测单元I包括电流互感器1和谐波检测环节2，电流互感器1串接在给谐波源9供电的电网母线8上，电流互感器1的输出端与谐波检测环节2的输入端相联接。电流互感器1从电网母线8的系统电流

中检测出电流信号送入谐波检测环节2，谐波检测环节2检测出谐波电流作为单元I的输出信号，送入电力电子逆变器系统单元III中的电流增益电路3。

基波电压检测单元II包括电压互感器4和基波电压检测环节5。电压互感器4并联接在谐波源9两端，电压互感器4的输出端与基波电压检测环节5的输入端相联，基波电压检测单元II将从畸变的电网电压中检测出基波电压信号作为单元II输出信号，送入电力电子逆变器系统单元III的电压增益电路6。

电力电子逆变器系统单元III由电流增益电路3、电压增益电路6、加法器和电压发生电路7构成。

电流增益电路3将检测到的谐波电流信号进行放大后送入加法器。电压增益电路6将检测到的基波电压信号进行放大后送入加法器。加法器将谐波电流信号和基波电压信号相加后的

作为电压发生电路7的输入信号，电压发生电路7产生一个与其输入信号成比例的电压，该电路通常采用电力电子逆变器来实现，电压发生电路7的输出通过接入系统单元IV接入系统。

接入系统单元IV用于将电压发生电路7的输出电压并联接在谐波源9的两端。具体可以采用下述两种接入方式实现：1)电压发生电路7的输出一端与给谐波源9供电的电网母线10相联，另一端通过一个联接电抗器Z_L后和电网母线8相联(如图1所示)；2)电压发生电路7的输出和一个变压器的二次侧相联，变压器的一次侧的两端并联接在给谐波源9供电的电网母线8和母线10上(如图2所示)。

本发明的工作原理，通过谐波电流检测单元I(设该环节的增益为k_i)和基波电压检测单元II(设该环节的增益为k_u)分别检测出电力系统的谐波电流

和谐波源两端的基波电压将

和

进行放大与组合后作为电压发生电路7的参考信号

通过电力电子逆变器产生一个电压源

(该电压源可以用来表示)。将

和一个带有较小阻抗值的联接电抗Z_L相串联后并联在谐波源两端，或者将

通过变压器后并联在谐波源两端。调节α(在0～200之间变化)和β，则该有源电力滤波器对基波呈现为一个可调电抗器，进行动态无功补偿，对谐波一方面呈现为一个电抗值较小的联接电抗Z_L或者变压器短路阻抗，同时又等效为在电力系统和谐波源之间串入阻值为α的电阻，这样对谐波兼具“疏导”和“隔离”的作用，构成一种高性价比的有源电力滤波器。

下面根据叠加原理对于基波和谐波分别讨论：

1)对于基波，系统相当于并联了一个阻抗为 $Z_P^{\left(1\right)}=Z_L/(1-\mathrm{\β})$ 的可调电抗，其等效电路如图3所示。系统电压为U_sys，该可调电抗器吸收的基波感性无功为

$U_{\mathrm{sys}}^2/\left(\frac{Z_L}{1-\mathrm{\β}}\right)=(1-\mathrm{\β})U_{\mathrm{sys}}^2/Z_L$

该感性无功与系数β呈线性关系，调节系数β可以使其呈容性从而系统中不用加容性无功补偿装置，系统结构非常简单。当调节β使其满足-UIsinθ＝Im(U²(1-β)/Z_L)时(其中θ为功率因数角，Im表示取虚部。)，可以实现功率因数等于1。

2)对于谐波，在谐波等效电路中系统的基波电压相当于短路，则有源电力滤波系统对于谐波的等效电路如图4所示，图4的电路可以进一步等效为图5所示的电路。

当系统有一定阻抗(如高压系统、舰船系统等)，上面的电路可以简化，即取消谐波电流检测单元I，电路如图6和7所示。

三相系统有两种情况：一种是三相四线制系统，另一种是三相三线制系统。(1)三相四线制中三相之间相互独立，可以采用前面的三个单相进行实现(如图8所示)。(2)三相三线制系统可以通过在负载侧构造出一根中性线11来实现：具体实现方法为每相电压采样的输入端的一端接在电网母线上，另一端接在构造出来的中性线上；每相电压发生单元的两个输出端的一端通过变压器或电抗器接入火线上，另一端也接到构造出来的中性线上(如图9所示)。

当负载功率因数在一定范围内保持基本稳定而且其数值较低(如在0.5-0.8之间变化)，为了减小逆变器无功补偿的容量，可以考虑在谐波源两端并入无源滤波器，补偿电容器的的容量等于负载功率因数从最高值(如负载功率因数在0.5-0.8之间变化时最高值取0.8)到1所需的无功容量。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1、一种有源电力滤波器，其特征在于：该有源电力滤波器为单相结构，它包括基波电压检测单元(II)、电力电子逆变器系统单元(III)和接入系统单元(IV)；

基波电压检测单元(II)包括电压互感器(4)和基波电压检测环节(5)，电压互感器(4)的输出端与基波电压检测环节(5)的输入端相联，基波电压检测单元(II)将从畸变的电网电压中检测出基波电压信号作为基波电压检测单元(II)输出信号，送入电力电子逆变器系统单元(III)的电压增益电路(6)；

电力电子逆变器系统单元(III)包括电压增益电路(6)和电压发生电路(7)；

电压增益电路(6)将检测到的基波电压信号进行放大后送入电压发生电路(7)，电压发生电路(7)产生一个与其输入信号成比例的电压，电压发生电路(7)的输出端与接入系统单元(IV)相联；

工作时，电压互感器(4)并联在谐波源(9)的两端，接入系统单元(IV)将电压发生电路(7)的输出电压并联接在谐波源(9)的两端。

2、根据权利要求1所述的有源电力滤波器，其特征在于：该有源电力滤波器还包括谐波电流检测单元(I)，在电力电子逆变器系统单元(III)内设置有电流增益电路(3)和加法器；

谐波电流检测单元(I)包括电流互感器(1)和谐波检测环节(2)，电流互感器(1)串接电网母线(8)上，电流互感器(1)的输出端与谐波检测环节(2)的输入端相联接；电流互感器(1)从电网母线(8)的系统电流中检测出电流信号送入谐波检测环节(2)，谐波检测环节(2)检测出谐波电流送入电流增益电路(3)，电流增益电路(3)将检测到的谐波电流信号进行放大后送入加法器；加法器将谐波电流信号和基波电压信号相加后的电压信号作为电压发生电路(7)的输入信号。

3、根据权利要求1所述的有源电力滤波器，其特征在于：接入系统单元(IV)由联接电抗器ZL构成，使用时，电压发生电路(7)的一个输出端与电网母线(10)相联，另一输出端通过一个联接电抗器(ZL)后和电网的一根母线(8)相联。

4、根据权利要求2所述的有源电力滤波器，其特征在于：接入系统单元(IV)由联接电抗器(ZL)构成，使用时，电压发生电路(7)的一个输出端与电网母线(10)相联，另一输出端通过一个联接电抗器(ZL)后和电网的一根母线(8)相联。

5、根据权利要求1所述的有源电力滤波器，其特征在于：接入系统单元(IV)由变压器构成，使用时，电压发生电路(7)的两个输出端和一个变压器的二次侧相联，变压器的一次侧的两端分别接在电网的两根母线(8、10)上。

6、根据权利要求2所述的有源电力滤波器，其特征在于：接入系统单元(IV)由变压器构成，使用时，电压发生电路(7)的两个输出端和一个变压器的二次侧相联，变压器的一次侧的两端分别接在两根母线(8、10)上。

7、根据权利要求1至6中任一所述的有源电力滤波器，其特征在于：该有源电力滤波器由三套单相结构构成三相系统，用于三相四线制的电力系统。

8、根据权利要求1至6中任一所述的有源电力滤波器，其特征在于：在三相三线制的电力系统的负载侧设置一根中性线(11)，由三套单相结构的有源电力滤波器构成三相系统。

Images