CN206850431U

CN206850431U - 一种即插即用集成模块化有源谐波隔离器

Info

Publication number: CN206850431U
Application number: CN201720572552.9U
Authority: CN
Inventors: 李达义
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2018-01-05
Anticipated expiration: 2027-05-22

Abstract

本实用新型公开了一种即插即用集成模块化有源谐波隔离器，包括：电流检测模块，逆变控制模块和特制互感器；电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流以及通过逆变器施加电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至所述电流检测模块的输出端，所述逆变控制模块用于根据参考电流信号输出用于控制所述互感器二次侧产生反馈电流的控制电压。本实用新型采用闭口电流互感器式或者开口互感器式的接入方式，接入简单且对电网本身结构无影响。

Description

一种即插即用集成模块化有源谐波隔离器

技术领域

本实用新型属于有源电力滤波器技术领域，具体涉及一种有源谐波隔离器。

背景技术

绿色能源和节能环保的迫切需求推动了电力电子技术的发展，电力电子装置属于非线性装置，谐波和功率因数问题在所难免，无源电力滤波器和有源电力滤波器是目前研究最多最成熟且应用最广的两种滤波方案。无源滤波器技术成熟，成本低廉，可靠性高，可用于高低压系统；在实际应用中，无源滤波器有以下不足：

1)滤波效果非常依赖系统的内阻，低压系统中系统内阻非常小，滤波效果大打折扣；

2)一条LC支路只能补偿一定频率的谐波，无源滤波器设计为了达到需要的滤波效果，需要装设的滤波支路数很多，加剧了设计难度的同时增加了谐振的风险；

3)系统内阻抗和无源滤波器可能会产生谐振，导致某些谐波放大；

4)一旦装设在电网上就固定不变，没法对变化的谐波电流(电压)进行动态补偿；

5)重量与体积较大等。

为了解决无源滤波器的上述缺点，学者们提出了有源电力滤波器的概念，有源电力滤波器能够同时对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，可以同时滤除多次谐波，不依赖系统阻抗，不会引起谐振，基本解决了无源滤波器的上述缺点，但是在实际应用中又遇到了下列问题：

1)有源滤波器成本较高，目前主要用于低压系统；

2)并联型有源滤波器采用的高频变换器从本质上来说是一个boost的原理，所以直流母线电压较高，降低了系统的可靠性；

3)无论是电压型谐波源还是电流型谐波源，会导致负载电流的放大效应；

4)针对电压型谐波负载还有可能出现二次波头的现象。

上述无源滤波器和有源滤波器一般都是并联在电力系统，并联型滤波装置一般只适合于电流源型谐波源的滤波，但无法抑制大电网或者新能源接入系统的背景谐波。从成本和可靠性等因素综合考虑，有源电力滤波器主要用于低压系统，而无源滤波器可以用于高压和低压系统。一般来说滤除高次谐波可行的方法就是在线路中串联一个交流电感或者并联一个滤波电容，上面两种方案就是构建一个谐波的低通支路，和很多电子设备为了防止电磁兼容串联一个磁珠的原理一样。目前有些中小功率的不控整流器就有在线路中串联4％左右电感来抑制谐波的具体应用，但是串联电感在线路中隔离了谐波的同时也会有一定的基波压降，为此我们提出了基于基波磁通补偿的思想使其基波压降非常小，对线路基本没有影响。但是基于基波磁通补偿的有源电力滤波器串联在线路中，接入线路不方便，因此这里提出一种即插即用的有源谐波隔离器，采用特制互感器(类似于电流互感器)的接入方式，互感器一次侧为一匝的电网线路，这样不改变电网侧原有的线路结构，仅改变互感器的铁芯长度，达到谐波隔离的效果。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种即插即用集成模块化有源谐波隔离器，旨在解决非线性装置引起的谐波和低功率因数等问题。

本实用新型提供了一种即插即用集成模块化有源串联补偿器，包括：电流检测模块，逆变控制模块和特制互感器；所述电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流以及通过逆变器施加电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；所述特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；所述逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，所述逆变控制模块的控制端连接至所述电流检测模块的输出端，所述逆变控制模块用于根据参考电流信号输出用于控制所述互感器二次侧产生反馈电流的控制电压。

更进一步地，所述电流检测模块包括：基波电流检测单元、反馈电流检测单元和加法器；所述基波电流检测单元的输入端连接至电网，所述反馈电流检测单元的输入端连接至所述互感器二次侧，所述加法器的第一输入端连接至基波电流检测单元的输出端，所述加法器的第二输入端连接至反馈电流检测单元的输出端，所述加法器用于将所述基波电流与所述反馈电流相加后输出所述参考电流信号。

更进一步地，逆变控制模块包括：逆变器、PWM控制驱动单元和滤波单元；所述PWM控制驱动单元的输入端连接至所述加法器的输出端，所述逆变器的输入连接直流侧电压，所述逆变器的控制端连接至所述PWM控制驱动单元的输出端，所述滤波单元的输入端连接至逆变器的输出端，所述滤波单元的输出端连接所述互感器二次侧；所述PWM控制驱动单元用于根据所述参考电流信号产生用于控制逆变器中开关管导通的PWM波信号；所述逆变器在所述PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为所述控制电压。

更进一步地，特制互感器中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比 k＝W₁/W₂，其中，W₁为一次侧绕组的匝数，W₂为二次侧绕组的匝数，W₂大于W₁。

更进一步地，特制互感器的电感L＝W₁ ²μA/l，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度。

更进一步地，特制互感器的铁芯为细长圆柱状或长方体状。

本实用新型提供的有源谐波隔离器为单相结构，即插即用，采用闭口电流特制互感器式或者开口特制互感器式的接入方式；模块集成，本方案初定将逆变器的直流母线电压的整流器和逆变器设计在一起，并和特殊设计的电流互感器做成一个标准化的模块，如果系统的阻抗不足，可以直接在线路中多串联几个。

逆变控制模块将检测到的特制互感器一次侧基波电流乘以一增益系数后作为其指令电流，然后电力电子逆变器产生一个基波电流施加到特制互感器的二次侧，其输出的电流经过一个LC滤波电路后通过一个特制互感器单元接入系统。

特制互感器特制铁芯呈细长圆柱状或长方体状以减小平均磁路长度、增大磁路截面积，从而增加一次侧等效阻抗。常规电流互感器只起检测电流作用，因此它的铁芯长度比较短。本方案提出的特制互感器主要起谐波隔离作用，如果采用常规电流互感器结构，将导致互感器一次侧等效阻抗过小，起不到谐波隔离的作用，所以本方案采用增加电流互感器的铁芯的长度获得一个特制互感器，使电网侧等效阻抗满足要求。在实际应用中，可根据需要滤除的谐波的幅值和次数来具体确定互感器的实际结构尺寸。

工作时，通过调节α，便可改变特制互感器二次侧的磁势，因而改变了特制互感器铁芯中的主磁通，特制互感器的一次侧便会呈现无级可调阻抗。其对基波呈现很小的漏阻抗，基波能够正常流通，对谐波呈现很大的励磁阻抗，阻止谐波流入电网侧，起到谐波隔离的作用。

本实用新型所述的即插即用集成模块化有源谐波隔离器和现有串联型滤波器相比主要具有如下特点：

(1)即插即用，采用闭口电流互感器式或者开口互感器式的接入方式，接入简单且对电网本身结构无影响。

(2)特制结构，常规电流互感器主要起电流检测作用，因此它的铁芯长度比较短。本方案提出的特制互感器主要起谐波隔离的作用，如果采用常规电流互感器结构，将导致互感器一次侧等效阻抗过小，起不到谐波隔离的作用，所以本方案采用增加电流互感器铁芯的长度来获得一个特制互感器，使电网侧等效阻抗满足要求。

(3)改进控制，通过在特制电流互感器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流，改变特制互感器的二次侧注入电流的大小便可实现特制电流主磁通的连续可调，从而实现特制互感器一次侧阻抗的连续可调。

(4)模块集成，本方案初定将逆变器的直流母线电压的整流器和逆变器设计在一起，并和特殊设计的电流互感器做成一个标准化的模块，如果谐波隔离器的阻抗不足，可以直接在线路中多串联几个一起使用。

(5)实现无线通讯，当模块用于三相系统时，不同模块之间相位关系通过无线通讯进行传递；当多个模块用于单相系统时，不同模块之间的补偿量的大小关系通过无线通讯进行传递。

(6)高低压通用，有源滤波器一般用于低压系统，但是本实用新型既可用于低压系统也可用于高压系统。

附图说明

图1本实用新型提出的有源谐波隔离器通过特制互感器耦合接入电网的单相原理电路；

图2为特制互感器基波等效电路图；

图3为特制互感器谐波等效电路图；

图4(a)和(b)分别为本实用新型提出的闭口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为闭口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图5(a)和(b)分别为本实用新型提出的开口柱状铁芯特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为开口空心柱状铁芯特制互感器一次侧结构示意图，(b)为开口空心柱状铁芯特制互感器二次侧结构示意图；

图6(a)和(b)分别为本实用新型提出的适用于母排的闭口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的闭口特制互感器一次侧结构示意图；(b)为适用于母排的闭口特制互感器二次侧结构示意图；

图7(a)和(b)分别为本实用新型提出的适用于母排的开口特制互感器的一次侧、二次侧示意图；其中，(a)为适用于母排的开口特制互感器一次侧结构示意图；(b)适用于母排的开口特制互感器二次侧结构示意图；

图8为本实用新型接入三相系统结构示意图；

其中，1为电网线，2为圆柱铁芯，3为二次绕组，4为母排，5为长方体铁芯。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型基于一种磁通可控的可调电抗器的原理，通过在铁芯带气隙的特制互感器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流，改变特制互感器的二次侧注入电流的大小便可实现互感器主磁通的连续可调，从而实现互感器一次侧阻抗的连续可调。与现有的可调电抗器相比，当互感器铁芯中带有气隙时，该磁通可控的可调电抗器没有饱和现象，不产生谐波并可以实现电抗值的无级可调。但是当该磁通可控的可调电抗器用作有源谐波隔离器时，其一次侧需要串联接入电网中，需要电网停电并且断开电网线路，改变了电网本来的结构。

为了有源谐波隔离器易于接入电网且不改变电网本来的结构，本实用新型提出了一种即插即用模块化有源谐波隔离器。

本实用新型提供的单相有源谐波隔离器包括：电流检测模块，逆变控制模块和特制互感器；电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流以及通过逆变器施加在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，逆变控制模块的控制端连接至电流检测模块的输出端，逆变控制模块用于根据参考电流信号输出用于控制所述互感器二次侧产生反馈电流的控制电压。

电流检测模块包括：基波电流检测单元、反馈电流检测单元和加法器；基波电流检测单元的输入端连接至电网，反馈电流检测单元的输入端连接至所述互感器二次侧，加法器的第一输入端连接至基波电流检测单元的输出端，加法器的第二输入端连接至反馈电流检测单元的输出端，加法器用于将所述基波电流与所述反馈电流相加后输出所述参考电流信号。

逆变控制模块包括：逆变器、PWM控制驱动单元和LC滤波单元；PWM 控制驱动单元的输入端连接至所述加法器的输出端，逆变器的输入连接直流侧电压，逆变器的控制端连接至所述PWM控制驱动单元的输出端，滤波单元的输入端连接至逆变器的输出端，滤波单元的输出端连接所述互感器二次侧；PWM控制驱动单元用于根据所述参考电流信号产生用于控制逆变器中开关管导通的PWM波信号；逆变器在所述PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为所述控制电压。

特制互感器的一次侧即为电网的电力线路，连接在电网和负载之间，二次侧连接到逆变控制模块的输出端。

基波电流检测模块包括：电流互感器Ⅰ和基波电流检测环节。在特制互感器的二次侧绕一匝线圈形成电流互感器，电流互感器的输出与基波电流检测环节的输入端连接，基波电流检测单元将从特制互感器一次侧电流中检测出基波电流信号作为单元输出信号，送入逆变控制模块的电流增益电路。

逆变控制模块将检测到的特制互感器一次侧基波电流乘以一增益系数后作为其指令电流，然后电力电子逆变器产生一个磁通补偿电流施加到特制互感器的二次侧，其输出的电流经过一个LC滤波电路后通过一个特制互感器单元接入系统。LC滤波电路用于抑制逆变器产生的高频纹波。

特制互感器单元用于将逆变器控制模块输出的控制电压通过互感器产生基波补偿电流接入到系统中。

直流母线电压U_d的获取可以通过三种方式：(1)就地感应取电；(2) 通过对逆变器的控制来控制有功功率流入逆变器，从而实现对U_d的控制； (3)直接用蓄电池接入直流母线侧，通过对逆变器控制实现母线电压的恒定。

本实用新型的工作原理，通过基波电流检测单元(设该环节的增益为 k_i)检测出变压器一次侧的基波电流将作为参考信号通过电力电子逆变器产生一个电流源(该电流源可以用来表示，α为互感器一次侧电流的基波和二次侧电流的比例系数)。将经过变压器串联在系统和谐波源之间。通过调节α为1，则该串联变压器一次侧对基波呈现为一次侧漏阻抗(该值很小，对系统基本没有影响)，而对谐波呈现为高阻抗，该高阻抗主要表现为感抗性质，随着谐波次数的增加而增加。

为了更进一步的说明本实用新型提供的即插即用集成模块化有源谐波隔离器，下面结合附图及具体实例详细具体地对有源谐波隔离器原理和特制互感器进一步说明：

如图1所示，设在特制互感器铁芯上一次侧绕组AX的匝数为W₁(在这里为1)，二次侧绕组ax的匝数为W₂，则一次侧与二次侧的匝比k＝W₁/W₂。若将此特制互感器的一次侧AX串联接在电网和一个负载之间，则在其一次侧便有电流i₁流过。通过检测特制互感器一次侧电流i₁，并采用一个电压型逆变器跟踪此电流从而产生一个电流i₂，将i₂反相位注入特制互感器的二次侧。此特制互感器的T形等效电路如图2所示(i₂折算到特制互感器一次侧后为i′₂)，其中:Z₁＝r₁+jx₁是一次侧AX线圈的漏阻抗；Z'₂＝r'₂+jx'₂为特制互感器二次侧折算到一次侧的漏阻抗；Z_m＝r_m+jx_m为特制互感器励磁阻抗。

下面根据叠加原理对于基波和谐波分别讨论：

1)对于基波，由于串联变压器二次侧等效为一受控基波电流源其等效电路如图2所示。基波的等效阻抗为

当α＝1基波全补偿时，该阻抗值为很小的一次侧漏抗Z₁，对系统基本没有影响，在谐波隔离器正常工作时，α的取值即为1。

2)对于谐波，在变压器二次侧相当于开路(即α＝0的情况)，则有源电力滤波系统对于谐波的等效电路如图3所示。对于任意的n次谐波，变压器一次侧的谐波等效阻抗为

因为变压器的励磁阻抗Z_m远大于漏抗Z₁，所以变压器一次侧对谐波呈现为高阻抗，且随着谐波次数的增加而增加；有源谐波隔离器串联在系统与谐波源负载之间，提高了系统对谐波的阻抗，起到了谐波隔离的作用。

由于基于基波磁通补偿的有源谐波隔离器串联在线路中，接入线路不方便，所以提出使用特制的互感器代替串联变压器。图4(a)和(b)为闭口空心圆柱铁芯特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和电网线示意图，(b)图为互感器二次侧绕组在铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图5(a)和(b)为开口空心圆柱铁芯特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和电网线示意图，(b)图为互感器二次侧绕组在铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图6(a)和(b)为适用于母排的闭口特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和母排示意图，(b) 图为互感器二次侧绕组在长方体铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制；图7(a)和(b)为适用于母排的开口特制互感器具体结构图，其中(a)图为互感器铁芯和母排示意图，(b)图为互感器二次侧绕组在长方体铁芯上的绕制图，沿铁芯轴向进行绕制。其中开口式特制互感器，可以以电流钳的方式接入电网，考虑到电流钳对本领域的技术人员来说众所周知，这里对原理图5(a)和(b)、7(a)和(b)中电流钳形式的具体结构不再赘述。由于特制互感器的一次侧仅有系统线路一匝，电感L＝W₁ ²μA/l，(其中W₁为特制互感器一次侧匝数，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l 为平均磁路长度)如果用普通铁芯，电网侧等效电感太小，所以将图示特制互感器的铁芯做成细长圆柱状或长方体状以减小磁路长度，增大铁芯截面积，从而增大电感L。若电感值仍不满足要求，可将多个即插即用谐波隔离器串联接入电网。

三相系统下可以参考单相系统，在每一相上使用谐波隔离器进行谐波隔离。如果某一相线电流谐波比较大，单个谐波隔离器滤波效果不好时，可以在该相上多增加几组这样的谐波隔离器来达到目的，另外同一线路上多个谐波隔离器之间要做好通讯以保证正常工作。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种即插即用集成模块化有源谐波隔离器，其特征在于，包括：电流检测模块，逆变控制模块和特制互感器；

所述电流检测模块用于检测入网电流中的基波电流以及通过逆变器施加电压在特制互感器二次侧后产生的反馈电流；

所述特制互感器包括一次侧绕组和二次侧绕组，其中，一次侧绕组作为母排接入电网，二次侧绕组沿着轴向方向绕制，并与逆变控制模块的输出端连接；

所述逆变控制模块的输入端连接直流侧电压，所述逆变控制模块的控制端连接至所述电流检测模块的输出端，所述逆变控制模块用于根据参考电流信号输出用于控制所述互感器二次侧产生反馈电流的控制电压。

2.如权利要求1所述的即插即用集成模块化有源谐波隔离器，其特征在于，所述电流检测模块包括：基波电流检测单元Ⅰ、反馈电流检测单元Ⅱ和加法器；

所述基波电流检测单元的输入端连接至电网，所述反馈电流检测单元的输入端连接至所述互感器二次侧，所述加法器的第一输入端连接至基波电流检测单元的输出端，所述加法器的第二输入端连接至反馈电流检测单元的输出端，所述加法器用于将所述基波电流与所述反馈电流相加后输出所述参考电流信号。

3.如权利要求2所述的即插即用集成模块化有源谐波隔离器，其特征在于，所述逆变控制模块包括：逆变器、PWM控制驱动单元和滤波单元；

所述PWM控制驱动单元的输入端连接至所述加法器的输出端，所述逆变器的输入连接直流侧电压，所述逆变器的控制端连接至所述PWM控制驱动单元的输出端，所述滤波单元的输入端连接至逆变器的输出端，所述滤波单元的输出端连接所述互感器二次侧；所述PWM控制驱动单元用于根据所述参考电流信号产生用于控制逆变器中开关管导通的PWM波信号；所述逆变器在所述PWM波信号的控制下，将直流侧电压逆变为所述控制电压。

4.如权利要求1-3任一项所述的即插即用集成模块化有源谐波隔离器，其特征在于，所述特制互感器中一次侧绕组和二次侧绕组的匝数比k＝W₁/W₂，其中，W₁为一次侧绕组的匝数，W₂为二次侧绕组的匝数，W₂大于W₁。

5.如权利要求4所述的即插即用集成模块化有源谐波隔离器，其特征在于，所述特制互感器的电感L＝W₁ ²μA/l，μ为铁芯的磁导率，A为铁芯截面积，l为平均磁路长度，W₁为一次侧绕组的匝数。

6.如权利要求4所述的即插即用集成模块化有源谐波隔离器，其特征在于，所述特制互感器的铁芯为细长圆柱状或长方体状。

7.根据权利要求1所述的即插即用集成模块化有源谐波隔离器，其特征在于，该有源谐波隔离器由三套单相结构构成三相系统，用于三相电力系统。