CN105470963A - 一种有源电力滤波器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器及其控制方法，其中单相制的电力滤波器包括电流检测单元、控制单元、串联变压器单元和无源滤波器单元，电流检测单元检测串联变压器单元的一次侧电流后将其输出给控制单元；控制单元接收一次侧电流后提取其基波分量和谐波分量，并分别转换为基波分量反相的电流基波指令信号和谐波分量乘以倍数K的电流谐波指令信号；控制单元再生成与电流基波指令信号和电流谐波指令信号成比例的相应电流，并将该电流输出至串联变压器单元的二次侧；无源滤波器单元接收谐波源负载的谐波电流。本发明的有源电力滤波器及其控制方法，无需多条无源支路，改善了受谐波电压干扰而使得谐波等效阻抗减小的问题，具有更好的滤波效果。

Description

一种有源电力滤波器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力滤波器技术领域，尤其涉及一种串联混合型的有源电力滤波器及其控制方法。

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，降低了电力系统的供电质量。现有的解决谐波问题有两种方案：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；另一种属于被动型方案，通过装设谐波补偿装置来补偿谐波，这就是通常所说的电力滤波器，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几类：1)单独使用的并联型和串联型有源电力滤波器；2)混合型有源电力滤波器，主要包括并联无源和并联有源电力滤波器相结合的方案、并联无源和串联有源电力滤波器相结合的方案以及无源和有源电力滤波器串联联接的方案；3)统一电能质量控制器。

在这些有源电力滤波器中，串联混合型有源电力滤波器采用并联无源滤波器和较小容量的有源电力滤波器结合完成大容量的滤波任务，可以降低成本，具有很高的性价比，因此应用较广泛，但是现有的串联混合型有源电力滤波器的无源支路较多，且容易受谐波干扰电压的影响而大大降低滤波器的滤波效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种有源电力滤波器及其控制方法，无需多条无源支路，改善了受谐波电压干扰而使得谐波等效阻抗减小的问题，具有更好的滤波效果。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了一种单相制的有源电力滤波器，应用于单相制电力系统，所述单相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，所述单相制的有源电力滤波器包括电流检测单元、控制单元、串联变压器单元和无源滤波器单元，其中：所述电流检测单元包括第一电流互感器，所述第一电流互感器连接在所述串联变压器单元的一次侧和所述控制单元之间，所述第一电流互感器检测所述串联变压器单元的一次侧电流，并将所述一次侧电流输出至所述控制单元；所述控制单元包括第一电流处理电路和电流发生电路，所述第一电流处理电路的输入端和所述第一电流互感器连接，所述第一电流处理电路的输出端与所述电流发生电路的输入端连接，所述电流发生电路的输出端与所述串联变压器单元的二次侧两端连接，所述第一电流处理电路接收到所述一次侧电流后提取所述一次侧电流的基波分量和谐波分量，并将所述一次侧电流的基波分量和谐波分量分别转换为与所述一次侧电流的基波分量相位相反、大小相同的电流基波指令信号和与所述一次侧电流的谐波分量相位相同、大小为所述一次侧电流的谐波分量的K倍的电流谐波指令信号，再将所述电流基波指令信号和所述电流谐波指令信号输出给所述电流发生电路，所述电流发生电路根据所述电流基波指令信号和所述电流谐波指令信号产生相应电流，并将该电流输出至所述串联变压器单元的二次侧，其中1＜K＜20；所述串联变压器单元的一次侧两端串联在所述接入电网和所述谐波源负载之间；所述无源滤波器单元是设置在所述串联变压器单元和所述谐波源负载之间的支路电路。

优选地，所述电流检测单元还包括第二电流互感器，所述第二电流互感器连接在所述串联变压器单元的二次侧和所述控制单元之间，所述第二电流互感器检测所述串联变压器单元的二次侧电流，并将所述二次侧电流输出至所述控制单元；所述控制单元还包括第二电流处理电路，所述第二电流处理电路的输入端和所述第二电流互感器连接，所述第二电流处理电路的输出端与所述电流发生电路的输入端连接，所述第二电流处理电路接收到所述二次侧电流后提取所述二次侧电流的基波分量和谐波分量，并将所述二次侧电流的基波分量和谐波分量转换为电流基波反馈信号和电流谐波反馈信号，再将所述电流基波反馈信号和所述电流谐波反馈信号输出给所述电流发生电路，所述电流发生电路根据所述电流基波反馈信号和所述电流谐波反馈信号进行闭环控制。

优选地，所述电流发生电路采用逆变器。

本发明还公开了一种三相制的有源电力滤波器，应用于三相制电力系统，所述三相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，所述三相制的有源电力滤波器包括三组如上所述的单相制的有源滤波器，其中三组所述单相制的有源电力滤波器相互独立。

本发明还公开了一种三相制的有源电力滤波器，应用于三相制电力系统，所述三相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，所述三相制的有源电力滤波器包括三组如上所述的单相制的有源滤波器，其中的三组所述电流发生电路合并采用三相逆变器实现，三组所述第一电流互感器、所述第一电流处理电路、所述串联变压器单元和所述无源滤波器单元相互独立。

本发明还公开了一种三相制的有源电力滤波器，应用于三相制电力系统，所述三相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，所述三相制的有源电力滤波器包括三组如上所述的单相制的有源滤波器，其中的三组所述电流发生电路合并采用三相逆变器实现，三组所述第一电流互感器、所述第一电流处理电路、所述第二电流互感器、所述第二电流处理电路、所述串联变压器单元和所述无源滤波器单元相互独立。

本发明另外还公开了一种有源电力滤波器的控制方法，所述有源电力滤波器包括电流检测单元、控制单元、串联变压器单元和无源滤波器单元，控制方法包括以下步骤：所述电流检测单元检测所述串联变压器单元的一次侧电流后将所述一次侧电流输出给所述控制单元；所述控制单元接收所述一次侧电流后提取所述一次侧电流的基波分量和谐波分量，然后将所述一次侧电流的基波分量和谐波分量分别转换为与所述一次侧电流的基波分量相位相反、大小相同的电流基波指令信号和与所述一次侧电流的谐波分量相位相同、大小为所述一次侧电流的谐波分量的K倍的电流谐波指令信号；所述控制单元生成与所述电流基波指令信号和所述电流谐波指令信号成比例的相应电流，并将该电流输出至所述串联变压器单元的二次侧，其中1＜K＜20；所述无源滤波器单元接收谐波源负载的谐波电流。

优选地，控制方法还包括以下步骤：所述电流检测单元检测所述串联变压器单元的二次侧电流后将所述二次侧电流输出给所述控制单元；所述控制单元接收所述二次侧电流后提取所述二次侧电流的基波分量和谐波分量，然后将所述二次侧电流的基波分量和谐波分量分别转换为电流基波反馈信号和电流谐波反馈信号，所述控制单元根据所述电流基波反馈信号和所述电流谐波反馈信号进行闭环控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的有源电力滤波器及其控制方法，通过控制系统将串联变压器的一次侧电流的基波分量和谐波分量分别进行处理成对应的指令信号并生成相应电流输出给串联变压器的二次侧，使得有源电力滤波器对基波呈现为很小的漏阻抗，不影响接入电网的正常运行，而对谐波呈现为很大的(1+K)倍的励磁阻抗，迫使谐波源负载的谐波电流全部流入到无源滤波器中以防止谐波电流流入电力系统中；另外，该有源滤波器可以等效为一个感性阻抗，随着谐波次数的增加，该等效感性阻抗也会随之增大，所以系统无需多条无源支路，且由于该有源电力滤波器对谐波呈现为(1+K)倍的励磁阻抗，其中1＜K＜20时，使得谐波干扰电压对谐波等效阻抗的影响可以忽略，从而改善了受谐波电压干扰而使得谐波等效阻抗减小的问题，提高谐波隔离的效果。

附图说明

图1是本发明一种实施例的单相制的有源电力滤波器的结构示意图；

图2是图1中的串联变压器的T型等效电路图；

图3是图1中的有源电力滤波器的基波等效结构图；

图4是图1中的有源电力滤波器的谐波等效结构图；

图5是本发明另一种实施例的三相制的有源电力滤波器的结构示意图。

具体实施方式

下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的一种实施例中的单相制的有源电力滤波器包括四个单元，电流检测单元Ⅰ、控制单元Ⅱ、串联变压器单元Ⅲ和无源滤波器单元Ⅳ，该有源电力滤波器应用在单相制的电力系统中，连接在接入电网8和谐波源负载7之间，其中接入电网8中的表述电网电压，l_s表示电网等效内阻抗。

电流检测单元Ⅰ包括第一电流互感器1和第二电流互感器3，第一电流互感器1串接在串联变压器6的一次侧，第二电流互感器3串接在串联变压器6的二次侧。第一电流互感器1检测串联变压器6的一次侧电流并输出给控制单元Ⅱ，第二电流互感器3检测串联变压器6的二次侧电流并输出给控制单元Ⅱ。

控制单元Ⅱ包括第一电流处理单元2、第二电流处理单元4和电流发生电路5，其中第一电流处理单元2的输入端与第一电流互感器1相连，第二电流处理单元4的输入端与第二电流互感器2相连，第一电流处理单元2和第二电流处理单元4的输出端均与电流发生电路5的输入端相连，电流发生电路5的输出端与串联变压器6的二次侧相连。第一电流处理单元2接收第一电流互感器1的电流信号，并提取一次侧电流中的基波分量和谐波分量，再将一次侧电流中的基波分量转换为相位相反、大小相同的电流基波指令信号将一次侧电流中的谐波分量转换为相位相同、大小为其K倍(1＜K＜20)的电流谐波指令信号然后将电流基波指令信号和电流谐波指令信号输出给电流发生电路5。第二电流处理单元4接收第二电流互感器3的电流信号，并提取二次侧电流中的基波分量和谐波分量，再将二次侧电流中的基波分量和谐波分量通过变压器变比折算后转换为电流基波反馈信号和电流谐波反馈信号后输出给电流发生电路5。电流发生电路5将电流基波指令信号和电流谐波指令信号作为参考输入信号，产生一个与参考输入信号成比例的相应电流，并输出给串联变压器6的二次侧；电流发生电路5将电流基波反馈信号和电流谐波反馈信号作为反馈输入信号，用于电路发生电路5的闭环控制，其中电流发生电路5可以采用逆变器来实现。

串联变压器单元Ⅲ包括串联变压器6，串联变压器6的一次侧串联接入接入电网8和谐波源负载7之间，二次侧与电流发生电路5相连。

无源滤波器单元Ⅳ包括无源滤波器9，无源滤波器9是设置在串联变压器6和谐波源负载7之间的支路电路。

下述针对本发明的单相制的有源电力滤波器对于基波和谐波的作用分别进行讨论：

图2是串联变压器6的T型等效电路图，其中二次侧的值全部折算到一次侧，和分别为串联变压器6的一次侧和二次侧电压，和分别为串联变压器6的一次侧和二次侧电流，Z₁＝R₁+jX_1σ为一次侧AX的漏阻抗，

Z′₂＝R′₂+jX′_2σ为二次侧ax的漏阻抗，Z_m＝R_m+jX_m为串联变压器6的励磁阻抗；根据图2，串联变压器6的一次侧和二次侧电压方程分别为：

${\stackrel{\·}{U}}_1={\stackrel{\·}{I}}_1{Z}_1+({\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′})Z_m---\left(1\right)$

$-{\stackrel{\·}{U}}_2^{\′}={\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}{Z}_2+({\stackrel{\·}{I}}_1+{\stackrel{\·}{I}}_2^{\′})Z_m---\left(2\right)$

当串联变压器6的二次侧施加的电流源与一次侧的电流满足一定倍数关系时，即：

${\stackrel{\·}{I}}_2^{\′}=\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(3\right)$

其中，α为被控系数。联立式(1)～式(3)，得到：

${\stackrel{\·}{U}}_1=\[Z_1+(1+\mathrm{\α})Z_m\]{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(4\right)$

则串联变压器6的一次侧等效阻抗为：

$Z_{AX}={\stackrel{\·}{U}}_1/{\stackrel{\·}{I}}_1=\[Z_1+(1+\mathrm{\α})Z_m\]---\left(5\right)$

由式(5)可知，从串联变压器6的一次侧AX端看进去，其呈现的阻抗为一可变量，其大小与α满足一定比例关系。

根据叠加原理对于基波和谐波分别考虑：

1)对于基波：注入到串联变压器6二次侧的基波电流与一次测基波电流的相位相反、大小相同，则控制系数α等于-1，根据公式(5)串联变压器6一次侧基波等效阻抗为Z₁，则对于基波电网线路中相当于串联了一个值为Z₁的阻抗，其等效电路如图3所示，Z₁为变压器一次侧的漏阻抗，通过合理设计可以使其值很小，对电网运行不产生影响。图3的系统基波等效电路图中，接入电网5＇的电压只有基波分量而没有谐波分量，Z_s1表示接入电网5＇的基波等效阻抗，表示接入电网5＇的电压，表示接入电网5＇的电流基波分量，表示谐波源负载7的电流基波分量，表示无源滤波器9的电流基波分量；Z_fi1为无源滤波器9的基波等效阻抗，呈容性，仅起无功补偿的作用。

2)对于n次谐波：注入到串联变压器6二次侧的谐波电流与一次测谐波电流的相位相同、大小为其K倍(1＜K＜20)，则控制系数α等于K，根据公式(5)变压器一次侧等效阻抗为 $Z_{AX}^{\left(n\right)}=Z_1^{\left(n\right)}+(1+K)Z_m^{\left(n\right)}\≈n(1+K)Z_m^{\left(1\right)},$ 该阻抗约为串联变压器6的基波励磁阻抗与谐波次数乘积的(1+K)倍，系统谐波等效电路如图4所示，串联变压器6的一次侧对谐波呈现为高阻抗，且随着谐波次数n的增加而增加，有源滤波器串联接在接入电网5＂和谐波源负载7之间，起到了谐波“隔离”的作用，迫使谐波源负载7的谐波电流流入无源滤波器9。图4的等效电路图中，接入电网5＂电压不含谐波分量，Z_sn表示接入电网5＂的谐波等效阻抗，表示接入电网5＂的电流谐波分量，表示谐波源负载7的电流谐波分量，表示无源滤波器9的电流谐波分量；Z_fin为无源滤波器9的谐波等效阻抗。其中在一些具体的实施例中，K可以取值为10，此时谐波等效阻抗基本不受谐波电压干扰的影响，即改善了受谐波电压干扰而使得谐波等效阻抗减小的问题，提高谐波隔离的效果。

对于三相系统，可以采用前述的三个单相系统进行实现，或者电流发生电路5为三相，即电流发生电路5采用三相逆变器实现，其余部分采用三套单相制的结构来实现，如图5所示。

从上面的分析可知，串联变压器一次测对基波呈现为漏阻抗，对谐波呈现为串联变压器基波励磁阻抗与谐波次数乘积的(1+K)倍，从而迫使负载谐波电流流入无源滤波器，较少的无源滤波器支路就可以起到了很好的滤波作用。整个滤波系统的结构和控制非常简单，相比于传统的基于基波磁通补偿原理的方案，在拓扑结构不变、不额外增加元器件的情况下，通过同相注入K(1＜K＜20)倍的谐波电流到串联变压器的二次侧，极大地增加了变压器一次测的谐波等效阻抗，避免了传统方案受谐波电压干扰而使得谐波等效阻抗减小的问题，具有更好的滤波效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种单相制的有源电力滤波器，应用于单相制电力系统，所述单相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，其特征在于，所述单相制的有源电力滤波器包括电流检测单元、控制单元、串联变压器单元和无源滤波器单元，其中：

所述电流检测单元包括第一电流互感器，所述第一电流互感器连接在所述串联变压器单元的一次侧和所述控制单元之间，所述第一电流互感器检测所述串联变压器单元的一次侧电流，并将所述一次侧电流输出至所述控制单元；

所述控制单元包括第一电流处理电路和电流发生电路，所述第一电流处理电路的输入端和所述第一电流互感器连接，所述第一电流处理电路的输出端与所述电流发生电路的输入端连接，所述电流发生电路的输出端与所述串联变压器单元的二次侧两端连接，所述第一电流处理电路接收到所述一次侧电流后提取所述一次侧电流的基波分量和谐波分量，并将所述一次侧电流的基波分量和谐波分量分别转换为与所述一次侧电流的基波分量相位相反、大小相同的电流基波指令信号和与所述一次侧电流的谐波分量相位相同、大小为所述一次侧电流的谐波分量的K倍的电流谐波指令信号，再将所述电流基波指令信号和所述电流谐波指令信号输出给所述电流发生电路，所述电流发生电路根据所述电流基波指令信号和所述电流谐波指令信号产生相应电流，并将该电流输出至所述串联变压器单元的二次侧，其中1＜K＜20；

所述串联变压器单元的一次侧两端串联在所述接入电网和所述谐波源负载之间；

所述无源滤波器单元是设置在所述串联变压器单元和所述谐波源负载之间的支路电路。

2.根据权利要求1所述的单相制的有源电力滤波器，其特征在于，

所述电流检测单元还包括第二电流互感器，所述第二电流互感器连接在所述串联变压器单元的二次侧和所述控制单元之间，所述第二电流互感器检测所述串联变压器单元的二次侧电流，并将所述二次侧电流输出至所述控制单元；

所述控制单元还包括第二电流处理电路，所述第二电流处理电路的输入端和所述第二电流互感器连接，所述第二电流处理电路的输出端与所述电流发生电路的输入端连接，所述第二电流处理电路接收到所述二次侧电流后提取所述二次侧电流的基波分量和谐波分量，并将所述二次侧电流的基波分量和谐波分量转换为电流基波反馈信号和电流谐波反馈信号，再将所述电流基波反馈信号和所述电流谐波反馈信号输出给所述电流发生电路，所述电流发生电路根据所述电流基波反馈信号和所述电流谐波反馈信号进行闭环控制。

3.根据权利要求1或2所述的单相制的有源电力滤波器，其特征在于，所述电流发生电路采用逆变器。

4.一种三相制的有源电力滤波器，应用于三相制电力系统，所述三相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，其特征在于，所述三相制的有源电力滤波器包括三组如权利要求1至3任一项所述的单相制的有源滤波器，其中三组所述单相制的有源电力滤波器相互独立。

5.一种三相制的有源电力滤波器，应用于三相制电力系统，所述三相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，其特征在于，所述三相制的有源电力滤波器包括三组如权利要求1所述的单相制的有源滤波器，其中的三组所述电流发生电路合并采用三相逆变器实现，三组所述第一电流互感器、所述第一电流处理电路、所述串联变压器单元和所述无源滤波器单元相互独立。

6.一种三相制的有源电力滤波器，应用于三相制电力系统，所述三相制电力系统包括接入电网和谐波源负载，其特征在于，所述三相制的有源电力滤波器包括三组如权利要求2所述的单相制的有源滤波器，其中的三组所述电流发生电路合并采用三相逆变器实现，三组所述第一电流互感器、所述第一电流处理电路、所述第二电流互感器、所述第二电流处理电路、所述串联变压器单元和所述无源滤波器单元相互独立。

7.一种有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，所述有源电力滤波器包括电流检测单元、控制单元、串联变压器单元和无源滤波器单元，控制方法包括以下步骤：

所述电流检测单元检测所述串联变压器单元的一次侧电流后将所述一次侧电流输出给所述控制单元；

所述控制单元接收所述一次侧电流后提取所述一次侧电流的基波分量和谐波分量，然后将所述一次侧电流的基波分量和谐波分量分别转换为与所述一次侧电流的基波分量相位相反、大小相同的电流基波指令信号和与所述一次侧电流的谐波分量相位相同、大小为所述一次侧电流的谐波分量的K倍的电流谐波指令信号；所述控制单元生成与所述电流基波指令信号和所述电流谐波指令信号成比例的相应电流，并将该电流输出至所述串联变压器单元的二次侧，其中1＜K＜20；

所述无源滤波器单元接收谐波源负载的谐波电流。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

所述电流检测单元检测所述串联变压器单元的二次侧电流后将所述二次侧电流输出给所述控制单元；

所述控制单元接收所述二次侧电流后提取所述二次侧电流的基波分量和谐波分量，然后将所述二次侧电流的基波分量和谐波分量分别转换为电流基波反馈信号和电流谐波反馈信号，所述控制单元根据所述电流基波反馈信号和所述电流谐波反馈信号进行闭环控制。