CN103107542A

CN103107542A - 混合电力滤波器主电路

Info

Publication number: CN103107542A
Application number: CN2013100739305A
Authority: CN
Inventors: 陈岗; 刘泉; 邓名高; 关维德; 颜成雄
Original assignee: Wasion Group Co Ltd
Current assignee: Hunan Li'neng Science & Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: CN103107542B

Abstract

本发明公开了一种混合电力滤波器主电路，包括无源滤波电路、有源滤波电路和测量电路；无源滤波电路由双调谐滤波支路与基波分压串联双调谐滤波支路组成，双调谐滤波支路的谐振点设置在3次、5次；另一支路的谐振点设置在5次、7次；无源滤波电路与有源滤波电路的连接不通过耦合变压器，而是直接电路连接，测量电路包括电网侧的电压传感器B1，电网侧的负载电流传感器B2，无源滤波支路中的无源滤波支路电流传感器B5，有源无源连接点处的电压传感器B3，有源滤波电路中的补偿电流传感器B4和直流母线电压传感器V1。本发明引入无耦合变压器结构使得系统的成本及体积减少明显，并消除了其带来的补偿电流相位延时的弊端，提高了补偿精度。

Description

混合电力滤波器主电路

技术领域

本发明涉及一种电力滤波器，特别涉及一种混合电力滤波器主电路。

背景技术

目前，现有混合电力滤波器包括有源滤波器和无源滤波器串联组成的滤波器支路，并配备电网电流检测用的电流检测器和补偿电流检测器；另外还有一种包括有源滤波器和基波串联谐振型的无源滤波器并联组成的混合电力滤波器，有源滤波器和无源滤波器之间通过隔离变压器进行耦合。其缺点是：有源滤波器要承受基波电压，不适用于高压系统；不具备补偿基波无功和无源滤波器滤除特征次谐波电流功能，且系统滤除谐波能力容量受限。现有的混合电力滤波器为了保证用低压的有源部分能滤除高压谐波电流，采用耦合变压器连接有源滤波器与无源滤波器，但这样会导致系统整体的经济性下降，体积增大，且补偿电流通过耦合变压器会产生相位延时，补偿精度下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度的混合电力滤波器主电路。

本发明提供的这种混合电力滤波器主电路，包括无源滤波电路、有源滤波电路和测量电路，无源滤波电路包括双调谐滤波支路和基波分压串联双调谐滤波支路，该两支路并联相接，双调谐滤波支路的谐振点设置在3次、5次，基波分压串联双调谐滤波支路的谐振点设置在5次、7次；电网电源与无源滤波电路连接，无源滤波电路再与有源滤波电路连接，其连接点在无源滤波电路中的基波分压串联双调谐滤波支路的基波分压电容的分压点处。

所述无源滤波电路包括至少一组由电感和电容串并联组成的双调谐滤波支路以及至少一组由电感和电容串并联组成的基波分压串联双调谐滤波支路；所述基波分压电容承担系统90%以上的电压，同时补偿基波无功功率。

所述有源滤波电路包括电源电路、控制单元电路和功率逆变单元电路；电源电路包括隔离变压器，控制单元电路包括控制模块和模数转换器，功率逆变单元包括三相逆变桥和驱动模块，有源滤波电路的输入电压通过电感与三相逆变桥相连，同时该输入电压与隔离变压器相连，隔离变压器输出三路电源，一路驱动电源，用于给驱动模块供电，一路控制电源，用于给控制模块供电，一路传感器电源，用于给系统电压传感器B1、负载电流传感器B2、有源输入电压传感器B3、有源补偿电流传感器B4、无源滤波支路电流传感器B5和直流母线电压传感器V1供电；该五个传感器的信号输出端均与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与控制模块相连，用于将采集并转换后的传感信号传至控制模块，控制模块与驱动模块相连，驱动模块与三相逆变桥控制端相连，用于对三相逆变桥实施驱动控制。

所述测量电路包括系统电压传感器B1、负载电流传感器B2、有源输入电压传感器B3、有源补偿电流传感器B4、无源滤波支路电流传感器B5和直流母线电压传感器V1；系统电压传感器B1安装点位于电网电源输入端，用于测量电网侧系统电压，负载电流传感器B2安装点位于负载侧，用于测量电网侧的负载电流，有源输入电压传感器B3安装点位于有源滤波支路与无源滤波支路的直接连接点处，用于测量有源滤波电路的输入电压，有源补偿电流传感器B4安装点位于有源滤波支路与无源滤波支路的直接连接点与有源滤波电路之间，用于测量有源滤波电路中的补偿电流，无源滤波支路电流传感器B5接于电网与无源滤波电路之间，用于测量无源滤波电路中的电流，直流母线电压传感器V1并接于所述三相逆变桥上，用于测量直流母线电压。

本发明的有益效果是：

（1）解决了公知的混合有源电力滤波器无法兼顾基波补偿与谐波滤除率整体效果的问题；引入无耦合变压器结构使得系统的成本及体积减少明显，同时消除了耦合变压器带来的补偿电流相位延时的弊端，提高了补偿精度；提高系统整体经济性，提升系统滤除高次谐波的精度。

（2）无源滤波电路采用新型的基波分压串联双调谐滤波电路来取代传统的注入式谐振阻抗电路，使得无源部分不仅具有分压调节功能，还具有基波无功补偿功能以及3,5,7次滤波功能，系统的有源滤波电路部分只需要较低的电压等级就能滤除高压谐波电流，有效的降低了系统成本。

（3）采用无源滤波电路对低次谐波多重滤波设计及有源滤波电路对高次谐波单独滤除的设计，保证了在不增加系统容量的条件下，最大限度的提升系统整体滤波效果。无源滤波电路采用双调谐滤波器的结构避免了单调谐滤波器带来的3次谐波放大问题。

（4）针对A相而言，有源滤波电路与无源滤波电路的连接点Xa处，采用第2支路的基波分压电容C1a2以下的支路阻抗之和与系统总阻抗（含电网阻抗）模之比作为参数方程，就可以主动控制有源滤波支路流入无源滤波支路的高次谐波环流大小，提升系统效率及稳定性。

（5）引入参数优化的办法使得系统设计的可实现性，对指导工程化的应用有积极意义。

附图说明

图1是本发明的系统主电路拓扑结构图。

图2是本发明的有源滤波支路电路拓扑图。

图3是本发明的测量单元电路拓扑图。

图4是本发明的系统设计方法流程图。

图5是本发明的系统实例投入前电网侧的谐波畸变率波形图。

图6是本发明的系统实例投入后电网侧的谐波畸变率波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明包括无源滤波电路、有源滤波电路和测量电路，无源滤波电路包括双调谐滤波支路和基波分压串联双调谐滤波支路，该两支路并联相接。电网电源与无源滤波电路连接，无源滤波电路再与有源滤波电路连接，其连接点在无源滤波电路中的基波分压串联双调谐滤波支路的电容分压点处。

本发明对谐波滤除的分配原则是无源滤波电路负责低次谐波（3,5,7次）,有源滤波电路负责11次及以上高次谐波的滤除，设置无源滤波支路为双调谐支路的目的是无源的滤除率只能在50%-60%以内，且单调谐支路对谐振点以下的谐波电流放大，所以采用双调谐滤波器来避免低次谐波被放大。

如图1所示，系统电压传感器B1并联于电网电源输入端，负载电流传感器B2串联于负载侧。电网电源通过无源滤波支路电流传感器B5与无源滤波电路相连。

无源滤波电路包括至少一组由电感和电容串并联组成的双调谐滤波支路以及至少一组由电感和电容串并联组成的基波分压串联双调谐滤波支路。

对于三相电中的A相而言，双调谐滤波支路包括电容C1a1、电感L1a1、电容C3a1和电感L2a1，电容C1a1通过电感L1a1串联电感L2a1，电容C3a1与电感L2a1并联相接，由此可组成一种A相双调谐滤波支路，其谐振点设置在3次、5次。基波分压串联双调谐滤波支路是在上述双调谐滤波支路的基础上的改进，在电容C4a2与电网连接点之间串联了基波分压电容C1a2，该基波分压电容既起到基波电压分压的作用，又起到补偿基波无功的作用。该滤波支路包括基波分压电容C1a2、电容C4a2、电感L1a2、电容C3a2和电感L2a2，基波分压电容C1a2通过电容C4a2串联电感L1a2后，再串联电感L2a2，电容C3a2与电感L2a2并联相接，由此可组成一种A相基波分压串联双调谐滤波支路，其谐振点设置在5次、7次。基波分压电容C1a2与电容C4a2之间为无源滤波电路与有源滤波电路的连接点Xa。

对于三相电中的B相而言，双调谐滤波支路包括电容C1a3、电感L1a3、电容C3a3和电感L2a3，电容C1a3通过电感L1a3串联电感L2a3，电容C3a3与电感L2a3并联相接，由此可组成一种B相双调谐滤波支路。基波分压串联双调谐滤波支路包括基波分压电容C1a4、电容C4a4、电感L1a4、电容C3a4和电感L2a4，基波分压电容C1a4通过电容C4a4串联电感L1a4后，再串联电感L2a4，电容C3a4与电感L2a4并联相接，由此可组成一种B相基波分压串联双调谐滤波支路。基波分压电容C1a4与电容C4a4之间为无源滤波电路与有源滤波电路的连接点Xb。

对于三相电中的C相而言，双调谐滤波支路包括电容C1a5、电感L1a5、电容C3a5和电感L2a5，电容C1a5通过电感L1a5串联电感L2a5，电容C3a5与电感L2a5并联相接，由此可组成一种C相双调谐滤波支路。基波分压串联双调谐滤波支路包括基波分压电容C1a6、电容C4a6、电感L1a6、电容C3a6和电感L2a6，基波分压电容C1a6通过电容C4a6串联电感L1a6后，再串联电感L2a6，电容C3a6与电感L2a6并联相接，由此可组成一种C相基波分压串联双调谐滤波支路。基波分压电容C1a6和电容C4a6之间为无源滤波电路与有源滤波电路的连接点Xc。

无源滤波电路与有源滤波电路的连接不通过耦合变压器，而是直接电路连接，其连接点位于基波分压电容不与电网连接的一侧，即基波分压电容的分压测，这样落在有源滤波电路上的电压就是经过了基波分压电容分压后的电压，此电压有效值可根据连接点上下间的阻抗比取得合适的值。

无源滤波电路与有源滤波电路的连接点分别位于上述连接点Xa、连接点Xb和连接点Xc，有源补偿电流传感器B4用于测量有源滤波电路的输出电流。有源输入电压传感器B3安装位于上述连接点与有源滤波电路之间。电阻SRLC1与电容SRLC0并联后接于有源滤波电路直流母线电压的正极端和负极端，直流母线电压传感器V1与电容SRLC0并联，输出直流电压Udc信号。

在实际应用中，由于负载的不同，可能导致补偿的基波无功容量，谐波电流大小均会有不同，本发明的工程应用推广可包括若干组电感，电容串并联组成的双调谐滤波支路及由电感，电容串并联组成的基波分压串联双调谐滤波支路。

如图2所示，有源滤波电路包括电源电路、控制单元电路和功率逆变单元电路。电源电路包括隔离变压器。控制单元电路包括控制模块和模数转换器。功率逆变单元包括三相逆变桥和驱动模块。有源滤波电路的输入电压通过电感与三相逆变桥相连，同时该输入电压与隔离变压器相连，隔离变压器输出三路电源：一路驱动电源，用于给驱动模块供电；一路控制电源，用于给控制模块供电；一路传感器电源，用于给系统电压传感器B1、负载电流传感器B2、有源输入电压传感器B3、有源补偿电流传感器B4、无源滤波支路电流传感器B5和直流母线电压传感器V1供电；这六个传感器的信号输出端均与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与控制模块相连，用于将采集并转换后的传感信号传至控制模块，控制模块与驱动模块相连，驱动模块与三相逆变桥控制端相连，用于对三相逆变桥实施驱动控制。

本发明取消了耦合变压器，采用基波电容分压，有源滤波电路直接与无源滤波电路连接，连接点的电压通过上下端阻抗比进行调节。一般情况下，设计基波分压电容承担系统90%以上的电压，同时补偿基波无功。当该连接点的电压不稳定时，控制单元还可以通过计算调节混合滤波电路的系统阻抗，保证连接点电压的稳定。

如图3所示，测量电路包括系统电压传感器B1、负载电流传感器B2、有源输入电压传感器B3、有源补偿电流传感器B4、无源滤波支路电流传感器B5和直流母线电压传感器V1。系统电压传感器B1并联于电网电源输入端，用于测量电网侧系统电压；负载电流传感器B2串联于负载侧，用于测量电网侧的负载电流；有源输入电压传感器B3并联接于连接点与有源滤波电路之间，用于测量有源滤波电路的输入电压；有源补偿电流传感器B4串联接于连接点与有源滤波电路之间，用于测量有源滤波电路中的补偿电流；无源滤波支路电流传感器B5接于电网与无源滤波电路之间，用于测量无源滤波电路中的电流；直流母线电压传感器V1并接于三相逆变桥上，用于测量直流母线电压。

如图4所示，本发明的设计实现按以下步骤进行。

（1）确定设计原则。

系统具备基波无功补偿功能，具备滤除大容量的3次、5次、7次、11次、13次谐波功能，且总体谐波滤除率≥80%；系统具备经济性，且采样延时最小；系统能适用于10KV的高压环境。系统与电网无谐振风险，不发生网侧谐波电流放大，尽量减少有源滤波电路与无源滤波电路的高次谐波环流。

（2）根据以上设计原则，确定电路拓扑结构。

系统由有源滤波电路与无源滤波电路共同组成。考虑有源滤波电路容量限制及经济性，主要用来滤除11次、13次及以上谐波；3-7次谐波由无源滤波电路滤除，同时无源滤波电路负责基波无功补偿；系统无耦合变压器，有源滤波电路与无源滤波电路的分压点的电压比为1：10。

无源滤波电路的电器件采用10KV级电器件，有源滤波电路的电器件采用1KV级电器件。无源滤波电路采用两组双调谐滤波器支路的设计方式，1组设计在3次、5次谐振点，其优于单调谐滤波支路在于：5次单调谐滤波支路会对3次谐波造成放大，而3次、5次双调谐滤波支路则不会对该谐波造成放大；另一组双调谐滤波支路的谐振点设计在5次、7次，用于增大5次谐波的滤除率及兼顾7次滤波。在5次、7次双调谐滤波支路的前端串入基波分压电容，使得此电容下端电压保持在系统电压的1/10以内，满足有源滤波电路的输入电压要求。有源滤波电路的输出容量按负载高次谐波含量大小及系统经济最优性优化设计。

（3）主电路拓扑结构参数模型的确定。

A．根据上述电路拓扑结构中的电器件未知参数的多少，确定参数模型等式数量。以A相为例，系统A相主电路拓扑中共有9个未知参数，分别是电容C1a1、电感L1a1、电容C3a1、电感L2a1、电容C3a2、电感L2a2、基波分压电容C1a2、电容C4a2和电感L1a2。前4个参数可设为第1条支路参数，后5个参数设为第2条支路参数，由此可知，至少需要9个线性方程组才能求出上述所有未知数。

B．主电路拓扑结构参数的线性方程组模型的建立：

方程1：设A相总基波无功补偿容量为Q，第1条支路的无功补偿容量为Q1，则有

式中，U_s为电网侧电压。

方程2：令第1条支路的总阻抗在3次谐振点处为0，则有

0=Z_3次(C1a1）-Z_3次(L1a1）+Z_{3次(（C3a1+L2a1）并）} (2)

方程3：令第1条支路的总阻抗在5次谐振点处为0，则有

0=Z_5次(C1a1）-Z_5次(L1a1）+Z_{5次(（C3a1+L2a1）并）} (3)

方程4：为了尽量减少有源滤波支路与无源滤波支路的高次谐波环流，令第1条支路在11次谐振点时，该支路的总阻抗与系统总阻抗（含电网阻抗）的模之比等于0.9（相当于只有十分之一的高次补偿谐波环流流入第1条支路），则有

式中，Z_11次SYS为11次谐振点时电网阻抗。

方程5：令设A相总基波无功补偿容量为Q，第2条支路的无功补偿容量为Q-Q1，则有

方程6：令第2条支路的总阻抗在3次谐振点处为0，则有

0=Z_3次(C1a2）+Z_3次(C4a2）-Z_3次(L1a2）+Z_{3次(（C4a2+L2a2）并）} (6)

方程7：令第2条支路的总阻抗在5次谐振点处为0，则有

0=Z_5次(C1a2）+Z_5次(C4a2）-Z_5次(L1a2）+Z_{5次(（C4a2+L2a2）并）} (7)

方程8：令第2条支路在11次谐振点时，在有源滤波电路与无源滤波电路的连接点Xa处，该支路的基波分压电容C1a2以下的支路阻抗之和与系统总阻抗（含电网阻抗）模之比等于0.9（相当于只有十分之一的高次补偿谐波环流流入第2条支路），则有；

方程9：令有源与无源支路的连接点Xa处的基波电压与电网基波电压的比为1/10，则有；

至此，A相主电路拓扑中的9个未知参数的方程已全部列出。

（4）参数方程的求解。

利用MATLAB工具中的SOLVE函数，带入9个参数方程，可得算法：

[C1a1，L1a1，C3a1，L2a1，C3a2，L2a2，C1a2，C4a2，L1a2]=SOLVE(‘方程1’,‘方程2’,‘方程3’,‘方程4’,‘方程5’,‘方程6’,‘方程7’,‘方程8’,‘方程9’,);

进行计算，由此求出未知参数的目标解。

（5）参数方程中目标解的优化。

通过MATLAB求得的目标解并不一定符合实际工程的需要，有的解甚至可能为负或无解，这是因为对于高次线性方程组来说，本身就存在无解的可能，因此，当得到目标解后，需要按以下步骤进行目标解的优化。

首先，将目标解输出到MATLAB下的系统仿真模型，如果仿真符合要求，则说明目标解有意义，可以进行工程应用；如果仿真不符合要求或者目标解为负解或无解，则需要调整之前方程设定的条件，调整按照下面预定的优先循序执行：

1、计算最小基波无功需量，系统设定的基波无功补偿量必须≥最小基波无功需量，满足后调整基波补偿容量。调整后重新计算目标解，并验证之。

2、调整有源滤波电路与无源滤波电路的连接点Xa处，第2支路的基波分压电容C1a2以下的支路阻抗之和与系统总阻抗（含电网阻抗）模之比。调整后重新计算目标解，并验证之。

3、调整有源滤波电路与无源滤波电路的连接点Xa处的基波电压与电网基波电压的比。调整后重新计算目标解，并验证之。

通过以上参数优化方法后最终得出符合要求的系统主电路拓扑的参数解。同样，可求解出B相和C相的主电路参数，从而确定本发明的电路拓扑结构。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

工程应用的环境为某大型锻造厂的中频炉谐波滤除与无功补偿综合治理。负载环境为：变压器系统阻抗为0.0005ω，电压等级10KV，最大无功缺额720kvar，功率因数0.72，负载电流为100A左右，负载电流谐波总THD值为45%，其中，3次谐波电流大小约20A，5次谐波电流大小约43A，7次谐波电流大小约23A，11次谐波电流大小约19A，13次谐波电流大小约12A，要求经过治理后，功率因数提升至0.98以上，谐波综合滤除率≥85%。

根据以上要求，本发明的具体设计如下。

该系统由无源滤波电路与有源滤波电路共同组成。无源滤波电路分为3组，分别为补偿A相、B相、C相的无源滤波电路，且相间无源滤波支路的结构形式与参数均一致。此3组无源滤波电路的基波补偿容量均为240kvar，电压等级10KV第1组和第2组的结构一致，均为双调谐滤波支路形式，谐振点设计在滤除3次、5次谐波；第3组为基波分压串联双调谐滤波支路形式，其基波分压电容下还接有源滤波支路，谐振点设计在滤除5次、7次谐波。无源滤波电路和有源滤波电路的连接点的电压为1000V，有源滤波电路的设计容量为输出电流50A，负责滤除11次、13次谐波。有源滤波电路与无源滤波电路之间的高次谐波环流≤0.1，运用本发明的参数计算方法，可求出无源滤波电路中补偿A相的各具体的元器件参数值为：

C1a1=20.6uF；

L1a1=37.94mH；

C3a1=72.7uF；

L2a1=8.024mH；

C3a2=204.1uF；

L2a2=1.227mH；

C1a2=25.3uF；

C4a2=166.3uF；

L1a2=15.242mH。

由于A相、B相、C相的无源滤波电路的组数与结构形式均一致，所以B相和C相的无源滤波电路中，各参数取值与上述计算值均一致。

根据所得参数进行工程化应用，如图5所示，经现场测试，现场的功率因数由0.72提升至0.99，电网侧的谐波THD值由44.6%下降至5.4%，如图6所示，谐波滤除率为87.9%，符合设计要求。

Claims

1.一种混合电力滤波器主电路，包括无源滤波电路、有源滤波电路和测量电路，其特征在于，无源滤波电路包括双调谐滤波支路和基波分压串联双调谐滤波支路，该两支路并联相接，双调谐滤波支路的谐振点设置在3次、5次，基波分压串联双调谐滤波支路的谐振点设置在5次、7次；电网电源与无源滤波电路连接，无源滤波电路再与有源滤波电路连接，其连接点在无源滤波电路中的基波分压串联双调谐滤波支路的基波分压电容的分压点处。

2.根据权利要求1所述的混合电力滤波器主电路，其特征在于，所述无源滤波电路包括至少一组由电感和电容串并联组成的双调谐滤波支路以及至少一组由电感和电容串并联组成的基波分压串联双调谐滤波支路；所述基波分压电容承担系统90%以上的电压，同时补偿基波无功功率。

3.根据权利要求1所述的混合电力滤波器主电路，其特征在于，所述有源滤波电路包括电源电路、控制单元电路和功率逆变单元电路；电源电路包括隔离变压器，控制单元电路包括控制模块和模数转换器，功率逆变单元包括三相逆变桥和驱动模块，有源滤波电路的输入电压通过电感与三相逆变桥相连，同时该输入电压与隔离变压器相连，隔离变压器输出三路电源，一路驱动电源，用于给驱动模块供电，一路控制电源，用于给控制模块供电，一路传感器电源，用于给系统电压传感器B1、负载电流传感器B2、有源输入电压传感器B3、有源补偿电流传感器B4、无源滤波支路电流传感器B5和直流母线电压传感器V1供电；该六个传感器的信号输出端均与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与控制模块相连，用于将采集并转换后的传感信号传至控制模块，控制模块与驱动模块相连，驱动模块与三相逆变桥控制端相连，用于对三相逆变桥实施驱动控制。4、根据权利要求1所述的混合电力滤波器主电路，其特征在于，所述测量电路包括系统电压传感器B1、负载电流传感器B2、有源输入电压传感器B3、有源补偿电流传感器B4、无源滤波支路电流传感器B5和直流母线电压传感器V1；系统电压传感器B1安装点位于电网电源输入端，用于测量电网侧系统电压，负载电流传感器B2安装点位于负载侧，用于测量电网侧的负载电流，有源输入电压传感器B3安装点位于有源滤波支路与无源滤波支路的直接连接点处，用于测量有源滤波电路的输入电压，有源补偿电流传感器B4安装点位于有源滤波支路与无源滤波支路的直接连接点与有源滤波电路之间，用于测量有源滤波电路中的补偿电流，无源滤波支路电流传感器B5接于电网与无源滤波电路之间，用于测量无源滤波电路中的电流，直流母线电压传感器V1并接于所述三相逆变桥上，用于测量直流母线电压。