CN107370153A - 一种有源电力滤波装置 - Google Patents

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李达义
胡晶
余天保
杨凯
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    • H02J3/01—Arrangements for reducing harmonics or ripples
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Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波装置，适用于包括系统电源和谐波负载的电路，包括：变压器、逆变器、调制信号生成模块；变压器的一次侧绕组与所述谐波负载串联，接入所述系统电源和谐波负载构成的回路；调制信号生成模块用于生成所述逆变器的调制信号，调制信号由反向放大后的变压器一次侧基波电流和正向放大后的变压器一次侧谐波电流叠加生成；逆变器用于将直流信号转变成与所述调制信号同频率的交流电流信号并注入所述变压器二次侧绕组，以使所述变压器一次侧基波等效阻抗为Z1+(1‑α)Zm，变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为nZ1+(1+β)nZm。本发明基于基波和谐波磁通混合控制，使得变压器一次侧相对基波短路及相对谐波开路，谐波电流被迫流入无源支路，起到有源滤波的作用。

Description

一种有源电力滤波装置
技术领域
本发明属于有源电力滤波技术领域，更具体地，涉及一种有源电力滤波装置。
背景技术
随着电力电子非线性负荷在工业和民用现场应用越来越广泛，电网中电流波形畸变更加严重，谐波和无功问题越来越显著。针对谐波和功率因数问题，工业界已提出多种应对方案，其中主要的滤波方案包括传统无源LC滤波器、传统并联有源电力滤波器、串联混合型有源电力滤波器、注入型混合有源电力滤波器及统一电能质量调节器。
无源滤波器体积、重量较大，且只能滤除特定频率的谐波。在所有电力滤波器中，串联混合型有源电力滤波器由于能极大提高谐波阻抗进而起“谐波隔离器”作用，而引发广泛关注。但此类滤波器在保护策略和可靠性方面存在一些问题，且滤波性能受变压器容量限制，具体如下：
(1)串联有源电力滤波器的整体系统需要定制保护策略：逆变器组件串联于电源和负载之间，无法通过电源接触器、断路器或保险丝等装置得到直接的保护。
(2)装置的滤波性能与变压器容量相冲突：传统基于基波磁通补偿的串联混合型有源电力滤波器仅对基波磁通进行补偿，只能降低基波等效阻抗，当所用变压器确定后，谐波等效阻抗固定，为变压器励磁阻抗；变压器额定容量的设计取决于考虑系统保护策略下的励磁阻抗大小，考虑变压器基波磁通完全没有得到补偿的极端情况，该串联变压器的设计容量为I1为变压器一次侧电流，为降低该额定容量，必须减小变压器励磁阻抗Zm。综上，较好的滤波性能要求较大容量的变压器。
3)装置的保护策略及可靠性与变压器容量相冲突：为了便于保护并提高装置的可靠性，变压器励磁阻抗也应该设计得较小，否则一旦装置处于非正常运行状态，逆变器输出电压将会非常高。
综上，无源滤波器体积、重量大，只能滤除特定频率的谐波；现有串联混合型有源电力滤波器因充当一个“谐波隔离器”起到实时滤波的作用而引发广泛关注。但其仅对基波磁通进行补偿，从而只能降低基波等效阻抗，当所用变压器确定后，其谐波等效阻抗为定值，为取得较好滤波效果，需采用较大容量变压器，而较大容量的变压器又会增加系统保护的难度，因此现有串联混合型有源电力滤波器的系统保护策略、容量与滤波性能之间存在冲突。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有有源电力滤波器仅对基波磁通进行补偿，只能降低基波等效阻抗，当所用变压器确定后，其谐波等效阻抗为定值，为取得较好滤波效果，需采用较大容量变压器，而较大容量的变压器又会增加系统保护的难度的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种有源电力滤波装置，适用于包括系统电源和谐波负载的电路，该装置包括：变压器、逆变器、调制信号生成模块。
变压器的一次侧绕组与所述谐波负载串联，接入所述系统电源和谐波负载构成的回路，流过变压器一次侧绕组的电流包括基波电流分量和谐波电流分量。调制信号生成模块用于生成逆变器的调制信号，调制信号由反向放大后的一次侧基波电流和正向放大后的一次侧谐波电流叠加生成。逆变器用于将直流信号转变成与调制信号同频率的交流电流信号并注入变压器二次侧绕组，以使所述变压器一次侧基波等效阻抗为Z1+(1-α)Zm，变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为nZ1+(1+β)nZm，其中，Z1为变压器的一次侧漏抗，Zm为变压器的励磁阻抗，n为谐波次数；α和β分别为基波控制系数和谐波控制系数，其分别通过调制信号中一次侧基波电流的放大倍数和一次侧谐波电流的放大倍数来调节。
本发明通过基于变压器中基波和谐波磁通混合控制，使得一次侧绕组的基波和谐波等效阻抗分别单独可控。变压器一次侧基波等效阻抗为Z1+(1-α)Zm，变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为nZ1+(1+β)nZm，本发明提供的有源电力滤波装置可通过控制α使得变压器一次侧基波等效阻抗为0，则变压器一次侧相对基波短路，通过控制β使得变压器一次侧谐波等效阻抗很大，则变压器一次侧相对谐波开路，谐波电流被迫流入无源支路，起到有源滤波的作用。
可选地，调制信号生成模块包括：基波电流检测单元、减法器、基波电流放大器、谐波电流放大器以及叠加单元。基波电流检测单元，用于从流过所述变压器一次侧绕组的电流中检测所述一次侧的基波电流；谐波电流检测单元，用于从流过所述变压器一次侧绕组的电流中减去所述一次侧基波电流分量，从而得出一次侧谐波电流；基波电流放大器，用于对所述一次侧的基波电流进行反向放大；谐波电流放大器，用于对所述一次侧的谐波电流进行正向放大；叠加单元，用于将反向放大后的一次侧的基波电流和正向放大后的一次侧的谐波电流叠加，生成调制信号。
可选地，调制信号Iref为：
其中，为变压器一次侧电流I1中的基波分量，即为一次侧基波电流，为变压器一次侧电流I1中的第n次谐波分量，为一次侧谐波电流，ki为确定流过所述变压器一次侧绕组的电流所用的电流互感器的增益，-k1为基波电流放大器的放大倍数，k2为谐波电流放大器的放大倍数。
可选地，变压器二次侧的电流I2为：KPWM为所述逆变器的增益；所述变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流I2′为：
其中，kT为所述变压器的耦合变比，
可选地，通过以下方式确定变压器一次侧基波等效阻抗和变压器一次侧谐波等效阻抗：变压器的电压方程相量为：U1＝Z1I1+Zm(I1+I2′)，U1为变压器一次侧绕组两端的电压；变压器一次侧基波等效阻抗为：
变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为：
其中，为变压器一次侧绕组两端的基波电压，为变压器一次侧绕组两端的第n次谐波电压，
U1 (1)＝Z1 (1)I1 (1)+Zm (1)(I1 (1)+I2′(1))，U1 (n)＝Z1 (n)I1 (n)+Zm (n)(I1 (n)+I2′(n))；
I2′(1)和I2′(n)分别为变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流中的基波分量和第n次谐波分量，
Z1 (1)为变压器的一次侧相对基波的漏抗，Z1 (1)＝Z1，Zm (1)为变压器相对基波的励磁阻抗，Zm (1)＝Zm，Z1 (n)为变压器的一次侧相对第n次谐波的漏抗，Z1 (n)＝nZ1，Zm (n)为变压器相对第n次谐波的励磁阻抗，Zm (n)＝nZm。
可选地，若则此时变压器一次侧绕组对基波等效短路。
可选地，通过设置β的取值，使得变压器一次侧谐波等效阻抗为高阻，此时变压器一次侧绕组对谐波等效开路。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)基于基波和谐波磁通混合控制，串联变压器一次侧绕组的基波和谐波等效阻抗分别单独可控。
(2)变压器设计额定容量更小，在逆变器调制信号中加入谐波电流分量，从而使变压器获得谐波磁通补偿，通过合理设计补偿系数，使得变压器一次侧绕组在具有相同谐波等效阻抗的条件下，所需变压器励磁阻抗更小，即变压器额定容量更小。
(3)可靠性高、易于保护，在一定滤波性能条件下，所采用的变压器具有更低的漏抗和励磁阻抗，当装置处于非正常运行状态时，逆变器输出电压相对较低，提高了装置的可靠性并简化保护系统设计。
(4)滤波性能更佳，在逆变器参考信号中加入谐波电流分量，从而使变压器获得谐波磁通补偿，通过合理设计补偿系数，使得装置在采用相同变压器时，变压器一次侧谐波等效阻抗更大，滤波效果更佳。
(5)简化的无源滤波器设计，在采用相同的变压器时，滤波性能更佳，因此无源滤波器的容量和体积可以大大减小。
附图说明
图1为本发明实施例提供的有源电力滤波装置接入电网的单相原理示意图；
图2为本发明实施例提供的有源电力滤波装置接入三相系统的电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例提供的有源电力滤波装置接入电网的单相原理示意图。如图1所示，电网可包括有源电力滤波装置和无源电力滤波装置200，其中，有源电力滤波装置包括：变压器101、逆变器102以及调制信号生成模块103。
为减小有源电力滤波装置的容量，可通过有源电力滤波装置过滤高次谐波，无源电力滤波装置可过滤低次谐波(单相系统中如3次谐波和5次谐波)的方式，有源滤波和无源滤波协同工作完成滤波。具体地，无源电力滤波装置200可包括两个滤波支路，例如3次谐波滤波支路：电感L3和电容C3串联支路；5次谐波滤波支路：电感L5和电容C5串联支路。可以理解的是，根据实际需要，无源滤波装置还可包括更多或更少的滤波支路，本发明实施例不对此做任何限定，仅用作举例说明本发明。
如图1所示，US代表理想系统电压源，Uh为谐波源，代表系统电源的各类畸变(比如电压跌落，谐波等)，LS表示系统电压源的阻抗。变压器一次侧的电流为I1。Cd和Ld构成LC滤波电流，用于滤除逆变器102开关频率处的谐波。变压器101的一次侧端口设为AX端口，二次侧端口设为ax端口。
逆变器102以三角波为载波，采用正弦脉冲带宽调制SPWM控制策略，控制电压源逆变器跟随调制信号生成一可控电流，该可控电流经过一个LC滤波器滤波后注入耦合变压器二次侧绕组，则变压器二次侧绕组电流中同时含有控制系数不同的基波电流和谐波电流。逆变器直流侧电压Ud有三种来源方式：1)直流侧接一个电容器，通过控制逆变器使得直流侧电压稳定；2)直流侧接一个蓄电池，通过控制逆变器得到稳定的直流侧电压；3)通过电力系统感应取电，经过整流得到稳定的直流侧电压。
变压器101一次侧绕组与谐波负载串联，接入系统电源US和谐波负载构成的回路，流过变压器一次侧绕组的电流I1包括一次侧基波电流和一次侧谐波电流n为谐波次数，n>0，且n≠1。
调制信号生成模块103用于生成逆变器102的调制信号Iref，Iref由反向放大后的一次侧基波电流和正向放大后的一次侧谐波电流叠加生成。
逆变器102用于将Ud提供的直流信号转变成与Iref同频率的交流电流信号I2并注入变压器二次侧绕组，以使所述变压器一次侧基波等效阻抗为Z1+(1-α)Zm，变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为nZ1+(1+β)nZm，其中，Z1为变压器的一次侧漏抗，Zm为变压器的励磁阻抗，α和β分别为基波控制系数和谐波控制系数，其分别根据Iref中一次侧基波电流的放大倍数和一次侧谐波电流的放大倍数确定，流过变压器一次侧绕组的电流还包括变压器二次侧绕组电流等效到所述变压器一次侧的电流I2′。
调制信号生成模块103包括：基波电流检测单元113、减法器123、基波电流放大器133、谐波电流放大器143以及叠加单元153。
基波电流检测单元113，用于从变压器一次侧的电流为I1中检测一次侧的基波电流减法器123，用于从变压器一次侧的电流为I1中减去一次侧基波电流分量，从而得出一次侧的谐波电流基波电流检测环节传递函数为Gfund(s)，
另外，确定流过所述变压器一次侧绕组的电流I1所用的电流互感器的增益为ki，Gdi(s)表示检测一次侧电流后的滤波环节。
基波电流放大器133，用于对所述一次侧的基波电流进行反向放大；谐波电流放大器134，用于对所述一次侧的谐波电流进行正向放大。基波放大器和谐波放大器的放大倍数(增益)分别为-k1和k2。
叠加单元135，用于将反向放大后的一次侧的基波电流和正向放大后的一次侧的谐波电流叠加，生成调制信号Iref，
其中，为变压器一次侧电流I1中的基波分量，即为一次侧基波电流，为变压器一次侧电流I1中的第n次谐波分量，为一次侧谐波电流，-k1为基波电流放大器的放大倍数，k2为谐波电流放大器的放大倍数。
将逆变器102等效为一阶小惯性环节，电压源型逆变器的传递函数GPWM(s)为KPWM为逆变器的增益，TPWM为逆变器的延时，s为s域算子，为简化分析，忽略逆变器的延时，则逆变器等效为增益为KPWM的比例环节。
变压器101二次侧的电流I2为：KPWM为逆变器的增益；变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流I2′为：
其中，kT为所述变压器的耦合变比，
可选地，通过以下方式确定变压器一次侧基波等效阻抗和变压器一次侧谐波等效阻抗：
变压器的电压方程相量为：U1＝Z1I1+Zm(I1+I2′)，U2′＝Z2′I2′+Zm(I1+I2′)；
其中，U1为变压器一次侧绕组两端的电压，U2′为变压器二次侧绕组两端电压等效到一次侧的电压，Z2′为变压器二次侧等效到一次侧的漏抗。
从AX端口看见去，变压器一次侧基波等效阻抗为：
变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为：
为变压器一次侧绕组两端的基波电压，为变压器一次侧绕组两端的第n次谐波电压：
U1 (1)＝Z1 (1)I1 (1)+Zm (1)(I1 (1)+I2′(1))，U1 (n)＝Z1 (n)I1 (n)+Zm (n)(I1 (n)+I2′(n))；
I2′(1)和I2′(n)分别为变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流中的基波分量和第n次谐波分量，
Z1 (1)为变压器的一次侧相对基波的漏抗，Z1 (1)＝Z1，Zm (1)为变压器相对基波的励磁阻抗，Zm (1)＝Zm，Z1 (n)为变压器的一次侧相对第n次谐波的漏抗，Z1 (n)＝nZ1，Zm (n)为变压器相对第n次谐波的励磁阻抗，Zm (n)＝nZm。
可选地，若则此时变压器一次侧绕组对基波等效短路。
合理设置谐波控制系数β，则变压器一次侧绕组相对谐波等效为高阻，配合无源滤波支路(即应用于串联混合型有源电力滤波器结构中)时，能对谐波起到非常好的衰减作用。此外，相对于基于基波磁通补偿的串联混合型有源电力滤波器(谐波等效阻抗为nZ1+nZm)，基于基波和谐波磁通混合补偿的串联混合型有源电力滤波器(第n次谐波等效阻抗为nZ1+(1+β)nZm)在谐波等效阻抗中引入了系数(1+β)，因此在采用相同容量的变压器时，滤波性能更佳(在满足相同滤波效果的前提下，可以选用容量较小的变压器)。通过合理设置谐波控制系数β，则变压器一次侧谐波等效阻抗远大于变压器励磁阻抗Zm，迫使谐波流入无源滤波支路，并且在具有较小励磁阻抗的变压器中，能取得非常好的滤波效果。
因此，变压器可以为小容量耦合变压器，其通过一个LC滤波器将电压源逆变器的输出电流串接在系统电源和谐波负载之间。由于变压器原、副(一次侧、二次侧)方绕组的双边励磁作用，变压器一次侧绕组对基波和谐波分别等效为两个控制系数不同的可调电抗。控制放大器单元的基波和谐波增益系数，从而改变小容量耦合变压器单元的基波和谐波磁通补偿情况。使得变压器一次侧绕组对基波短路(基波等效阻抗为低阻)，对谐波开路(谐波等效阻抗为高阻)，谐波电流被迫流入无源支路，即起到有源滤波的作用。
三相系统下可以参考单相系统，在每一相上单独使用采用小容量变压器的基于基波和谐波磁通混合补偿的串联有源电力滤波器。三相线路上各放大器单独控制，发生故障时互不影响。具体参见图2所示的有源电力滤波装置接入三相系统的电路示意图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种有源电力滤波装置，其特征在于，适用于包括系统电源和谐波负载的电路，包括：变压器、逆变器、调制信号生成模块；
所述变压器的一次侧绕组与所述谐波负载串联，接入所述系统电源和谐波负载构成的回路，流过所述变压器一次侧绕组的电流包括一次侧基波电流和一次侧谐波电流；
所述调制信号生成模块用于生成所述逆变器的调制信号，所述调制信号由反向放大后的一次侧基波电流和正向放大后的一次侧谐波电流叠加生成；
所述逆变器用于将直流信号转变成与所述调制信号同频率的交流电流信号并注入所述变压器二次侧绕组，以使所述变压器一次侧基波等效阻抗为Z1+(1-α)Zm，变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为nZ1+(1+β)nZm，其中，Z1为变压器的一次侧漏抗，Zm为变压器的励磁阻抗，n为谐波次数，α和β分别为基波控制系数和谐波控制系数，其分别通过调制信号中一次侧基波电流的放大倍数和一次侧谐波电流的放大倍数来调节。
2.如权利要求1所述的有源电力滤波装置，其特征在于，所述调制信号生成模块包括：基波电流检测单元、减法器、基波电流放大器、谐波电流放大器以及叠加单元；
所述基波电流检测单元，用于从流过所述变压器一次侧绕组的电流中检测所述一次侧的基波电流；
所述减法器，用于从流过所述变压器一次侧绕组的电流中减去所述一次侧基波电流分量，从而得出一次侧谐波电流；
所述基波电流放大器，用于对所述一次侧的基波电流进行反向放大；
所述谐波电流放大器，用于对所述一次侧的谐波电流进行正向放大；
所述叠加单元，用于将反向放大后的一次侧的基波电流和正向放大后的一次侧的谐波电流叠加，生成调制信号。
3.如权利要求2所述的有源电力滤波装置，其特征在于，调制信号Iref为：
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其中，为变压器一次侧电流I1中的基波分量，即为一次侧基波电流，为变压器一次侧电流I1中的第n次谐波分量，为一次侧谐波电流，ki为确定流过所述变压器一次侧绕组的电流所用的电流互感器的增益，-k1为基波电流放大器的放大倍数，k2为谐波电流放大器的放大倍数。
4.如权利要求3所述的有源电力滤波装置，其特征在于，所述变压器二次侧的电流I2为：KPWM为所述逆变器的增益；所述变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流I2′为：
<mrow> <msup> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>k</mi> <mi>T</mi> </msub> </mfrac> <msub> <mi>I</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>&amp;alpha;I</mi> <mn>1</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;beta;&amp;Sigma;I</mi> <mn>1</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>;</mo> </mrow>
其中，kT为所述变压器的耦合变比，
5.如权利要求4所述的有源电力滤波装置，其特征在于，通过以下方式确定所述变压器一次侧基波等效阻抗和变压器一次侧谐波等效阻抗：
变压器的电压方程相量为：U1＝Z1I1+Zm(I1+I2′)，U1为变压器一次侧绕组两端的电压；
变压器一次侧基波等效阻抗为：
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变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为：
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其中，为变压器一次侧绕组两端的基波电压，为变压器一次侧绕组两端的第n次谐波电压，
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和分别为变压器二次侧绕组电流等效到变压器一次侧的电流中的基波分量和第n次谐波分量，
Z1 (1)为变压器的一次侧相对基波的漏抗，Z1 (1)＝Z1，Zm (1)为变压器相对基波的励磁阻抗，Zm (1)＝Zm，Z1 (n)为变压器的一次侧相对第n次谐波的漏抗，Z1 (n)＝nZ1，Zm (n)为变压器相对第n次谐波的励磁阻抗，Zm (n)＝nZm。
6.如权利要求1至5任一项所述的有源电力滤波装置，其特征在于，若则此时变压器一次侧绕组对基波等效短路。
7.如权利要求1至5任一项所述的有源电力滤波装置，其特征在于，通过设置β的取值，使得变压器一次侧谐波等效阻抗为高阻，此时变压器一次侧绕组对谐波等效开路。
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