CN101630841A - 动态谐波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的动态谐波滤波器，主要由可变电抗器(4)、反并联晶闸管触发电路(5)、控制线圈(6)和电容器组(7)组成，其中：可变电抗器的一端与电容器组串联；反并联晶闸管触发电路的两接线端分别与控制线圈的两端相连接构成回路；多组快速熔断器(8)和电容接触器(9)与电容器(10)的串联电路经过并联后形成电容器组，当电容器组的容抗发生变化时，控制线圈在反并联晶闸管触发电路的作用下开启，动态地调整可变电抗器的电感。本发明在谐波频率f₀下，构成一低阻抗回路以吸收谐波；在基波频率下，提供无功电流以改善功率因素。本动态谐波滤波器为减少谐波对变压器、电力电缆、电动机、控制系统、通信系统和电容器等的危害创造了条件。

Description

动态谐波滤波器

技术领域

本发明涉及克服谐波危害，提高电能质量等技术领域，特别是涉及一种用来在电容器容量发生变化时，动态地调节可变电抗器的电感来稳定谐振频率的动态谐波滤波器。

背景技术

随着工业技术的快速发展，诸多非线性负荷，如直流电机、直流电源、变频调速器、整流设备、电镀电解设备、中高频感应加热设备、电池充电机、晶闸管温控加热设备、电力机车、通讯设备、音像设备、变频器、计算机等接入电网，电网谐波含量逐年升高。电网谐波导致的各种危害日益突出，如增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率；产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热；引起无功补偿电容器谐振和谐波放大，导致电容器因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行等。这些危害使我们认识到电力谐波进行治理刻不容缓。

治理谐波有主动治理，即从谐波源本身出发，通过改进用电设备，使其不产生或少产生谐波；受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；被动治理，即通过安装滤波器，阻止谐波源产生的谐波注入电网，或者阻止电力系统的谐波流人负载端。主动治理受到谐波源的不明确性和复杂性等的影响使得治理方案复杂，可靠性低；受端治理增加了设备或者系统设计的复杂性；安装谐波滤波器这一被动治理方案在现阶段发展较快、应用较广。

针对安装谐波滤波器方案来治理谐波这一方案，设计出一种精度高、效果好的谐波滤波器已经受到广泛的关注。在专利CN200480021730.4中，发明了一种有源滤波器，它包括三级滤波，通过检测补偿对象的电压和电流，得出与负载电流中的谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网的电压、电流恢复为正弦波形。但是有源滤波器的缺点为价格高，容量小。由于目前国际上大容量硅阀技术还不成熟，所以当前常见的有源滤波容量不超过600kvar。其运行可靠性也不及无源滤波器。专利CN200620097951.6提出了一种谐波滤波器，它由若干个滤波单元并接而成，每一滤波单元中的谐振电路频率中心各不相同，若干单元即可构成很宽的滤波频率，它可有效改善电力品质，提高功率因素，达到净化工频电源和节能效果。然而此类谐波滤波器的电抗器是针对于滤除固定频率的谐波而言的，它的电抗器的感抗和电容器的容抗都是经过计算后进行精确设定的，在滤波器投入运行过程中是要求固定不变的。这样就存在着一些问题，如在基波频率下，传统谐波滤波器投入固定的电容器组补偿系统的无功功率，但是由于容抗不变容易造成系统的过补偿；在传统谐波滤波器投入使用一段时间后，电容器容量会发生变化，如电容器的容量会随着温度和时间发生衰减而导致容量降低，电容器的容抗将增大，而电容就减小，这样谐振频率将增大，而此类滤波器的每单元滤波频率是固定不变的，这样滤波效果就会受到很大的影响。所以针对以上问题，提出一种实用于滤波器在长期工作过程中滤波精度和滤波效果始终不变的方案是至关重要的，这将有利于大幅度的减少谐波危害，提高电能质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种动态谐波滤波器，以便解决传统滤波器在基波频率下存在无功功率过补偿，而在谐波频率下电容器容量受时间和环境的影响而发生变化，电抗器的感抗又是固定不变的，这样导致实际的滤波频率和预先设定的不一致而影响滤波精度和滤波效果的问题。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的动态谐波滤波器，其主要由可变电抗器、反并联晶闸管触发电路、控制线圈和电容器组组成。其中：可变电抗器的一端与电容器组串联；反并联晶闸管触发电路的两接线端分别与控制线圈的两端相连接构成回路；多组快速熔断器和电容接触器与电容器的串联电路经过并联后形成电容器组，当电容器组的容抗发生变化时，控制线圈在反并联晶闸管触发电路的作用下开启，动态地调整可变电抗器的电感。

本发明提供的动态谐波滤波器，其用于电容器容量发生变化时，动态地调节可变电抗器的电感来稳定谐振频率，同时降低谐波对电气设备的危害，并且提高电气设备在电网中运行的效率和使用寿命；所述电气设备是指变压器、电力电缆、电动机、控制系统或通信系统。

本发明提供的动态谐波滤波器与传统谐波滤波器相比具有如下优点：

1.为无源滤波器，其滤波支路主要由可变电抗器和电容器组串联组成串联谐振滤波电路，它与有源滤波器相比具有结构简单、造价低廉等特点，因此在工业应用中有利于节省投资。

2.能够实现可变电抗器的感抗可调：在传统的谐波电抗器上增加了一组控制线圈，该线圈在满足滤波频率时不工作。而在实际生产需要时(例如电容器容量发生变化)，控制线圈在晶闸管的不同导通角度下开启，控制电路电流发生变化，使得可变电抗器和控制线圈之间的互感发生变化，从而可动态调整可变电抗器的感抗X_L，动态实时的改变可变电抗器的感抗L。

3.在基波频率下，不会造成系统的无功功率过补偿。在基波频率下，传统的滤波器固定地投入电容器组来补偿系统的无功，故容易造成系统的过补偿；而动态谐波滤波器由于可变电抗器的感抗X_L可调，电容器组又可以分段地投入和切除，容抗也能分段调节，使得补偿给系统的无功功率也能进行调节，而不至于造成系统无功功率的过补偿。

4.在谐波频率下，能够高效地吸收谐波并且保证滤波精度和效果不受电容容量变化的影响。无源滤波器只能滤除固定次数的谐波，因此传统无源谐波滤波器的滤波频率都是在投入使用前固定设计的，当使用一段时间后，电容器容量降低导致电容C变小，而电抗器电感L固定不变，这样使得谐振频率变大，滤波效果和精度均降低。而动态谐波滤波器的电抗和容抗均可调，能够保证谐振频率始终不变，因此滤波效果和精度均能得到保证。

为了说明优点4所述问题，以五次谐波为例：谐波频率f₀计算见公式(1)，基波频率f_基为50Hz，可以求得五次谐波频率f₅见公式(2)。对于传统的谐波滤波器而言，当电容器容量Q_C减少了4％时，电容容抗变为X_C′见公式(3)，电容变为C′见公式(4)，五次谐波频率变为f₅′见公式(5)，则求得实际五次谐波频率f₅′为255Hz与谐波滤波器设计时的五次谐波滤波频率f₅理论值250HZ不符，所以滤波效果和精度变差；若使用动态谐波滤波器，当容量降低而导致电容器电容C变小后，通过控制晶闸管的导通与关断，使得可变电抗器的电感产生相应的改变，保持LC的乘积不变，则谐波频率f₀不会变化，滤波频率能够满足要求，保证了滤波和精度不变。

总之，本发明中电容器组中的电容器可动态实时的投入和切除，使得容抗可调，加之电抗也可调，这样在基波频率下电容器分段投入系统中，补偿系统的无功功率而不至于造成过补偿；在谐波频率下通过动态地调节可变电抗器的电感保持LC乘积不变来稳定谐振频率，使得滤波精度和滤波效果始终保持不变；同时能够降低谐波对变压器、电力电缆、电动机、控制系统、通信系统等的危害，从而提高电能质量，在工业应用中利于节省投资。

附图说明

图1是本发明的动态谐波滤波器回路简图。

图2是本发明的动态谐波滤波器的安装位置示意图。

图中：1.电网；2.隔离开关；3.快速断路器；4.可变电抗器；5.反并联晶闸管触发电路；6.控制线圈；7.电容器组；8.快速熔断器；9.电容接触器；10.电容器；11.变压器；12.非线性设备；13.非线性设备；14.非线性设备；15.5th谐波滤波器；16.7th谐波滤波器；17.11th谐波滤波器。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的动态谐波滤波器，其电路回路结构如图1所示。在电路中，动态谐波滤波器主要由可变电抗器4(KL)、控制线圈6、反并联晶闸管触发电路5和电容器组7组成。该动态谐波滤波器装置经过隔离开关2(QS)和快速断路器3(QF)连接至电网1中。动态谐波滤波器装置中，多组快速熔断器8、电容接触器9与电容器10(C)的串联电路经过并联后形成电容器组7；可变电抗器4的一端与电容器组7串联，由此组成串联谐振滤波电路；反并联晶闸管触发电路5的两接线端分别与控制线圈6的两端相连接构成回路，在需要时用来动态的调节可变电抗器4的电感；当电容器组7的容抗X_C发生变化时，控制线圈6在反并联晶闸管触发电路5的不同触发角度下开启，动态地调整可变电抗器4的电感，保持滤波频率f₀始终不变，从而使滤波效果不受影响。

所述电容器组7，可由一组电容容量不同的电容器10并联组成，每一个电容器支路上都串联一个电容接触器9，根据滤波需要将电容接触器9接通或者断开，来控制电容器10的投入和切除，实现所述动态调节动态谐波滤波器的电容容量。

所述可变电抗器4为一感抗可调的电抗器，当电容器组7的容抗X_C发生变化时，反并联晶闸管触发电路5在脉冲作用下触发开启，改变流经控制线圈6的电流，从而改变可变电抗器4与控制线圈6之间产生的互感，使得可变电抗器4的感抗X_L可动态调整，保持滤波频率始终一致。

本发明提供的动态谐波滤波器在线路中的安装位置如图2所示。在线路中，变压器11用来实现电压的转换或者起隔离作用。有多组非线性设备，本例只给出了三组非线性设备即非线性设备12、非线性设备13和非线性设备14，它们是产生谐波的负荷，例如是直流电机、变频调速器、整流设备，或者是直流电源等非线性负荷。在非线性设备的右边线路上，是三个动态谐波滤波器，分别为5th谐波滤波器15、7th谐波滤波器16和11th谐波滤波器17，这些动态谐波滤波器的结构均与本发明介绍的一致，区别在于其电容器和电抗器的参数设置不一样，因此待滤除谐波的频率不一样，5th谐波滤波器用来滤除五次谐波，7th谐波滤波器用来滤除七次谐波，11th谐波滤波器用来滤除十一次谐波。

本发明提供的动态谐波滤波器直接安装在母线上，这样，在母线上一并治理谐波和进行无功功率补偿效果更佳，投资费用较合理。如图2所示：在线路中，假设每个非线性设备产生的谐波电流中均包含有50A的五次谐波，20A的七次谐波和10A的十一次谐波，那么5th谐波滤波器15对五次谐波的耐流为150A，7th谐波滤波器16对七次谐波的耐流为60A，11th谐波滤波器17对十一次谐波的耐流为30A。动态谐波滤波器的阻抗与变压器11的阻抗要配合使用，这样才能保证在变压器阻抗较大时，谐波电流绝大部分被滤波器吸收，而仅有一小部分通过变压器注入电网。各动态谐波滤波器的投入和切除也是具有规定的顺序的，即先投入后切除。按照先5th，后7th，再11th的顺序投入；按照先1111th，后7th，再5th的顺序切除。当5th切除后，7th和11th也必须切除；当7th和11th切除后，5th可以继续运行。

本发明提供的动态谐波滤波器，其用于电容器容量发生变化时，动态地调节可变电抗器4的电感来稳定谐振频率，同时降低谐波对电气设备的危害，并且提高电气设备在电网中运行的效率和使用寿命；所述电气设备是指变压器、电力电缆、电动机、控制系统或通信系统。

该动态谐波滤波器应用时，既吸收谐波又补偿无功功率，其过程是：动态谐波滤波器经过隔离开关2和快速断路器3连接至电网1中，在谐波频率下，当动态谐波滤波器使用一段时间后，电容器组7的电容容量会降低，容抗X_C变大，电容C变小，谐振频率会变大，此时通过控制反并联晶闸管触发电路5的导通与关断，改变流经控制线圈6的电流，从而改变可变电抗器4与控制线圈6之间产生的互感，动态实时调整可变电抗器4的电感L，使谐振频率保持不变，由此构成一低阻抗回路以吸收谐波；在基波频率下，电容器组7可分段地投入和切除，并且可变电抗器4的电抗可调，使动态谐波滤波器能够补偿系统需求的无功功率而不至于造成过补偿。

下面简述本发明动态谐波滤波器的工作过程。

动态谐波滤波器经过隔离开关2和快速断路器3连接至电网1中。在基波频率下，动态谐波滤波器主要用来补偿系统的无功功率。本发明可动态实时的投入和切除电容器10，使得整体的容抗可调。这样，在基波频率下，电容器10可按照实际需要分段投入系统中，加之可变电抗器4感抗可调，动态谐波滤波器能够补偿系统需求的无功功率而不至于造成过补偿。在谐波频率下，动态谐波滤波器主要用来吸收谐波。本发明相当于在传统的滤波电抗器上，增设一组控制线圈6。在满足滤波频率时，控制线圈6不工作。当电容器组7的容量发生变化时，例如随温度变化和时间推移，电容器组7的容量变小，容抗X_C变大，电容器组7的电容将变小，若电感L不变，则实际谐振频率f₀(例如f₅＝250HZ，即五次谐波谐振频率)将变大，滤波效果将受到较大的影响。但是动态谐波滤波器将改善这种情况，当电容器组7的容量发生变化时，控制线圈6在反并联晶闸管触发电路5的不同触发角度下开启，流经控制线圈6的电流发生变化，该控制线圈6和可变电抗器4产生的互感发生变化，从而可动态调整可变电抗器4的感抗X_L，使得其感抗X_L变大，那么可变电抗器4的电感L变大，使得LC的乘积不变，这样就能保持滤波频率f₀始终不变，从而使滤波精度和滤波效果效果不受影响。

上述说明中：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$ 公式(1)

公式(2)

${X_C}^{\′}=\frac{{U_C}^2}{96\%Q_C}=\frac{100}{96}{X}_C$ 公式(3)

$C^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\πf}{X_C}^{\′}}=0.96C$ 公式(4)

${f_5}^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{LC}}^{\′}}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}\sqrt{C/C^{\′}}=\sqrt{1/0.96}\·f_5=255\mathrm{Hz}$ 公式(5)

上述公式中：X_C为电容器容量改变前的容抗，X′_C为电容器容量改变后的容抗，U_C为电容器两端电压，C为电容器容量改变前的电容值，C′为电容器容量改变后的电容值，L为电抗器电感。

Claims (6)

1.一种动态谐波滤波器，其特征在于该动态谐波滤波器主要由可变电抗器(4)、反并联晶闸管触发电路(5)、控制线圈(6)和电容器组(7)组成，其中：可变电抗器(4)的一端与电容器组(7)串联；反并联晶闸管触发电路(5)的两接线端分别与控制线圈(6)的两端相连接构成回路；多组快速熔断器(8)和电容接触器(9)与电容器(10)的串联电路经过并联后形成电容器组(7)，当电容器组(7)的容抗发生变化时，控制线圈(6)在反并联晶闸管触发电路(5)的作用下开启，动态地调整可变电抗器(4)的电感。

2.根据权利要求1所述的动态谐波滤波器，其特征在于所述电容器组(7)由一组电容容量不同的电容器(10)并联组成，每一个电容器支路上都串联一个电容接触器(9)，根据滤波需要将电容接触器(9)接通或者断开，来控制电容器(10)的投入和切除，实现所述动态调节动态谐波滤波器的电容容量。

3.根据权利要求1或2所述的动态谐波滤波器，其特征在于：可变电抗器(4)与电容器组(7)串联组成串联谐振滤波电路。

4.根据权利要求1所述的动态谐波滤波器，其特征在于所述可变电抗器(4)为一感抗可调的电抗器，当电容器组(7)的容抗X_C发生变化时，反并联晶闸管触发电路(5)在脉冲作用下触发开启，改变流经控制线圈(6)的电流，从而改变可变电抗器(4)与控制线圈(6)之间产生的互感，使得可变电抗器(4)的感抗X_L可动态调整，保持滤波频率始终一致。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述动态谐波滤波器的用途，其特征在于该动态谐波滤波器用于电容器容量发生变化时，动态地调节可变电抗器(4)的电感来稳定谐振频率，同时降低谐波对电气设备的危害，并且提高电气设备在电网中运行的效率和使用寿命；所述电气设备是指变压器、电力电缆、电动机、控制系统或通信系统。

6.根据权利要求5所述动态谐波滤波器的用途，其特征在于该动态谐波滤波器应用时，既吸收谐波又补偿无功功率，其过程是：动态谐波滤波器经过隔离开关(2)和快速断路器(3)连接至电网(1)中，在谐波频率下，当动态谐波滤波器使用一段时间后，电容器组(7)的电容容量会降低，容抗X_C变大，电容C变小，谐振频率会变大，此时通过控制反并联晶闸管触发电路(5)的导通与关断，改变流经控制线圈(6)的电流，从而改变可变电抗器(4)与控制线圈(6)之间产生的互感，动态实时调整可变电抗器(4)的电感L，使谐振频率保持不变，由此构成一低阻抗回路以吸收谐波；在基波频率下，电容器组(7)分段地投入和切除，并且可变电抗器(4)的电抗可调，使动态谐波滤波器能够补偿系统需求的无功功率而不至于造成过补偿。

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