CN103595048A - 一种混合感应型电力有源滤波系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合感应型电力有源滤波系统，包括整流变压器、滤波支路、整流器、滤波支路，所述滤波支路包括三个无源滤波器和电压源型逆变器，所述三个无源滤波器均接入所述电压源型逆变器；所述整流变压器一次侧通过连接阻抗接入三相电网，所述整流变压器二次侧延边绕组与所述整流器连接，所述三个无源滤波器分别并联接入所述整流变压器二次侧三角形绕组与延边绕组的三个交接点处。本发明消除了电网侧与大容量非线性负载侧频率波动对电力滤波性能的影响；同时，在保证电网侧电能质量满足国标的前提下，有效解决了谐波和无功对工业配用电系统自身带来的谐波污染严重、主设备附加损耗大、振动与噪音大、系统功率因数低、系统运行效率低的问题。

Description

一种混合感应型电力有源滤波系统

技术领域

本发明涉及工业配用电系统的谐波治理与无功功率补偿领域,特别是一种混合感应型电力有源滤波系统。

背景技术

由于电力电子器件固有的非线性特性，在其应用于工业配用电系统时，不可避免地引起谐波污染严重、功率因数低下、电压闪变与不平衡等电能质量问题。同时，由于工业配电网的短路容量一般小于输电网，故还存在电压畸变的问题。

目前，在解决电力系统及工业配用电系统电能质量问题方面，主要的滤波技术有无源滤波、有源滤波和混合有源滤波。其中，无源滤波由于装置结构比较简单、设计与制造比较容易，且初期投资成本较低，在实际系统中得到了广泛应用。但是，无源滤波器的滤波效能容易受到系统侧阻抗的影响。在电网电压存在谐波的情况下，当电力网络结构发生变化时，有可能引起滤波器阻抗与系统阻抗间的串/并联谐振，这不仅影响供电系统稳定性，而且限制了滤波性能的发挥。另外，无源滤波尽管能够抑制特定次谐波，但对低次谐波具有放大作用，且电容器参数随时间的推移容易发生变化，这会导致调谐频率发生偏移，加之设计无源滤波器时为避免与系统阻抗发生谐振，通常采用偏调谐设计，从而影响实际的滤波性能。近年来，无源滤波中又出现了一种新的滤波技术-感应滤波，该方法充分挖掘了变压器的潜能，通过对变压器的绕组进行特殊的阻抗设计，能采用全调谐无源滤波支路以更接近谐波源的方式对谐波进行治理，但该方法仍旧存在发生谐振的风险，尤其对工业配电网系统中较易出现的谐波电压，该方法对串联谐振的抑制能力较差。有源滤波与混合有源滤波技术能从根本上解决上述无源滤波存在的问题，但对大容量非线性工业负荷而言，单独使用有源滤波器通常需要备有大容量谐波补偿源和全控型功率器件，这使得传统有源滤波的应用目前主要只涉及低压小功率领域，在高/中压大容量领域（特别是电解冶金行业）鲜有应用。混合有源滤波系统充分利用了无源滤波器的滤波潜能，其有源部分只提供改善系统滤波特性的作用，故大大降低了有源部分容量，加之多电平技术的应用，使得它在中/高压大容量的非线性负荷的谐波治理中得到了越来越多的关注和实践。然而对大容量非线性工业负荷，传统的混合型有源滤波系统见图1，其通常挂载在工业配电网的（Point of Common Coupling，PCC）点，谐波电流仍会流经工业配电系统中的主要电力设备（尤其是变压器），这不仅恶化了供电系统中主设备的电磁环境，增加了主设备的附加损耗、振动与噪音，而且降低了系统稳定性与运行效率。

特别值得提出的是，对于谐波超标的电力用户而言，治理谐波成为了必须履行的一项公共义务，而对其自身而言并不产生经济效益，故这种补偿方式并不会增加电力用户治理谐波的积极性，为其市场推广增加了难度。因此，提出一种既能有效消除公共电网中谐波而不存在谐振问题，又能为电力用户带来实实在在的经济效益的谐波治理方法成为了目前一个亟待解决的重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种混合感应型电力有源滤波系统，消除系统阻抗对电力滤波效能的制约作用，消除电网侧与大容量非线性负载侧频率波动对电力滤波性能的影响；同时，在保证电网侧电能质量满足国标的前提下，有效解决谐波和无功对工业配用电系统自身带来的谐波污染严重、主设备附加损耗大、振动与噪音大、系统功率因数低、系统运行效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混合感应型电力有源滤波系统，包括整流变压器、滤波支路、整流器、滤波支路，所述滤波支路包括三个无源滤波器和电压源型逆变器，所述三个无源滤波器均接入所述电压源型逆变器；所述整流变压器一次侧通过连接阻抗接入三相电网，所述整流变压器二次侧延边绕组与所述整流器连接，所述三个无源滤波器分别并联接入所述整流变压器二次侧三角形绕组与延边绕组的三个交接点处。

所述整流变压器二次侧三角形绕组等值阻抗Z_3h以及所述滤波支路的等值阻抗Z_fh均为零。

所述无源滤波器由多组具有串联谐振特性的单调谐滤波器并联组成，对于第h次单调谐滤波器，其电容C_h和电感L_h满足下列关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{jh}{\mathrm{\ω}}_1{L}_h-\frac{1}{\mathrm{jh}{\mathrm{\ω}}_1{C}_h}=0\\ C_h=\frac{Q_{C\left(h\right)}(h^2-1)}{\left(V^2{\mathrm{\ω}}_1\right)h^2}\\ L_h=\frac{1}{h^2{\mathrm{\ω}}_1^2{C}_h}\end{array}\right.,$

其中，V为第h次单调谐滤波器所承受的基波电压；ω₁为基波角频率；Q_C(h)为h次单调谐滤波器提供的无功功率补偿容量，Q_C(h)的值由负荷的无功功率特性和无功补偿分配方案确定。

所述无源滤波器由4组具有串联谐振特性的单调谐滤波器并联组成，所述4组具有串联谐振特性的单调谐滤波器的谐波频率次数分别为5、7、11、13次。

所述电压源型逆变器为两电平逆变器、三电平逆变器、多电平逆变器中的一种。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

（1）本发明滤波系统中的无源滤波器在特定次谐波频率下达到串联谐振状态，且在基波频率下呈容性，起主要的谐波滤除和无功补偿作用，且承受大部分基波电压，故电压源型逆变器仅承受谐波电压，大大降低了有源滤波器的容量，减少了系统投资；对大容量非线性负载来说，本发明的无源滤波器和与之串联的电压源型逆变器安装位置最为接近谐波源，能最大限度地减少谐波及无功对主要用电设备的不利影响；因此，消除了电网侧与大容量非线性负载侧频率波动对电力滤波性能的影响；在保证电网侧电能质量满足国标的前提下，有效地解决了谐波和无功对工业配用电系统自身带来的谐波污染严重、主设备附加损耗大、振动与噪音大、系统功率因数低、系统运行效率低的问题；

（2）电压源型逆变器与无源滤波器串联，起辅助滤波作用，增大了无源滤波器的滤波带宽，对于系统频率波动范围较大的工业配电网，能有效抑制无源滤波器在偏离额定频率下偏调谐所带来的滤波性能下降的问题，改善无源滤波器的滤波效果；

（3）与单纯使用无源型感应滤波器的系统相比，本发明能有效抑制电网侧谐波电压在整流变压器一次侧所激发的谐波电流，以及与无源滤波器相互作用所产生的串联谐振问题，这对于短路容量较小，系统电压畸变严重的工业配电系统具有明显的滤波效果；

（4）由于本发明滤波系统中整流变压器的漏阻抗与系统阻抗串联，从滤波支路看去相当于增大了工业配电系统的等效系统阻抗，故其具有比常规无源滤波系统更强的谐振抑制能力，所以在达到相同的滤波和谐振抑制效果的前提下，混合感应型有源滤波系统中的有源滤波器（即电压源型逆变器）的容量将低于传统混合有源滤波系统；

（5）视系统的补偿容量，电压源型逆变器的拓扑结构可采用两电平、三电平和多电平三相逆变器中的任何一种，这样便于根据实际情况和市场需求灵活选取逆变器。

附图说明

图1为传统混合有源滤波系统原理图；

图2为本发明一实施例原理图；

图3为本发明混合感应型电力有源滤波系统的单相接线图；

图4为本发明混合感应型电力有源滤波系统的单相等效电路；

图5为本发明混合感应型电力有源滤波系统的控制原理图；

图6为本发明混合感应型电力有源滤波系统对负载侧谐波电流的滤波特性曲线；

图7为本发明混合感应型电力有源滤波系统对电网侧谐波电压的滤波特性曲线。

图1中：

9：整流变压器，10：滤波支路，11：无源滤波器，12：单调谐无源滤波器组，13：有源滤波器，14：工业配电网，15：工业配电网系统阻抗，16：整流器；

图2中：

1：整流变压器，2：滤波支路，3：具有谐振特性的无源滤波器，4：单调谐无源滤波器组，5：电压源型逆变器，6：工业配电网，7：工业配电网系统阻抗，8：整流器；

图3中：

17：整流变压器，18：系统阻抗，19：工业配电网等效电源，20：电压源型逆变器，21：具有谐振特性的无源滤波器，22：非线性负载；

图4中：

23：整流变压器单相等值电路，24：滤波支路单相等值电路，25：非线性负荷单相等效电路，26：工业配电网单相等效电路。

具体实施方式

如图2所示，本发明一实施例整流变压器1的一次侧为星型接线，二次侧为延边三角形接线；延边绕组直接与非线性负载的整流器8相连，延边绕组和三角形绕组的交接点并联接有滤波支路2，通过对所述整流变压器1进行特殊的绕组布置和阻抗设计使得二次侧三角形绕组的等值阻抗接近于0。对于每一相而言，滤波支路2中的三个无源滤波器3均由多组具有串联谐振特性的单调谐滤波器4并联组成（谐波频率次数通常为5、7、11、13次）。滤波支路中电压源型逆变器5与无源滤波器3串联；视实际情况，电压源型逆变器5的拓扑结构可以是两电平、三电平和多电平三相逆变器。在滤波支路2中无源滤波器3承受大部分基波电压，起主要滤波和无功补偿作用，而电压源型逆变器5的作用为改善无源滤波器3的滤波性能，阻止谐振系统的串/并联谐振。值得指出的是，整流变压器1的一次侧绕组直接与工业配电网6相连，自滤波支路看去，系统的等效阻抗相当于原来配电网的系统阻抗7与整流变压器1自身绕组的漏阻抗之和，故本发明提出的滤波系统有比传统滤波系统更强的谐波谐振抑制能力，因此与传统的混合滤波系统相比（图1），在得到相同的滤波和谐振阻尼效果的前提下，本发明中的电压源型逆变器的容量可以设计的更低，故成本也更低。

下面介绍本发明的谐波抑制原理。

图3所示为本发明滤波系统的单相接线图，图4为图3在谐波域下的单相等效电路图，图5为电压源型逆变器的控制原理框图。在图5所示控制原理的作用下，电压源型逆变器等效为一个谐波电流控制型电压源，即：

V_ch=KI_Sh    （1）

其中K为电压源型逆变器在h次谐波频率下输出的等效虚拟电阻（即把电压源型逆变器等效成一个含串联电阻的谐波电流控制型电压源，这里串联电阻即为K，也即是等效虚拟电阻），I_Sh为整流变压器一次侧的谐波电流。

参见图4，根据基尔霍夫电压、电流定理，变压器磁势平衡原理，多绕组变压器理论及叠加原理可得电网侧（整流变压器1的一次侧）谐波电流的表达式为：

$I_{\mathrm{Sh}}=\frac{(Z_{3h}+Z_{\mathrm{fh}})k_{12}+Z_{\mathrm{fh}}{k}_{12}{k}_{32}}{(Z_{3h}+Z_{\mathrm{fh}})k_{12}^2+(Z_{1h}-Z_{\mathrm{Sh}}-K)k_{32}^2}{I}_{\mathrm{Lh}}+\frac{k_{32}^2}{(Z_{3h}+Z_{\mathrm{fh}})k_{12}^2+(Z_{1h}-Z_{\mathrm{Sh}}-K)k_{32}^2}{V}_{\mathrm{Sh}}---\left(2\right)$

其中k₁₂、k₃₂分别为一次侧绕组与二次侧延边绕组以及二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的变比，Z_Sh、V_Sh为工业配电网的系统阻抗和等效谐波电压，I_Lh为负载的等效谐波电流，Z_1h、Z_3h为整流变压器一次侧绕组和二次侧三角形绕组在谐波域下的等值阻抗，Z_fh为无源滤波器在谐波域下的阻抗。

由式（2）可知，只要在阻抗设计时满足整流变压器1的二次侧三角形绕组等值阻抗Z_3h以及滤波支路2的等值阻抗Z_fh为零，亦即

Z_3h=Z_fh=0      （3）

则式（2）中第一项为0。即使在实际运行时上述两个阻抗随运行条件并不完全等于0，但只要控制K足够大，则式（2）中的第一项也能接近于0。另外，从式（2）中的第二项可以看出只要控制K足够大，由工业配电网谐波电压所引起的网侧谐波电流也能得到很好地抑制。

在实际的阻抗设计中，满足式（3）所示的阻抗条件并不困难：

其一，在设计单调谐无源滤波器组4组成的第h次无源滤波器时，可在满足所需补偿的无功功率Q_C(h)的前提下使得滤波器中的电容器和电抗器达到串联谐振状态，即对第h次单调谐滤波器其电容C_h和电感L_h应满足：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{jh}{\mathrm{\ω}}_1{L}_h-\frac{1}{\mathrm{jh}{\mathrm{\ω}}_1{C}_h}=0\\ C_h=\frac{Q_{C\left(h\right)}(h^2-1)}{\left(V^2{\mathrm{\ω}}_1\right)h^2}\\ L_h=\frac{1}{h^2{\mathrm{\ω}}_1^2{C}_h}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中V为第h次无源滤波器所承受的基波电压。

其二，在设计整流变压器1时，对其绕组进行合理布局可实现Z_3h=0。事实上，根据多绕组变压器理论可得：

$Z_{3h}=\frac{1}{2}(Z_{h31}+Z_{h32}-Z_{h12}^{\′})---\left(5\right)$

其中Z_h31，Z_h32和Z’_h12分别为整流变压器二次侧三角形绕组与一次侧绕组，二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组以及一次侧与二次侧延边绕组（已折算至整流变压器二次侧三角形绕组）之间的短路阻抗。通过对每一相的三个绕组合理布局，分配好各自的短路阻抗，可使等式（5）的右边为0。

下面说明混合感应型电力有源滤波系统的控制原理。

电压源型逆变器的控制原理如图5所示，电网侧a相电压经锁相环为整个控制原理提供同步信号；电网侧三相电流i_Sa、i_Sb、i_Sc经DQ变换和高通滤波器后，将余下i_Sa、i_Sb、i_Sc中谐波分量在DQ轴上的投影（为i_d、i_q中的交流分量）；为稳定直流侧的电压，将直流电压指令量与其实测值之差经PI调节器注入Q轴交流电流分量，实现系统侧与电压源型逆变器直流侧的有功交换；将合成后的DQ轴电流经反DQ变换转化为ABC坐标系下的电流；为将电压源型逆变器控制成谐波电流控制型电压源，需将反DQ变换后的三相电流与虚拟电阻K相乘，并将输出信号经PWM调制模块为主电路提供脉冲信号，其中具体调制方法应根据不同的逆变器拓扑结构而定。

图6和图7所示为本发明滤波系统的滤波特性。从图6可以看出，当本系统的电压源型逆变器发挥作用时（即K=60时），混合感应型电力有源滤波系统的滤波带宽明显加宽，这对于频率波动范围较大的工业配电网，即使无源滤波器3出现了偏调谐仍能得到满意的滤波效果。另外，从图7可以看出，对于系统侧出现的谐波电压，混合感应型电力有源滤波系统比传统无源型感应滤波系统在滤波效果及谐振抑制能力上具有质的提高，I_Sh/V_Sh均低于10%，且所有可能的串联谐振点几乎完全消失。

Claims (5)

1.一种混合感应型电力有源滤波系统，包括整流变压器、滤波支路、整流器、滤波支路，所述滤波支路包括三个无源滤波器和电压源型逆变器，所述三个无源滤波器均接入所述电压源型逆变器；其特征在于，所述整流变压器一次侧通过连接阻抗接入三相电网，所述整流变压器二次侧延边绕组与所述整流器连接，所述三个无源滤波器分别并联接入所述整流变压器二次侧三角形绕组与延边绕组的三个交接点处。

2.根据权利要求1所述的混合感应型电力有源滤波系统，其特征在于，所述整流变压器二次侧三角形绕组等值阻抗Z_3h以及所述滤波支路的等值阻抗Z_fh均为零。

3.根据权利要求2所述的混合感应型电力有源滤波系统，其特征在于，所述无源滤波器由多组具有串联谐振特性的单调谐滤波器并联组成，对于第h次单调谐滤波器，其电容C_h和电感L_h满足下列关系：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{jh}{\mathrm{\ω}}_1{L}_h-\frac{1}{\mathrm{jh}{\mathrm{\ω}}_1{C}_h}=0\\ C_h=\frac{Q_{C\left(h\right)}(h^2-1)}{\left(V^2{\mathrm{\ω}}_1\right)h^2}\\ L_h=\frac{1}{h^2{\mathrm{\ω}}_1^2{C}_h}\end{array}\right.,$

其中，V为第h次单调谐滤波器所承受的基波电压；ω₁为基波角频率；Q_C(h)为h次单调谐滤波器提供的无功功率补偿容量。

4.根据权利要求3所述的混合感应型电力有源滤波系统，其特征在于，所述无源滤波器由4组具有串联谐振特性的单调谐滤波器并联组成，所述4组具有串联谐振特性的单调谐滤波器的谐波频率次数分别为5、7、11、13次。

5.根据权利要求1所述的混合感应型电力有源滤波系统，其特征在于，所述电压源型逆变器为两电平逆变器、三电平逆变器、多电平逆变器中的一种。

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