CN1601845A - 一种大容量并联型有源滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的大容量并联型有源滤波器，其变压器的一次侧绕组并联在电网两端，谐波电流检测单元检测出其一次侧的谐波电流信号。在变压器N个二次绕组中均注入相同的谐波电流，使得该电流波形与一次侧谐波电流波形相同。电流信号给定单元V控制使得补偿电流发生子单元II’输出的补偿谐波电流与一次侧谐波电流之比等于L₁/M，则一次绕组中谐波电流压降为零，它对n次谐波电流呈近似为零的低阻抗，使谐波电流绝大部分在一次侧绕组中流通，不窜入电力系统。本发明只检测变压器的一次侧绕组的谐波电流，响应稳定；变压器铁心工作在近似零谐波磁通状态，该工作点在B－H曲线的零点附近，是线性区域，补偿效果好。本发明可适用于高压大容量工况。

Description

一种大容量并联型有源滤波器

技术领域

本发明属于电力谐波抑制技术领域，具体涉及一种大容量并联型有源滤波器。

背景技术

随着高压大容量电网的迅猛发展、大容量电力电子负荷的日益增多，对高压大容量有源滤波器的需求越来越迫切。例如电气化铁道(含地铁)的迅猛发展已经造成对电网严重的谐波污染；大量的钢铁轧制线拖动电气设备产生大量的电力谐波；铝电解行业的迅速发展也造成电力谐波污染进一步加剧。

目前国内外在高压大容量系统电力谐波抑制主要采用无源滤波器，其效果不好，除了注入电力系统的谐波严重超过标准限制外，还容易诱发并联谐振。国外学者力图采用并联型有源滤波器解决谐波污染问题。目前国内外的研究成果归纳如下：

其一是将无源滤波器与相对容量较小的有源滤波器串联(有源滤波器经变压器耦合)，然后将此支路与负载并联。该方案的原理是：在正常稳态工作时，由于电容器的压降大，在并联有源滤波器(Shunt Active Filter，简称为Shunt AF)两端压降U_BX较小，整个系统可在高压工况下正常工作。但是当装置投入电网瞬间或重合闸瞬间，可能损坏Shunt AF装置的电力电子器件。但国外如何解决其此问题未见文献提及。

其二是在变压器的低压侧接并联有源滤波器，检测负载电流中的谐波，控制Shunt AF输出谐波电流到变压器低压绕组，在变压器高压绕组产生成比例的谐波电流去抵消负载中的谐波电流。这种变压器工作磁密是较高的，由于硅钢片B-H曲线的非线性，高压绕组的谐波电流会发生波形畸变，实践正明这种并联有源滤波器滤波效果也是不太好的，而且如何解决其大容量的问题很少有文献提及。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种大容量并联型有源滤波器，该滤波器结构简单、性能可靠、成本较低，并且具有更好的补偿和滤波效果，能适用于高压大容量工况。

本发明提供的一种大容量并联型有源滤波器，包括谐波电流检测单元、补偿电流发生单元、变压器、电流信号给定单元，其特征在于：变压器的一次侧绕组并联在电网两端，绕组的匝数均为w₁，其二次侧设置有N个绕组a_kx_k，k＝1，2，3，……N，N≤500，每个绕组的匝数均为w₂，几何尺寸相同；谐波电流检测单元包括位于变压器一次侧的电流互感器和谐波电流检测环节；电流互感器用于检测变压器一次侧绕组的电流信号，谐波电流检测环节接收电流互感器输出的电流信号，并检测出其中的谐波电流信号i_1n ^～；电流信号给定单元根据上述谐波电流信号i_1n ^～和变压器二次侧绕组数，输出谐波电流信号i_1n ^～/N到补偿电流发生单元中的每个子单元；补偿电流发生子单元根据收到的谐波电流信号i_1n ^～/N发生谐波电流，将发生的谐波电流∑i_2n/N注入到变压器中对应的二次绕组中，并自动跟踪谐波电流信号i_1n ^～/N；电流信号给定单元控制其输出的谐波电流信号i_1n ^～/N，使得补偿电流发生子单元输出的补偿谐波电流∑i_2n/N与变压器一次侧谐波电流波形∑i_1n之比等于L₁/M，M为变压器各个二次绕组与一次绕组的互感之和，L₁为变压器一次绕组的自感。

上述补偿电流发生子单元包括与电流信号给定单元相连的电流控制部分，以及与变压器二次侧相连的逆变器部分。其中，电流控制部分包括反馈电流检测部件、运算放大器、PI调节器、比较器和三角波发生器；逆变器部分包括逆变器、开关频率滤波器，以及用于检测变压器二次侧绕组电流信号的电流互感器。电流信号给定单元输出谐波电流信号i_1n ^～/N到运算放大器的“+”端子；反馈电流检测部件从电流互感器接收变压器一个二次绕组的电流信号i₂ ^～/N，产生反馈电流信号i_1f ^～，i_1f ^～被输出到运算放大器的“-”端子，运算放大器对输入信号i_1n ^～/N和i_1f ^～的差进行放大得到输出信号e_i，并将e_i输送到PI调节器，调节后的信号e_pi送到比较器的“+”端子，三角波发生器输出固定频率的三角波电压信号到比较器的“-”端子，由比较器输出一系列幅值为+1或0的脉冲信号i_PWM，驱动信号i_PWM驱动逆变器中的触发电路，逆变器输出谐波电流∑i_2n/N到变压器的一个二次侧绕组中。

上述变压器的一次侧两端的并联有电压互感器，及与电压互感器输出端相连接的电压检测部件；主控单元与电流给定单元相连，它根据电压信号u_1s和电网需吸收的无功功率S_Q，输出与电压信号u_1s频率相同的基波电流信号i₁₁到电流给定单元，电流给定单元输出基波+谐波电流信号(i₁₁+i_1n ^～)/N到补偿电流发生单元中的每个子单元中。每个子单元发生基波+谐波电流(i₂₁+∑i_2n)/N，并输送到变压器相应的二次绕组中。

本发明具有以下技术特点：

(1)提取谐波电流的电流互感器串联在变压器一次侧的绕组中；而现有技术的电流互感器串联在负载母线中。

(2)本发明的补偿机理是将变压器一次侧的绕组中谐波电流压降补偿为零，故变压器一次侧绕组对谐波电流呈近似为零的低阻抗；在变压器一次侧绕组中流过的谐波电流为∑i_1n，在变压器每个二次绕组的注入的谐波电流波为∑i_2n/N，这两个谐波电流共铁心，直接进行补偿，补偿效果好；而现有技术是将较大容量变压器用作电流源，发出谐波电流，去抵消负载电流中的谐波，给定电流与反馈电流不共铁心，是间接的；补偿效果变差。

(3)本发明的变压器铁心工作在近似零谐波磁通状态，该工作点是B-H曲线的零点附近，是线性区域；变压器一次侧漏抗压降也被补偿，补偿效果好；而现有技术的变压器铁心工作在较高磁密状态，B-H曲线的非线性、变压器的漏抗使补偿效果变差。

(4)本发明在变压器二次侧设置N个绕组，每个绕组与相同的补偿电流发生子单元相联接。采用这种方法来实现高电压大容量并联型有源滤波器，故简单、可靠、低廉。例如可以利用现有的较低电压，较小电流器件(例如1200V，200A～500A的IGBT)来实现较高电压较大容量(例如10kV，几千kVA)有源滤波器；而现有技术一般采用IGBT串并联、多电平等。这些方法都复杂，可靠性差且成本高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为一种具体实施方式的结构示意图；

图3为带静止无功发生器作用的并联型有源滤波器的结构示意图；

图4为串、并联混合型有源滤波器的结构示意图；

图5为带静止无功发生器作用的串、并联混合型有源滤波器的结构示意图；

图6为带可控电抗器作用的大容量并联型有源滤波器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所说的大容量并联型有源滤波器，主要由四个单元组成：谐波电流检测单元I、补偿电流发生单元II、变压器III、电流信号给定单元V。

变压器III，其一次侧绕组并联在电网两端，其二次侧设置有N个绕组a_kx_k，k＝1，2，3，……N(N≤500)，每个绕组的匝数均为w₂，几何尺寸相同。

谐波电流检测单元I由电流互感器4和谐波电流检测环节5构成。位于变压器III一次侧的电流互感器4检测变压器一次侧绕组的电流信号；谐波电流检测环节5则从电流互感器4输出的电流信号检测出其中的谐波电流信号i_1n ^～，例如采用瞬时无功功率理论的方法就能做到。i_1n ^～正比于变压器一次侧绕组的谐波电流波形∑i_1n。

谐波电流检测单元I检测出变压器一次侧的谐波电流信号i_1n ^～，并将i_1n ^～输送到电流信号给定单元V中。电流信号给定单元V根据谐波电流信号i_1n ^～和变压器二次侧绕组数N，输出谐波电流信号i_1n ^～/N到补偿电流发生单元II中的每个子单元II’。

补偿电流发生单元II由N个相同的补偿电流发生子单元II’构成。补偿电流发生单元II中的每个子单元II’根据收到的谐波电流信号i_1n ^～/N发生谐波电流，再将其发生的谐波电流∑i_2n/N注入到变压器中对应的二次绕组中(即第k个子单元II′_k将其发生的谐波电流∑i_2n/N注入到变压器第k个二次绕组a_kx_k中，k＝1，2，3，……N)，并自动跟踪谐波电流信号i_1n ^～/N。

显然，输送到变压器每个二次绕组的谐波电流波形相同，均为∑i_2n/N，并与变压器一次绕组的谐波电流波形∑i_1n相同，电流信号给定单元V控制其输出的谐波电流信号i_1n ^～/N，使得补偿电流发生子单元II’输出的补偿谐波电流∑i_2n/N与变压器III一次侧谐波电流波形∑i_1n之比等于L₁/M，则变压器一次绕组中谐波电流压降为零。其理由简述如下：

L₁.∑i_1n-M₁∑i_2n/N-M₂∑i_2n/N-.......-M_N∑i_2n/N＝0

化简为：L₁.∑i_1n-M∑i_2n/N＝0

式中：M＝∑M_K  K＝1，2……N

式中M_K为变压器第K个二次绕组与一次绕组的互感；L₁为变压器一次绕组的自感，L₁ M均为常数。

变压器每个二次绕组输出的谐波电流∑i_2n/N与其一次侧谐波电流波形∑i_1n的比例关系为：

(∑i_2n/N)/∑i_1n＝L₁/M＝常数。

于是变压器一次绕组中谐波电流压降为零，变压器一次侧对n次谐波电流呈近似为零的低阻抗，使谐波电流绝大部分在变压器一次侧绕组中流通，不窜入电力系统；变压器一次侧对基波电流呈很大的励磁阻抗，仅流过较小的基波励磁电流，对并联有源滤波不发生影响。

在变压器一次侧绕组中流过的谐波电流为∑i_1n，在变压器每个二次绕组的注入的谐波电流波为∑i_2n/N，这两个谐波电流共铁心，直接进行补偿；本发明的变压器铁心工作在近似零谐波磁通状态，该工作点是B-H曲线的零点附近，是线性区域，补偿效果好。

图1是一种单相的大容量并联型有源滤波器，三套单相大容量并联型有源滤波器采用星形接法或三角形接法可以构成三相大容量并联型有源滤波器，这时三相变压器可以采用三相心式结构，逆变器也可以采用三相逆变器。

图2为一个实施例，补偿电流发生子单元II’包括电流控制部分II’1和逆变器部分II’2。电流控制部分II’1采用三角波比较方式，包括反馈电流检测部件7、运算放大器8(例如运算放大器TL074)、PI(即比例积分)调节器12、比较器9(例如比较器LM311)、三角波发生器10。逆变器部分II’2包括逆变器4、开关频率滤波器L_dC_d和电流互感器TA₂，TA₂用于检测变压器二次侧绕组的电流信号。

谐波电流检测单元I将检测出的谐波电流信号i_1n ^～输出到电流信号给定单元V，电流信号给定单元V根据谐波电流信号i_1n ^～和二次侧绕组数N，输出谐波电流信号i_1n ^～/N到电流控制部分II’1中的运算放大器8的“+”端子；反馈电流检测部件7从电流互感器TA₂接收变压器二次侧一个绕组的电流信号i₂ ^～/N，产生反馈电流信号i_1f ^～，i_1f ^～被输出到运算放大器8的“-”端子，运算放大器8对输入信号i_1n ^～/N和i_1f ^～的差进行放大得到输出信号e_i，并将e_i输送到PI调节器12，由PI调节器12调节得到输出信号e_pi，PI调节器12将输出信号e_pi送到比较器9的“+”端子，三角波发生器10输出固定频率(例如为20kHz)的幅值一定的三角波电压信号到比较器9的“-”端子，由比较器9输出一系列幅值为+1(当e_pi大于三角波电压部分)或0(当e_pi小于三角波电压部分)的宽度变化的脉冲信号，即驱动信号i_PWM。驱动信号i_PWM驱动逆变器4中的触发电路，逆变器4输出谐波电流∑i_2n/N到变压器的一个二次侧绕组中，电流信号给定单元V控制其输出的谐波电流信号i_1n ^～/N，使得补偿电流发生子单元的逆变器部分II’2输出的补偿谐波电流∑i_2n/N与变压器III一次侧谐波电流波形∑i_1n之比等于L₁/M，则变压器一次绕组中谐波电流压降为零。滤波器L_dC_d用于滤除逆变器4中的功率器件(例如IGBT)运行时的开关频率。

本发明可以单独使用，也可以和大容量静止无功发生器(发明专利申请号：200410060663.9)联合使用，构成带静止无功发生器作用的大容量并联型有源滤波器，其结构如图3所示。这样即可以实现并联型有源滤波，又可以实现无功功率补偿：当负载呈容性时，此无功发生器可以从电网吸收感性无功功率；当负载呈感性时，此无功发生器可以从电网吸收容性无功功率，从而实现动态无功补偿。

下面结合图3对带静止无功发生器作用的大容量并联型有源滤波器作进一步详细的说明。

电压检测单元VI包括位于变压器III一次侧两端的电压互感器2，及与电压互感器2输出端相连接的电压检测部件3。当电网电压不含有谐波时，电压检测部件3可使用电阻元件，其两端的电压为检测到的电压信号。电压检测单元VI检测出变压器一次侧两端的电压信号u_1s(为基波电压)，并将u_1s输送到主控单元IV_A中。

主控单元IV_A根据电压信号u_1s和电网需本发明装置吸收的无功功率S_Q，输出与电压信号u_1s频率相同的基波电流信号i₁₁到电流给定单元V_A。

电流给定单元V_A根据基波电流信号i₁₁和由谐波电流检测单元I_A检测出变压器一次绕组的谐波电流∑i_1n的信号i_1n ^～，二次侧绕组数N，输出基波+谐波电流信号(i₁₁+i_1n ^～)/N到补偿电流发生单元II。

补偿电流发生单元II中的每个补偿电流发生子单元II’根据收到的基波+谐波电流信号(i₁₁+i_1n ^～)/N产生电流(i₂₁+∑i_2n)/N，并基波电流i₂₁自动跟踪基波电流信号i₁₁；谐波电流∑i_2n自动跟踪谐波电流信号i_1n ^～；第k个子单元II′_k将其发生的电流(i₂₁+∑i_2n)/N送到变压器第k个二次绕组a_kx_k中，k＝1，2，3，……N。每个补偿电流发生子单元II′输送到变压器每个二次绕组的电流大小相等、波形相同。

对于基波电流：在忽略较小的空载电流时，I₂₁＝I₁(w₁/w₂)，

与 同相位。

与变压器一次侧两端电压₁保持固定相位关系：当电网需本发明装置吸收感性无功功率时，控制i₁₁使

滞后于₁ 90°的电角度(

也滞后于₁ 90°电角度)，当电网需本发明装置吸收容性无功功率时，控制i_1l使

超前于U₁ 90°的电角度(

也超前于₁ 90°电角度)。补偿电流发生子单元II’可以利用现有成熟的电流跟踪技术来实现。

本发明从电网吸收的无功功率S_Q＝U₁I₁，在忽略变压器一次侧较小的空载电流时，S_Q＝U₁I₂₁(w₂/w₁)。主控单元IV控制静止无功发生器使得：当补偿电流在感性无功电流I_21N到容性无功电流-I_21N之间可控连续变化时，其从电网吸收的无功功率在感性无功功率U₁I_1N(≈U_lI_21N(w₂/w₁))至容性无功功率-U₁I_1N≈(-U₁I_21N(w₂/w₁))之间可控连续变化，可以实现动态无功补偿。

对于谐波电流，带静止无功发生器作用的大容量并联型有源滤波器与图1所示的滤波器的原理与工作过程相同。也可以将变压器的二次绕组分成N₁和N₂两组，对N₁个二次绕组只注入基波电流i₂₁/N₁，对N₂个二次绕组只注入谐波电流∑i_2n/N₂。

本发明还可以和大容量串联型有源电力滤波器(发明专利申请号：03119026.X)联合使用，需要时还可以和并联型无源滤波器联合构成串、并联混合型有源滤波器，其结构如图4所示，它可以获得更好的滤波效果。图中M：串联型有源电力滤波器；P：并联型有源电力滤波器；J：并联型无源滤波器。

图3所示的带静止无功发生器作用的大容量并联型有源滤波还可以和大容量串联型有源电力滤波器(发明专利申请号：03119026.X)联合使用，构成带静止无功发生器作用的串、并联混合型有源滤波器，其结构如图5所示。图中M：串联型有源电力滤波器；Q：带静止无功发生器的大容量并联型有源电力滤波器。

本发明也可以和大容量可控电抗器(发明专利申请号：03128112.5)联合使用，构成带可控电抗器作用的大容量并联型有源滤波器，如图6所示，可用于容性谐波负载，并联无源滤波器可当作容性谐波负载的一部份。这样即可以实现并联型有源滤波，又可以实现感性无功功率动态补偿。

下面结合图6对带可控电抗器作用的大容量并联型有源滤波器作进一步说明。

谐波电流检测单元I_B由电流互感器4和谐波电流检测环节5_B构成。电流互感器4检测变压器一次侧绕组的电流信号；谐波电流检测环节5_B则从电流互感器4输出的电流信号中检测出变压器一次绕组中的基波电流信号i₁₁和谐波电流信号i_1n ^～，i₁₁正比于一次绕组中的基波电流i₁；i_1n ^～正比于一次绕组中的谐波电流∑i_1n，例如采用瞬时无功功率理论的方法就能做到。

主控单元IV_B根据电压信号u_1s和电网需本发明装置吸收的无功功率S_Q求出α： $S_Q=U_1^2/(Z_1+(1-\mathrm{\α})Z_m):u_{1s}=u_1/k_u,i_{11}=i_1/k_i,$ k_u为电压感器的变比；k_i为电流感器的变比。

电流给定单元V_B根据基波电流信号i₁₁和谐波电流信号i_1n ^～，二次侧绕组数N，输出基波+谐波电流信号(αi₁₁+i_1s ^～)/N到补偿电流发生单元II。

补偿电流发生单元II由N(N≤500)个相同的补偿电流发生子单元II’构成。补偿电流发生单元II中的每个子单元II’根据收到的基波+谐波电流信号(αi₁₁+i_1s ^～)/N产生电流(αi₂₁+∑i_2n)/N，并基波电流i₂₁自动跟踪基波电流信号i₁₁，i₂₁＝k_ii₁₁w₁/w₂；谐波电流∑i_2n自动跟踪谐波电流信号i_1s ^～；第k个子单元II′_k将其发生的电流(αi₂₁+∑i_2n)/N送到变压器第k个二次绕组a_kx_k中，k＝1，2，3，……N。子单元II′输送到变压器每个二次绕组的电流大小相等、波形相同，i₂₁＝i₁w₁/w₂。

对于基波电流： 与 同相位，变压器一次测AX两端等效阻抗：Z_AX＝Z₁+(1-α)Z_m，变压器一次测从电网吸收的感性无功功率为： $S_Q=U_1^2/Z_{\mathrm{AX}},$ 输出与电压信号u_1s频率相同的基波电流信号αi₁₁到电流给定单元V_B。u_1s＝u₁/k_u，k_u为电压互感器的变比；i₁₁＝i₁/k_i，k_i为电流互感器的变比； $S_Q=U_1^2/(Z_1+(1-\mathrm{\α})Z_m),$ 由此式求出α。

对于谐波电流，带可控电抗作用的大容量并联型有源滤波器与图1所示的滤波器的原理与工作过程相同。

也可以将变压器的二次绕组分成N₁和N₂两组，对N₁个二次绕组只注入基波电流αi₂₁/N₁，对N₂个二次绕组只注入谐波电流∑i_2n/N₂。

本领域一般技术人员可以根据上述公开的内容可以采用多种具体方式对本发明加以实现。

Claims (3)

1、一种大容量并联型有源滤波器，包括谐波电流检测单元(I)、补偿电流发生单元(II)、变压器(III)、电流信号给定单元(V)，其特征在于：

变压器(III)的一次侧绕组并联在电网两端，绕组的匝数均为w₁，其二次侧设置有N个绕组a_kx_k，k＝1，2，3，……N，N≤500，每个绕组的匝数均为w₂，几何尺寸相同；

谐波电流检测单元(I)包括位于变压器(III)一次侧的电流互感器(4)和谐波电流检测环节(5)；电流互感器(4)用于检测变压器一次侧绕组的电流信号，谐波电流检测环节(5)接收电流互感器(4)输出的电流信号，并检测出其中的谐波电流信号i_1n ^～；

电流信号给定单元(V)根据上述谐波电流信号i_1n ^～和变压器二次侧绕组数，输出谐波电流信号i_1n ^～/N到补偿电流发生单元(II)中的每个子单元(II’)；补偿电流发生子单元(II’)根据收到的谐波电流信号i_1n ^～/N发生谐波电流∑i_2n/N，并将谐波电流∑i_2n/N注入到变压器中对应的二次绕组中，并自动跟踪谐波电流信号i_1n ^～/N；电流信号给定单元(V)控制其输出的谐波电流信号i_1n ^～/N，使得补偿电流发生子单元(II’)输出的补偿谐波电流∑i_2n/N与变压器(III)一次侧谐波电流波形∑i_1n之比等于L₁/M，M为变压器各个二次绕组与一次绕组的互感之和，L₁为变压器一次绕组的自感。

2、根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述补偿电流发生子单元(II’)包括与电流信号给定单元(V)相连的电流控制部分(II’1)，以及与变压器(III)二次侧相连的逆变器部分(II’2)；

电流控制部分(II’1)包括反馈电流检测部件(7)、运算放大器(8)、PI调节器(12)、比较器(9)和三角波发生器10；逆变器部分(II’2)包括逆变器(4)、开关频率滤波器(L_dC_d)，以及用于检测变压器二次侧绕组电流信号的电流互感器(TA₂)；

电流信号给定单元(V)输出谐波电流信号i_1n ^～/N到运算放大器(8)的“+”端子；反馈电流检测部件(7)从电流互感器(TA₂)接收变压器一个二次绕组的电流信号i₂ ^～/N，产生反馈电流信号i_1f ^～，i_1f ^～；被输出到运算放大器(8)的“-”端子，运算放大器(8)对输入信号i_1n ^～/N和i_1f ^～的差进行放大得到输出信号e_i，并将e_i输送到PI调节器(12)，调节后的信号e_pi送到比较器(9)的“+”端子，三角波发生器(10)输出固定频率的三角波电压信号到比较器(9)的“-”端子，由比较器(9)输出一系列幅值为+1或0的脉冲信号i_PWM，驱动信号i_PWM驱动逆变器(4)中的触发电路，逆变器(4)输出谐波电流∑i_2n/N到变压器的一个二次侧绕组中。

3、根据权利要求1或2所述的滤波器，其特征在于：变压器(III)的一次侧两端的并联有电压互感器(2)，及与电压互感器(2)输出端相连接的电压检测部件(3)；主控单元(IV_Λ)与电流给定单元(V_Λ)相连，它根据电压信号u_1s和电网需吸收的无功功率S_Q，输出与电压信号u_1s频率相同的基波电流信号i₁₁到电流给定单元(V_Λ)，电流给定单元(V_Λ)输出基波+谐波电流信号(i₁₁+i_1n ^～)/N到补偿电流发生单元(II)中的每个子单元(II’)中，每个子单元发生基波+谐波电流(i₂₁+∑i_2n)/N，并输送到变压器相应的二次绕组中。

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