CN200950540Y - 零序谐波滤波系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种零序谐波滤波系统，其主要由电磁滤波器和单相有源滤波器组成，所述电磁滤波器同三相四线制电网的负载并联，所述单相有源滤波器串联在三相四线制电网中性线的电源侧。所述电磁滤波器由Zigzag变压器实现，所述单相有源滤波器由单相有源逆变器实现，所述有源滤波器设有检测单元和控制单元，检测电源侧中性线上的零序谐波、负载侧中性线上的基波和有源滤波器直流侧电压，生成控制有源滤波器开关的PWM驱动信号。本实用新型混合使用有源滤波器和电磁滤波器，有源滤波器用以改善电磁滤波器的滤波性能，一方面滤波效果显著，一方面降低了电磁滤波器的设计要求，另一方面有源滤波器的容量要求也大大减小，不仅可补偿谐波电压源型负载，也可以补偿谐波电流源负载，主要用在三相四线制的电力系统中。

Description

零序谐波滤波系统

技术领域

本实用新型涉及一种主要用于三相四线制电力系统的零序谐波滤波系统。

技术背景

三相四线制电力系统(电网)是一种常见的低压电网配电方式，在政府办公楼、写字楼、酒店大厦、大型商场、医院、居民楼、厂矿企业办公中心和控制中心等场所广泛采用。在这些用电场合下，电网中存在着大量的非线性电子负载，例如节能灯、荧光灯、镇流器、计算机、UPS电源、影印机、变频空调、微波炉、调速热循环系统、调速通风系统、电梯、焊接设备等等，这些高性能电子设备带来舒适化、智能化和全自动化的同时，也带来了大量的谐波污染。在三相四线制系统中，三相正序和负序电流都可以在中性线上抵消，而零序谐波电流在中性线上是进行累加的。三相电力电子设备产生的谐波主要是5次和7次，而单相电力电子设备产生的谐波则主要是3次。5次为负序谐波，7次为正序谐波，而3次为零序谐波。因此，当电网中投入使用大量的单相电力电子设备时，中性线将会汇聚大量的零序谐波电流，经现场测量调查，中性线电流两倍于相线电流的现象已经非常普遍。零序谐波在电网中传播导致的危害主要有：

→中性线发热，长期处于过载状态，绝缘性能下降，恶化安全隐患，严重时中性线被烧断，中性点电压严重偏移0点电位，严重危及线路中其它电气设备的安全；

→变压器发热，减损寿命，严重时被烧坏，并可能导致火灾；

→零序谐波电流在线路和变压器中流通，致使电压畸变，电能质量下降，影响线路中其它电气设备的正常工作，造成电子器件误动作、数据丢失、断路器频繁跳闸、设备功能失常、设备寿命缩短、电容器损坏、附加电磁干扰等。

→零序谐波电流在线路和变压器中流通，不可避免会增加功率损耗，降低系统的有功容量。

世界上包括我国，零序谐波引发的低压电网事故已屡见不鲜，不胜枚举。随着现代科技的不断进步，越来越多的先进电子设备进入我们生产、生活和办公领域，零序谐波问题越来越突出，零序谐波引起的危害越发暴露出来，治理零序谐波污染的呼声越来越强。

目前，对零序谐波的治理通常采用以下几种方式：

(1)无源滤波器：无源滤波器一直是传统补偿谐波的主要手段，其突出优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低，但其缺陷也比较棘手，例如滤波性能受系统阻抗的影响较大，设计出滤波性能理想的无源滤波器不是易事，而且电网阻抗的变化、滤波器元件的生产容差、老化或其它原因引起的参数偏离理想设计值，都将导致无源滤波器滤波性能的下降。此外，安装无源滤波器很有可能在系统中形成串并联谐振回路，导致无源滤波器过载，电网谐波电流的传播和放大，造成电网电压波形的畸变。

(2)有源滤波器：有源滤波器是一种电力电子装置，其对频率和大小都变化的谐波进行动态补偿，补偿特性不受电网阻抗和频率变化的影响，可获得比无源滤波器更好的补偿效果。有源滤波器的缺陷是控制复杂、成本高，如果单纯依靠有源滤波器在电网上进行谐波补偿，将给用户造成很大的经济困难，严重影响了其在市场中的推广应用。

(3)电磁滤波器：电磁滤波器主要采用Zigzag(曲折延边)变压器形式，是一种特殊的无源滤波器，其同非线性负载并联，向零序谐波提供一个低阻抗通道，而对其它次谐波均呈现为高阻抗特性。电磁滤波器的优点是简单、寿命长、价格低廉。但要达到理想的滤波效果，还需要特殊设计，随之带来体积大、设计难等缺点。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本实用新型提供了一种零序谐波滤波系统，这种滤波系统滤除零序谐波的效果好，并且结构简单，成本低。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种零序谐波滤波系统，主要由电磁滤波器和单相有源滤波器组成，所述电磁滤波器同三相四线制电网的负载并联，所述单相有源滤波器串联在三相四线制电网中性线的电源侧(相对于电磁滤波器和负载而言，下同)。

本发明的有益效果是：由于本实用新型同时采用了串联在中性线上的单相有源滤波器和与负载并联的电磁滤波器，通过电磁滤波器向零序谐波提供一个低阻抗的通道，大大减少了流向中性线的零序谐波电流，通过单相有源滤波器在中性线上提供足够的谐波补偿，进一步提高了整体的滤波性能。

有源滤波器和电磁滤波器的结合，一方面放宽了电磁滤波器的设计要求，使得电磁滤波器设计要求不再那么严格，从而降低了电磁滤波器的体积和成本；另一方面有源滤波器串联于中性线中，容量要求大大减小，因此不仅滤波效果显著，而且成本低。

另外，这种滤波系统中有源滤波器可实现零序谐波阻抗的作用，但是一个虚拟的零序谐波阻抗，损耗低。而且设计有旁路，当有源滤波器出现异常时，有源滤波器被旁路开关旁路，电磁滤波器的运行不受任何影响。而有源滤波器的输出滤波电感仍保留在中性线中，也有益于改善电磁滤波器的滤波性能。

本实用新型滤波效果显著，可达到有源滤波器同样的滤波效果，但克服了有源滤波器容量要求大、成本高的缺点，也克服了单纯使用电磁滤波器时对电磁滤波器特殊设计的高要求，而且不仅可补偿谐波电压源型负载，也可以补偿谐波电流源负载。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意框图；

图2是本实用新型涉及的Zigzag变压器的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型提供的零序谐波滤波系统主要由电磁滤波器和单相有源滤波器组成，所述电磁滤波器同三相四线制电网的负载并联，所述单相有源滤波器串联在三相四线制电网中性线的电源侧。

参见图2，所述电磁滤波器采用Zigzag变压器实现，所述Zigzag变压器主要由三相变压器铁心和三相绕组组成，所述三相绕组各由主绕组和辅助绕组组成，并且相相间交叉联接。

在设计所述变压器铁心和绕制线圈时，应使其主绕组自感L₁和辅助绕组自感L₂相等，即：

                             L₁＝L₂＝L

并且还应使主绕组与辅助绕组的耦合系数近似为1，在这种情况下，主绕组与辅助绕组之间的互感M₁₂为：

                           M₁₂＝L₁＝L₂＝L

由于三相零序谐波磁通在铁心中互相抵消，Zigzag变压器对零序谐波呈现出低阻特性，与负载并联时，为负载零序谐波电流提供低阻通道。

所述有源滤波器用于改善无源滤波器的滤波性能。对于零序谐波，控制有源滤波器呈现为高阻抗，从而加大无源滤波器支路的分流能力，而对于基波，控制有源滤波器呈现为零阻抗，使基波电流全部通过。同时，为了保证滤波效果，还应控制有源滤波器直流侧电压稳定。

所述有源滤波器采用有源逆变器，所述逆变器主要可以由两部分构成，一部分是由开关组件构成的开关矩阵，另一部分是设在直流侧的储能元件。

所述储能元件多采用电容，由此形成电压型逆变器。

所述逆变器通常采用全桥逆变器。

所述逆变器的输出端设有滤波电感L_f，用于抑制有源滤波器输出波形中的高频开关谐波。由于开关频率较高，大于20kHz，很小的电感就可起到很好的抑制作用。

所述逆变器串联在电网中性线上，采用直接连接的方式实现这种串联。

所述逆变器内部结构及其储能元件均可以采用现有技术和其他可能的技术。

所述逆变器可以设有检测单元和控制单元，还可以设有自动保护功能，当中性线零序谐波电流超过一定数额时，系统可自动断开网络。所述检测单元检测电源侧中性线上的零序谐波、负载侧中性线上的基波和有源滤波器直流侧电压，生成控制有源滤波器开关的PWM驱动信号。

所述检测单元的传感器件可以是高精度和快速相应的电压互感器和/或电流互感器，其精度一般应在0.2级以上，具有良好的线形度，其信号延时一般应在10μs以下。该传感器件一般可以采用基于霍尔效应的电压、电流测量模块或其他等高性能检测模块。

所述检测单元还可以设有预处理模块、采样保持模块和A/D转换模块。所述预处理模块对传感器件送来的信号进行降噪和放大(包括常规意义下的缩小)后送入采样保持模块，然后再进入A/D转换模块进行数字化处理，生产所述的数字信号。

所述控制单元通常可以包括两部分，一部分为控制算法部分，另一部分为触发脉冲产生部分，两者之间设有D/A转换模块，所述控制算法部分对检测单元送来的数字信号进行处理，生成控制有源滤波器各开关的触发脉冲信号，该触发脉冲信号经过所述D/A模块转化后送给触发脉冲发生部分，所述触发脉冲发生部分根据该触发信号产生适当的PWM驱动脉冲信号送至所述逆变器，该驱动脉冲信号就是用于驱动逆变器的所述PWM驱动脉冲信号。

所述控制算法部分通常采用微处理器，以提高运算速度，所述触发脉冲产生部分通常采用模拟芯片，以提高生成PWM脉冲信号的速度和分辨率，由此形成的控制单元就构成一种数字模拟混合控制器。

所述检测单元和控制单元以及涉及的算法等均可以采用现有技术或其它适宜的可能技术。

Claims (10)

1.一种零序谐波滤波系统，其特征在于主要由电磁滤波器和单相有源滤波器组成，所述电磁滤波器同三相四线制电网的负载并联，所述单相有源滤波器串联在三相四线制电网中性线的电源侧。

2.如权利要求1所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述电磁滤波器采用Zigzag变压器，所述Zigzag变压器主要由三相变压器铁心和三相绕组组成，所述三相绕组各由主绕组和辅助绕组组成，并且相互交叉联接。

3.如权利要求2所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述Zigzag变压器的各主绕组自感L₁和辅助绕组自感L₂相等，并且主绕组与辅助绕组的耦合系数近似为1。

4.如权利要求1、2或3所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述有源滤波器采用单相有源逆变器，所述逆变器主要由两部分构成，一部分是由开关组件构成的开关矩阵，另一部分是设在直流侧的储能元件。

5.如权利要求4所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述储能元件为电容，所述逆变器的输出端设有滤波电感L_f。

6.如权利要求5所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述逆变器串联在电网电源侧的中性线上。

7.如权利要求6所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述逆变器设有检测单元和控制单元，所述检测单元检测电源侧中性线上的零序谐波、负载侧中性线上的基波和有源滤波器直流侧电压，生成有效的检测信号，送至所述控制单元，所述控制单元对所述检测单元的信号进行处理，生成PWM驱动信号，送至逆变器，所述逆变器根据所述PWM驱动信号，生成相应的补充电流或补偿电压。

8.如权利要求7所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述检测单元的传感器件采用基于霍尔效应的电压、电流测量模块。

9.如权利要求8所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述检测单元还设有预处理模块、采样保持模块和A/D转换模块，所述预处理模块对传感器件送来的信号进行降噪和放大后送入采样保持模块，然后再进入A/D转换模块进行数字化处理，生产所述的数字信号。

10.如权利要求7所述的零序谐波滤波系统，其特征在于所述控制单元包括两部分，一部分为控制算法部分，另一部分为触发脉冲产生部分，两者之间设有D/A转换模块，所述控制算法部分采用微处理器，所述触发脉冲产生部分通常采用模拟芯片。

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