CN201699418U

CN201699418U - 新型并联有源滤波器

Info

Publication number: CN201699418U
Application number: CN2010201721353U
Authority: CN
Inventors: 李达义; 罗斐
Original assignee: TYCHON ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: TYCHON ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-04-22

Abstract

本实用新型涉及一种新型并联有源滤波器，主要由带气隙的变压器、谐波源、基波电压检测单元、电流控制与驱动单元及电力电子逆变器组成，其特征为：将所述带气隙的变压器一次侧并联在***与谐波源两端，所述带气隙的变压器二次侧与一并联有电容的电力电子逆变器、滤波电容、电感组成回路，基波电压检测单元一端经电压互感器与所述带气隙的变压器的一次侧相连成回路，基波电压检测单元另一端与电流控制与驱动单元相连，电流控制与驱动单元与电力电子逆变器相连。本实用新型的滤波器结构和控制非常简单、保护非常容易，基波电压检测更加方便，很容易用于高压***，***电压畸变小。

Description

新型并联有源滤波器

技术领域

本实用新型属于电力谐波治理领域，具体涉及一种新型并联有源滤波器。

技术背景

有源电力滤波器主要有以下四类：1)并联型有源滤波器，主要包括传统的并联型有源滤波器、谐波注入式滤波器和基于单周控制的有源电力滤波器，其中传统的并联型有源滤波器是目前有源滤波器中真正产业化的方案，但是其成本很高。谐波注入式滤波器不能补偿基波无功功率，功能太单一，基于单周控制的有源滤波器一般适合中小功率领域。2)混合型有源滤波器，主要包括并联无源加串联有源滤波器相结合的方案和无源与有源滤波器串联联接的方案，这两种混合型有源滤波器结构不同，但是在原理是等效的，滤波效果上也完全一致的。并联无源加串联有源滤波器相结合的方案可以采用较小容量的有源滤波器完成大容量的滤波任务，但是该方案无法进行无功补偿，对所有的谐波都呈现同样的阻抗，所以无源支路太多(无法做到像后面基于基波磁通补偿的有源滤波器中的谐波阻抗与谐波次数成正比从而可以减少无源滤波支路)，无源与有源滤波器串联联接的方案在正常工作时逆变器上的电压不高，但是在启动时逆变器上承受的电压很高，逆变器无法正常工作。上面两类滤波器(除基于单周控制的有源电力滤波器以外)都要检测和跟踪谐波电流，而谐波的频带较宽，因此这些滤波器对***的检测装置和控制器设计要求很高。3)统一电能质量控制器。统一电能质量控制器中有两个逆变器，一个串联在***中，一个并联在谐波源两端，串联的逆变器主要起谐波隔离、电压调节以及补偿闪变和不平衡电压，并联的逆变器主要起谐波电流或负序电流补偿和调节两个逆变器的直流母线电压，但是***结构和控制都很复杂，难以实现所有的功能。4)基于基波磁通补偿的串联有源滤波器和基于谐波磁通补偿的并联有源电力滤波器，基于基波磁通补偿的串联有源滤波器是申请者提出的一种有源滤波器，它实际上属于混合型有源滤波器，这种滤波器只需检测、跟踪基波电流，补偿基波磁通，因此对电流控制方式的频带要求不高，而且性能稳定，电路结构简单。但是该滤波器是串联在电力***和负载之间，滤波器的保护困难，很难满足电力***或者某些负载高可靠性的要求，这种有源滤波器还要加无源滤波器，***参数设计比较复杂。基于谐波磁通补偿的并联有源电力滤波器并联在谐波源两端，保护非常容易，但是该***要检测和跟踪的信号也是频带较宽的谐波，而且控制***要求必须严格满足谐波磁通补偿条件，因此该滤波器对控制精度和频带要求非常高。

综上所述，目前滤波器虽然种类繁多，但是真正产业化的滤波方案是传统的并联型有源滤波器，而且其应用范围仅限于低压领域，直接用于高压***的并联型有源滤波器的成本过高。混合型有源滤波器将无源滤波器和有源滤波器的优点结合起来，有源滤波器部分具有较小的容量，成本较低，是有源滤波器的一个发展方向，但是由于上述提到的原因目前还没有大范围推广。

发明内容

本实用新型的目的为了克服上述所提到的有源滤波方式主要存在的以下三类缺点：一要检测和跟踪谐波电流，而谐波的频带较宽，因此这些滤波器对***的检测装置和控制器设计要求很高本；二结构和控制复杂；三功能单一，只能进行谐波之类，不能解决无功问题。本实用新型提供一种新型并联有源滤波器，对现有有源滤波方式存在的上述三类缺点都能有效地解决或弥补。

本实用新型的技术方案为：

新型并联有源滤波器，主要由带气隙的变压器、谐波源、基波电压检测单元、电流控制与驱动单元及电力电子逆变器组成，其特征为：将所述带气隙的变压器一次侧并联在电力***与谐波源两端，所述带气隙的变压器二次侧与一并联有电容的电力电子逆变器、滤波电容、电感组成回路，基波电压检测单元一端经电压互感器与所述带气隙的变压器的一次侧相连成回路，基波电压检测单元另一端与电流控制与驱动单元相连，电流控制与驱动单元与电力电子逆变器相连。

本实用新型的其基本原理为：将一个带有气隙的变压器一次侧并联在电力***和谐波源两端，检测变压器一次侧的基波电压，以该基波电压作为参考信号，通过电力电子逆变器产生一个基波电压源施加到变压器的二次侧，调节施加到二次侧的电压源的大小可以使并联变压器对基波呈现一个可调电抗器来实现无功补偿、而同时对谐波呈现为低阻抗，从而构成一种真正实用的并联型有源滤波器。

本实用新型的滤波器结构和控制非常简单、保护非常容易，基波电压检测更加方便，很容易用于高压***，***电压畸变小。

附图说明

图1a为带气隙串联变压器电路图。

图1b为带气隙串联变压器的T型等效电路图。

图2为新型并联型有源滤波器的原理图。

图3为基波等效电路图。

图4为谐波等效电路图。

具体实施方式

结合附图对本实用新型作进一步的描述。

如图2所示，主要由带气隙的变压器、谐波源、基波电压检测单元、电流控制与驱动单元及电力电子逆变器组成，将所述带气隙的变压器一次侧并联在电力***与谐波源两端，所述带气隙的变压器二次侧与一并联有电容的电力电子逆变器、滤波电容、电感组成回路，基波电压检测单元一端经电压互感器与所述带气隙的变压器的一次侧相连成回路，基波电压检测单元另一端与电流控制与驱动单元相连，电流控制与驱动单元与电力电子逆变器相连。

如图2将一个带气隙的变压器一次侧AX并联在电力***Usys和谐波源两端，带气隙的变压器二次侧并联虑波电容C_f、串联滤波电感Lf后连接到电力电子逆变器侧，电压互感器TV检测变压器一次侧的电压，经过基波电压检测单元得出基波电压，以该基波电压作为参考信号，通过电流控制与驱动单元来驱动电力电子逆变器产生一个基波电压源施加到变压器的二次侧，调节施加到二次侧的电压源的大小可以使并联变压器对基波呈现一个可调电抗器来实现无功补偿、而同时对谐波呈现为低阻抗。

具体原理如下：

图1a所示为一带气隙的变压器电路，一次侧绕组AX的匝数为W1，二次侧绕组ax的匝数为W2，一次侧与二次侧的匝比为可k＝W1/W2，按照变压器惯例选择正方向，该变压器的T形等效电路如图1b所示(i₂折算到变压器一次侧后为)，其中：Z₁＝r₁+jx₁是一次侧AX线圈的漏阻抗；

为变压器二次侧折算到一次侧的漏阻抗；Z_m＝r_m+jx_m为变压器励磁阻抗。如图2所示将此变压器一次侧AX并联在电网和一个谐波源两端，设一次侧的电压为u1，检测变压器一次侧基波电压

并以该基波电压为参考信号，采用一个电力电子逆变器产生一个基波电压将施加到变压器的二次侧，下面根据叠加原理对于基波和谐波分别讨论：

1)对于基波，根据图1b所示电路，变压器的一次侧和二次侧的电压方程为

\{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{1}^{(1)} = {\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)} Z_{1} + ({\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)} + {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{' (1)}) Z_{M} & (1) \\ - {\overset{\cdot}{U}}_{2}^{' (1)} = {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{' (1)} Z_{2}^{'} + ({\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)} + {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{' (1)}) Z_{m} & (2) \end{matrix}

当二次侧施加的基波电压与一次侧基波电压满足一定倍数关系时，即

(α为比例系数)， (3)

联立(1)-(3)，得

{\overset{\cdot}{I}}_{2}^{' (1)} = \frac{α Z_{1} + (α - 1) Z_{m}}{Z_{2}^{'} + (1 - α) Z_{m}} {\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)}

或

{\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)} = \frac{Z_{2}^{'} + (1 - α) Z_{m}}{α Z_{1} + (α - 1) Z_{m}} {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{' (1)} - - - (4)

将式(4)带入式(1)(2)，则有：

\{\begin{matrix} {\overset{\cdot}{U}}_{1}^{(1)} = {\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)} Z_{1} + [1 + \frac{α Z_{1} + (α - 1) Z_{m}}{Z_{2}^{'} + (1 - α) Z_{m}}] {\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)} Z_{m} = [\frac{Z_{1} Z_{2}^{'} + Z_{1} Z_{m} + Z_{2}^{'} Z_{m}}{Z_{2}^{'} + (1 - α) Z_{m}}] {\overset{\cdot}{I}}_{1}^{(1)} \\ - {\overset{\cdot}{U}}_{2}^{' (1)} = [Z_{2}^{'} + \frac{(α Z_{1} + Z_{2}^{'}) Z_{m}}{α Z_{1} + (α - 1) Z_{m}}] {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{' (1)} = α \frac{Z_{1} Z_{2}^{'} + Z_{1} Z_{m} + Z_{2}^{'} Z_{m}}{α Z_{1} + (α - 1) Z_{m}} {\overset{\cdot}{I}}_{2}^{' (1)} \end{matrix} - - - (5)

则一次侧等效阻抗为

二次侧等效阻抗为

根据式(6)可知，从一次侧看变压器的等效电路如图3所示，设并联变压器一次侧***电压U_sys基本保持不变，该可调电抗器吸收的基波感性无功为

U_{sys}^{2} / (\frac{Z_{1} Z_{2}^{'} + Z_{1} Z_{m} + Z_{2}^{'} Z_{m}}{Z_{2}^{'} + (1 - α) Z_{m}}) = U_{sys}^{2} \frac{Z_{2}^{'} + (1 - α) Z_{m}}{Z_{1} Z_{2}^{'} + Z_{1} Z_{m} + Z_{2}^{'} Z_{m}} - - - (8)

该感性无功与α系数呈线性关系，因此特别适合于无功补偿的***，当控制比例系数α还可以使其呈容性从而***中不用加容性无功补偿装置，***结构非常简单。

2)对于谐波，由于并联变压器二次侧没有施加任何谐波电压，则该并联变压器对谐波呈现短路阻抗，其等效电路如图4所示。忽略掉励磁支路，谐波的等效阻抗

从上面分析可知，变压器一次侧对基波呈现为一个可调电抗器，而对谐波呈现为变压器一次侧的短路阻抗，负载产生谐波的大部分将流入变压器的一次侧，从而起到了滤波的作用，整个滤波***结构和控制非常简单，只对基波无功功率进行控制就可以实现滤波和无功补偿的功能(通过一定的控制还可以使该电抗器控制成容性，从而***无需加容性无功补偿装置)，滤波的功能是自动实现的。由于一般情况下***一次侧的电压波形谐波含量不大，而且整个***滤波效果存在反馈过程，因此新型有源滤波器中的基波检测比传统滤波器的谐波检测更容易实现。由于该滤波器是并联型的，所以其保护非常容易，同时该***采用变压器隔离和耦合，因此可以借鉴现有的技术通过合理地设计控制方案和主电路结构来提高***的容量，如多电平、多重化技术、移相SPWM技术等，真正用于高压***。本项目提出的新型有源滤波器只对基波无功功率进行控制，而传统的并联型有源滤波器要同时对基波无功和谐波进行补偿，因此新型有源滤波器的容量要低于传统的并联型有源滤波器。

当采用普通变压器时，Z₁和

都很小，可以忽略不计，即并联变压器一次侧对谐波的阻抗很低，有利于谐波的流通，但是为了便于控制变压器带有气隙，Z1和

相对于Z_m不能忽略。

鉴于以上特点：

(1)、与传统的并联型有源滤波器相比，本实用新型只需要控制变压器二次侧的基波电压，基波电压信号的跟踪比传统的并联型有源滤波器的谐波电流跟踪容易，因此本实用新型控制起来更方便，两种方案都可以通过变压器耦合来扩大容量，但是由于两者的原理不一致使其的效果是完全不一样的，传统的并联型有源滤波器通过将变压器低压侧的谐波电流传递到高压侧，由于谐波成分复杂，传递过程中相位会出现偏差从而大大影响传递的效果，本实用新型只控制基波电压来控制无功电流，对谐波总是呈现短路阻抗，滤波效果要优于传统的并联型有源滤波器。一般情况下***一次侧的电压波形谐波含量不大，而且整个***滤波效果存在反馈过程，因此本实用新型中的基波检测比传统并联型有源滤波器的谐波检测更容易实现。本实用新型只对基波无功功率进行控制，而传统的并联型有源滤波器要同时对基波无功和谐波进行补偿，因此本实用新型的容量要低于传统的并联型有源滤波器。

(2)、与混合型有源滤波器相比，本实用新型结构和控制非常简单、整个***只对基波无功功率进行控制就可以实现滤波和无功补偿的功能(通过一定的控制还可以使该电抗器控制成容性，从而***无需加容性无功补偿装置)。同时本实用新型功能完善，保护非常容易。

(3)、与申请者提出的基于基波磁通补偿有源滤波器成对偶关系，基于基波磁通补偿的有源滤波器通过在变压器的二次侧注入一个电流源来实现变压器一次侧对基波呈现低阻抗而对谐波呈现励磁阻抗的。本实用新型是通过在变压器二次侧施加一个电压源来实现对基波呈现为一个可调阻抗而对谐波呈现短路阻抗。两者的差别在于一个是注入电流源、一个是施加电压源。当注入电流为零时，***等效为开路，而施加电压源为零时***等效为短路。基于基波磁通补偿的有源滤波器由于串联在***中，保护比较困难，而且无法补偿无功功率，负载侧的电压波形会发生一定程度的畸变。本实用新型并联在***中，保护更加方便，而且无需加无源滤波装置，***参数设计非常简单，还具有无功补偿的功能。

(4)、与基于谐波磁通补偿的有源滤波器相比，基于谐波磁通补偿的有源滤波器通过控制变压器的谐波等效阻抗来进行滤波，如果能真正实现谐波磁通补偿条件，基于谐波磁通补偿的有源滤波器和本实用新型都可以实现对谐波呈现短路阻抗，但是在具体实现时，基于谐波磁通补偿的有源滤波器对谐波电流进行跟踪控制，谐波的频带较宽使控制器参数较难设计，同时***对跟踪的精度要求很高。本实用新型中逆变器只需产生基波电压，控制器参数更容易设计。

Claims

1.新型并联有源滤波器，主要由带气隙的变压器、谐波源、基波电压检测单元、电流控制与驱动单元及电力电子逆变器组成，其特征为：将所述带气隙的变压器一次侧并联在***与谐波源两端，所述带气隙的变压器二次侧与一并联有电容的电力电子逆变器、滤波电容、电感组成回路，基波电压检测单元一端经电压互感器与所述带气隙的变压器的一次侧相连成回路，基波电压检测单元另一端与电流控制与驱动单元相连，电流控制与驱动单元与电力电子逆变器相连。