CN107248743A - 一种针对指定次谐波的有源电力滤波装置 - Google Patents
一种针对指定次谐波的有源电力滤波装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种针对指定次谐波的有源电力滤波装置，适用于包括***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***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一次侧基波电流和正向放大后的一次侧指定第n次谐波电流叠加生成；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。本发明基于基波和指定次谐波磁通混合控制，使得变压器一次侧相对基波短路及相对指定次谐波开路。
Description
技术领域
本发明属于有源电力滤波技术领域，更具体地，涉及一种针对指定次谐波的有源电力滤波装置。
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(起“谐波隔离器”作用)而引发广泛关注。但是目前均采用谐波电流全补偿的方式，所需变压器容量较大，因此其在保护策略及稳定性等方面存在一系列问题，具体如下：
1)串联有源电力滤波器的整体***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***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为降低该额定容量，必须减小变压器励磁阻抗；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。
4)谐波电流全补偿时，***稳定性降低。通常高次谐波及某些低次谐波(根据具体应用场合确定)幅值较低，针对上述谐波采用如无源滤波器等更为经济简便的方法进行滤波时，也能取得较为满意的效果；而采用谐波电流全补偿时，不仅占用有源电力滤波器容量、增加成本，还会严重降低***稳定性。
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。但一方面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；另一方面，现有串联混合型有源电力滤波器均采用电流全补偿的方式，极大降低了***稳定性，并且由于增加了变压器及***各开关器件容量而增加了成本。
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，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；且现有有源电力滤波器均采用电流全补偿的方式，极大降低了***稳定性，并且由于增加了变压器及***各开关器件容量而增加了成本的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种针对指定次谐波的有源电力滤波装置，适用于包括***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***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基波电流和谐波电流；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指定次谐波电流叠加生成；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，变压器一次侧指定次谐波等效阻抗为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为指定次谐波次数，α和β分别为基波控制系数和指定次谐波控制系数，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指定次谐波电流的放大倍数来调节。
本发明通过基于变压器一次侧的基波和指定次谐波磁通混合控制，使得一次侧绕组的基波和指定次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和β使得变压器一次侧基波等效阻抗为0(相对基波短路)和一次侧指定次谐波等效阻抗很大(相对指定次谐波开路)。采用指定次谐波补偿，有源滤波部分仅对幅值较大的指定次谐波电流进行补偿，一般的较高次谐波和幅值较低的低次谐波则采用无源滤波器等更为经济的方式滤波，增加***稳定性并降低滤波成本。
可选地，调制信号生成模块包括：基波电流检测单元、谐波电流检测单元、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检测所述一次侧的指定次谐波电流；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指定次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指定次谐波电流叠加，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，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为指定次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指定次谐波等效阻抗：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，I2′(1)＝-αI1 (1)，I2′(n)＝βI1 (n)；
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，使得变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为高阻，此时变压器一次侧绕组对第n次谐波等效开路。
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)基于基波和指定次谐波磁通混合控制，串联变压器一次侧绕组的基波和指定次谐波等效阻抗分别单独可控。
2)通过控制指定次谐波控制系数足够大，使得指定次谐波等效阻抗不变的情况下，可以选取励磁阻抗较小的变压器，即通过合理设计指定次谐波控制系数，使得变压器一次侧绕组在具有相同谐波等效阻抗(有源滤波器在具有相似滤波性能)的条件下，所需变压器励磁阻抗(变压器容量)更小；当采用相同容量的变压器时，滤波效果更佳。
3)本发明仅对幅值较大的指定次谐波电流进行补偿，一般的高次谐波和幅值较低的低次谐波(根据具体应用场合确定)则采用无源滤波器等更为经济的方式滤波，增加***稳定性并降低滤波成本。
4)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***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并提高其稳定性，可指定有源电力滤波装置过滤某些幅值较高的谐波，无源电力滤波装置过滤低次谐波和幅值较低的高次谐波的方式，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可包括多个谐波滤波支路，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***电压源，Uh为谐波源，代表***电源的各类畸变(比如电压跌落，谐波等)，LS表示***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，采用正弦脉冲宽度调制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***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***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包括一次侧基波电流和一次侧谐波电流k为谐波次数，k>0，且k≠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指定次谐波电流叠加生成，n为指定次谐波次数，n>0，且n≠1。
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指定次谐波控制系数，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。
调制信号生成模块103包括：基波电流检测单元、谐波电流检测单元、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，用于检测一次侧的基波电流谐波电流检测单元，用于检测一次侧的指定次谐波电流其中，基波电流和第n次谐波电流检测环节传递函数分别为Gfund(s)和Ghn(s)，
另外，确定流过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。
基波电流检测单元和谐波电流检测单元包括电流互感器和基波及各指定次谐波电流检测环节，电流互感器串接在给负载供电的***母线上，感应线路电流并将其送入电流检测环节，基波电流检测环节从***母线电流中检测出所需的基波分量；指定次谐波电流检测环节从***电流中检测出所需的指定次谐波电流分量。
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指定次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，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指定次谐波电流叠加，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，-k1为基波电流放大器的放大倍数，k2为指定次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为逆变器增益，TPWM为逆变器延时，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，I2′(1)＝-αI1 (1)，I2′(n)＝βI1 (n)；
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，使得变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为高阻，此时变压器一次侧绕组对第n次谐波等效开路。
合理设置谐波控制系数β，则变压器一次侧绕组对指定次谐波等效为高阻，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，能对指定次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(指定次谐波等效阻抗为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)。采用指定次谐波补偿，有源滤波部分仅对幅值较大的指定次谐波电流进行补偿，一般的高次谐波和幅值较低的低次谐波(根据具体应用场合确定)则采用无源滤波器等更为经济的方式滤波，增加***稳定性并降低滤波成本。
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***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，改变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(低阻)，对指定次谐波开路(高阻)，指定次谐波电流被迫流入无源支路，起有源滤波的作用。
当指定补偿多个谐波电流时，可采用多个指定次谐波电流检测环节并将其集成为一个各次指定谐波电流检测单元。三相***下可以参考单相***，在每一相上单独使用采用小容量变压器的指定次谐波补偿的有源电力滤波器。三相线路上各放大器单元单独控制，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***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)
1.一种针对指定次谐波的有源电力滤波装置，其特征在于，适用于包括***电源和谐波负载的电路，其特征在于，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***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基波电流和谐波电流；
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指定次谐波电流叠加生成；
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，变压器一次侧指定次谐波等效阻抗为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为指定次谐波次数，α和β分别为基波控制系数和指定次谐波控制系数，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指定次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、指定次谐波电流检测单元、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；
所述指定次谐波电流检测单元，用于从流过所述变压器一次侧绕组的电流中检测所述一次侧的指定次谐波电流；
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指定次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指定次谐波电流叠加，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，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为指定次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：
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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指定次谐波等效阻抗：
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：
<mrow>
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变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为：
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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，使得变压器一次侧第n次谐波等效阻抗为高阻，此时变压器一次侧绕组对第n次谐波等效开路。
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