專利名稱：一種大容量并聯型有源濾波器的制作方法
技術領域：
本發明屬于電力諧波抑制技術領域，具體涉及一種大容量并聯型有源濾波器。
背景技術：
隨著高壓大容量電網的迅猛發展、大容量電力電子負荷的日益增多，對高壓大容量有源濾波器的需求越來越迫切。例如電氣化鐵道(含地鐵)的迅猛發展已經造成對電網嚴重的諧波污染；大量的鋼鐵軋制線拖動電氣設備產生大量的電力諧波；鋁電解行業的迅速發展也造成電力諧波污染進一步加劇。
目前國內外在高壓大容量系統電力諧波抑制主要采用無源濾波器，其效果不好，除了注入電力系統的諧波嚴重超過標準限制外，還容易誘發并聯諧振。國外學者力圖采用并聯型有源濾波器解決諧波污染問題。目前國內外的研究成果歸納如下其一是將無源濾波器與相對容量較小的有源濾波器串聯(有源濾波器經變壓器耦合)，然后將此支路與負載并聯。該方案的原理是在正常穩態工作時，由于電容器的壓降大，在并聯有源濾波器(Shunt Active Filter，簡稱為Shunt AF)兩端壓降UBX較小，整個系統可在高壓工況下正常工作。但是當裝置投入電網瞬間或重合閘瞬間，可能損壞Shunt AF裝置的電力電子器件。但國外如何解決其此問題未見文獻提及。
其二是在變壓器的低壓側接并聯有源濾波器，檢測負載電流中的諧波，控制Shunt AF輸出諧波電流到變壓器低壓繞組，在變壓器高壓繞組產生成比例的諧波電流去抵消負載中的諧波電流。這種變壓器工作磁密是較高的，由于硅鋼片B-H曲線的非線性，高壓繞組的諧波電流會發生波形畸變，實踐正明這種并聯有源濾波器濾波效果也是不太好的，而且如何解決其大容量的問題很少有文獻提及。

發明內容
本發明的目的在于克服上述不足之處，提供一種大容量并聯型有源濾波器，該濾波器結構簡單、性能可靠、成本較低，并且具有更好的補償和濾波效果，能適用于高壓大容量工況。
本發明提供的一種大容量并聯型有源濾波器，包括諧波電流檢測單元、補償電流發生單元、變壓器、電流信號給定單元，其特征在于變壓器的一次側繞組并聯在電網兩端，繞組的匝數均為w1，其二次側設置有N個繞組akxk，k＝1，2，3，……N，N≤500，每個繞組的匝數均為w2，幾何尺寸相同；諧波電流檢測單元包括位于變壓器一次側的電流互感器和諧波電流檢測環節；電流互感器用于檢測變壓器一次側繞組的電流信號，諧波電流檢測環節接收電流互感器輸出的電流信號，并檢測出其中的諧波電流信號i1n～；電流信號給定單元根據上述諧波電流信號i1n～和變壓器二次側繞組數，輸出諧波電流信號i1n～/N到補償電流發生單元中的每個子單元；補償電流發生子單元根據收到的諧波電流信號i1n～/N發生諧波電流，將發生的諧波電流∑i2n/N注入到變壓器中對應的二次繞組中，并自動跟蹤諧波電流信號i1n～/N；電流信號給定單元控制其輸出的諧波電流信號i1n～/N，使得補償電流發生子單元輸出的補償諧波電流∑i2n/N與變壓器一次側諧波電流波形∑i1n之比等于L1/M，M為變壓器各個二次繞組與一次繞組的互感之和，L1為變壓器一次繞組的自感。
上述補償電流發生子單元包括與電流信號給定單元相連的電流控制部分，以及與變壓器二次側相連的逆變器部分。其中，電流控制部分包括反饋電流檢測部件、運算放大器、PI調節器、比較器和三角波發生器；逆變器部分包括逆變器、開關頻率濾波器，以及用于檢測變壓器二次側繞組電流信號的電流互感器。電流信號給定單元輸出諧波電流信號i1n～/N到運算放大器的“+”端子；反饋電流檢測部件從電流互感器接收變壓器一個二次繞組的電流信號i2～/N，產生反饋電流信號i1f～，i1f～被輸出到運算放大器的“-”端子，運算放大器對輸入信號i1n～/N和i1f～的差進行放大得到輸出信號ei，并將ei輸送到PI調節器，調節后的信號epi送到比較器的“+”端子，三角波發生器輸出固定頻率的三角波電壓信號到比較器的“-”端子，由比較器輸出一系列幅值為+1或0的脈沖信號iPWM，驅動信號iPWM驅動逆變器中的觸發電路，逆變器輸出諧波電流∑i2n/N到變壓器的一個二次側繞組中。
上述變壓器的一次側兩端的并聯有電壓互感器，及與電壓互感器輸出端相連接的電壓檢測部件；主控單元與電流給定單元相連，它根據電壓信號u1s和電網需吸收的無功功率SQ，輸出與電壓信號u1s頻率相同的基波電流信號i11到電流給定單元，電流給定單元輸出基波+諧波電流信號(i11+i1n～)/N到補償電流發生單元中的每個子單元中。每個子單元發生基波+諧波電流(i21+∑i2n)/N，并輸送到變壓器相應的二次繞組中。
本發明具有以下技術特點(1)提取諧波電流的電流互感器串聯在變壓器一次側的繞組中；而現有技術的電流互感器串聯在負載母線中。
(2)本發明的補償機理是將變壓器一次側的繞組中諧波電流壓降補償為零，故變壓器一次側繞組對諧波電流呈近似為零的低阻抗；在變壓器一次側繞組中流過的諧波電流為∑i1n，在變壓器每個二次繞組的注入的諧波電流波為∑i2n/N，這兩個諧波電流共鐵心，直接進行補償，補償效果好；而現有技術是將較大容量變壓器用作電流源，發出諧波電流，去抵消負載電流中的諧波，給定電流與反饋電流不共鐵心，是間接的；補償效果變差。
(3)本發明的變壓器鐵心工作在近似零諧波磁通狀態，該工作點是B-H曲線的零點附近，是線性區域；變壓器一次側漏抗壓降也被補償，補償效果好；而現有技術的變壓器鐵心工作在較高磁密狀態，B-H曲線的非線性、變壓器的漏抗使補償效果變差。
(4)本發明在變壓器二次側設置N個繞組，每個繞組與相同的補償電流發生子單元相聯接。采用這種方法來實現高電壓大容量并聯型有源濾波器，故簡單、可靠、低廉。例如可以利用現有的較低電壓，較小電流器件(例如1200V，200A～500A的IGBT)來實現較高電壓較大容量(例如10kV，幾千kVA)有源濾波器；而現有技術一般采用IGBT串并聯、多電平等。這些方法都復雜，可靠性差且成本高。


圖1為本發明的結構示意圖；圖2為一種具體實施方式
的結構示意圖；圖3為帶靜止無功發生器作用的并聯型有源濾波器的結構示意圖；圖4為串、并聯混合型有源濾波器的結構示意圖；圖5為帶靜止無功發生器作用的串、并聯混合型有源濾波器的結構示意圖；圖6為帶可控電抗器作用的大容量并聯型有源濾波器的結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，本發明所說的大容量并聯型有源濾波器，主要由四個單元組成諧波電流檢測單元I、補償電流發生單元II、變壓器III、電流信號給定單元V。
變壓器III，其一次側繞組并聯在電網兩端，其二次側設置有N個繞組akxk，k＝1，2，3，……N(N≤500)，每個繞組的匝數均為w2，幾何尺寸相同。
諧波電流檢測單元I由電流互感器4和諧波電流檢測環節5構成。位于變壓器III一次側的電流互感器4檢測變壓器一次側繞組的電流信號；諧波電流檢測環節5則從電流互感器4輸出的電流信號檢測出其中的諧波電流信號i1n～，例如采用瞬時無功功率理論的方法就能做到。i1n～正比于變壓器一次側繞組的諧波電流波形∑i1n。
諧波電流檢測單元I檢測出變壓器一次側的諧波電流信號i1n～，并將i1n～輸送到電流信號給定單元V中。電流信號給定單元V根據諧波電流信號i1n～和變壓器二次側繞組數N，輸出諧波電流信號i1n～/N到補償電流發生單元II中的每個子單元II’。
補償電流發生單元II由N個相同的補償電流發生子單元II’構成。補償電流發生單元II中的每個子單元II’根據收到的諧波電流信號i1n～/N發生諧波電流，再將其發生的諧波電流∑i2n/N注入到變壓器中對應的二次繞組中(即第k個子單元II′k將其發生的諧波電流∑i2n/N注入到變壓器第k個二次繞組akxk中，k＝1，2，3，……N)，并自動跟蹤諧波電流信號i1n～/N。
顯然，輸送到變壓器每個二次繞組的諧波電流波形相同，均為∑i2n/N，并與變壓器一次繞組的諧波電流波形∑i1n相同，電流信號給定單元V控制其輸出的諧波電流信號i1n～/N，使得補償電流發生子單元II’輸出的補償諧波電流∑i2n/N與變壓器III一次側諧波電流波形∑i1n之比等于L1/M，則變壓器一次繞組中諧波電流壓降為零。其理由簡述如下L1.∑i1n-M1∑i2n/N-M2∑i2n/N-.......-MN∑i2n/N＝0化簡為L1.∑i1n-M∑i2n/N＝0式中M＝∑MKK＝1，2……N式中MK為變壓器第K個二次繞組與一次繞組的互感；L1為變壓器一次繞組的自感，L1M均為常數。
變壓器每個二次繞組輸出的諧波電流∑i2n/N與其一次側諧波電流波形∑i1n的比例關系為(∑i2n/N)/∑i1n＝L1/M＝常數。
于是變壓器一次繞組中諧波電流壓降為零，變壓器一次側對n次諧波電流呈近似為零的低阻抗，使諧波電流絕大部分在變壓器一次側繞組中流通，不竄入電力系統；變壓器一次側對基波電流呈很大的勵磁阻抗，僅流過較小的基波勵磁電流，對并聯有源濾波不發生影響。
在變壓器一次側繞組中流過的諧波電流為∑i1n，在變壓器每個二次繞組的注入的諧波電流波為∑i2n/N，這兩個諧波電流共鐵心，直接進行補償；本發明的變壓器鐵心工作在近似零諧波磁通狀態，該工作點是B-H曲線的零點附近，是線性區域，補償效果好。
圖1是一種單相的大容量并聯型有源濾波器，三套單相大容量并聯型有源濾波器采用星形接法或三角形接法可以構成三相大容量并聯型有源濾波器，這時三相變壓器可以采用三相心式結構，逆變器也可以采用三相逆變器。
圖2為一個實施例，補償電流發生子單元II’包括電流控制部分II’1和逆變器部分II’2。電流控制部分II’1采用三角波比較方式，包括反饋電流檢測部件7、運算放大器8(例如運算放大器TL074)、PI(即比例積分)調節器12、比較器9(例如比較器LM311)、三角波發生器10。逆變器部分II’2包括逆變器4、開關頻率濾波器LdCd和電流互感器TA2，TA2用于檢測變壓器二次側繞組的電流信號。
諧波電流檢測單元I將檢測出的諧波電流信號i1n～輸出到電流信號給定單元V，電流信號給定單元V根據諧波電流信號i1n～和二次側繞組數N，輸出諧波電流信號i1n～/N到電流控制部分II’1中的運算放大器8的“+”端子；反饋電流檢測部件7從電流互感器TA2接收變壓器二次側一個繞組的電流信號i2～/N，產生反饋電流信號i1f～，i1f～被輸出到運算放大器8的“-”端子，運算放大器8對輸入信號i1n～/N和i1f～的差進行放大得到輸出信號ei，并將ei輸送到PI調節器12，由PI調節器12調節得到輸出信號epi，PI調節器12將輸出信號epi送到比較器9的“+”端子，三角波發生器10輸出固定頻率(例如為20kHz)的幅值一定的三角波電壓信號到比較器9的“-”端子，由比較器9輸出一系列幅值為+1(當epi大于三角波電壓部分)或0(當epi小于三角波電壓部分)的寬度變化的脈沖信號，即驅動信號iPWM。驅動信號iPWM驅動逆變器4中的觸發電路，逆變器4輸出諧波電流∑i2n/N到變壓器的一個二次側繞組中，電流信號給定單元V控制其輸出的諧波電流信號i1n～/N，使得補償電流發生子單元的逆變器部分II’2輸出的補償諧波電流∑i2n/N與變壓器III一次側諧波電流波形∑i1n之比等于L1/M，則變壓器一次繞組中諧波電流壓降為零。濾波器LdCd用于濾除逆變器4中的功率器件(例如IGBT)運行時的開關頻率。
本發明可以單獨使用，也可以和大容量靜止無功發生器(發明專利申請號200410060663.9)聯合使用，構成帶靜止無功發生器作用的大容量并聯型有源濾波器，其結構如圖3所示。這樣即可以實現并聯型有源濾波，又可以實現無功功率補償當負載呈容性時，此無功發生器可以從電網吸收感性無功功率；當負載呈感性時，此無功發生器可以從電網吸收容性無功功率，從而實現動態無功補償。
下面結合圖3對帶靜止無功發生器作用的大容量并聯型有源濾波器作進一步詳細的說明。
電壓檢測單元VI包括位于變壓器III一次側兩端的電壓互感器2，及與電壓互感器2輸出端相連接的電壓檢測部件3。當電網電壓不含有諧波時，電壓檢測部件3可使用電阻元件，其兩端的電壓為檢測到的電壓信號。電壓檢測單元VI檢測出變壓器一次側兩端的電壓信號u1s(為基波電壓)，并將u1s輸送到主控單元IVA中。
主控單元IVA根據電壓信號u1s和電網需本發明裝置吸收的無功功率SQ，輸出與電壓信號u1s頻率相同的基波電流信號i11到電流給定單元VA。
電流給定單元VA根據基波電流信號i11和由諧波電流檢測單元IA檢測出變壓器一次繞組的諧波電流∑i1n的信號i1n～，二次側繞組數N，輸出基波+諧波電流信號(i11+i1n～)/N到補償電流發生單元II。
補償電流發生單元II中的每個補償電流發生子單元II’根據收到的基波+諧波電流信號(i11+i1n～)/N產生電流(i21+∑i2n)/N，并基波電流i21自動跟蹤基波電流信號i11；諧波電流∑i2n自動跟蹤諧波電流信號i1n～；第k個子單元II′k將其發生的電流(i21+∑i2n)/N送到變壓器第k個二次繞組akxk中，k＝1，2，3，……N。每個補償電流發生子單元II′輸送到變壓器每個二次繞組的電流大小相等、波形相同。
對于基波電流在忽略較小的空載電流時，I21＝I1(w1/w2)， 與 同相位。 與變壓器一次側兩端電壓1保持固定相位關系當電網需本發明裝置吸收感性無功功率時，控制i11使 滯后于190°的電角度( 也滯后于190°電角度)，當電網需本發明裝置吸收容性無功功率時，控制i1l使 超前于U190°的電角度( 也超前于190°電角度)。補償電流發生子單元II’可以利用現有成熟的電流跟蹤技術來實現。
本發明從電網吸收的無功功率SQ＝U1I1，在忽略變壓器一次側較小的空載電流時，SQ＝U1I21(w2/w1)。主控單元IV控制靜止無功發生器使得當補償電流在感性無功電流I21N到容性無功電流-I21N之間可控連續變化時，其從電網吸收的無功功率在感性無功功率U1I1N(≈UlI21N(w2/w1))至容性無功功率-U1I1N≈(-U1I21N(w2/w1))之間可控連續變化，可以實現動態無功補償。
對于諧波電流，帶靜止無功發生器作用的大容量并聯型有源濾波器與圖1所示的濾波器的原理與工作過程相同。也可以將變壓器的二次繞組分成N1和N2兩組，對N1個二次繞組只注入基波電流i21/N1，對N2個二次繞組只注入諧波電流∑i2n/N2。
本發明還可以和大容量串聯型有源電力濾波器(發明專利申請號03119026.X)聯合使用，需要時還可以和并聯型無源濾波器聯合構成串、并聯混合型有源濾波器，其結構如圖4所示，它可以獲得更好的濾波效果。圖中M串聯型有源電力濾波器；P并聯型有源電力濾波器；J并聯型無源濾波器。
圖3所示的帶靜止無功發生器作用的大容量并聯型有源濾波還可以和大容量串聯型有源電力濾波器(發明專利申請號03119026.X)聯合使用，構成帶靜止無功發生器作用的串、并聯混合型有源濾波器，其結構如圖5所示。圖中M串聯型有源電力濾波器；Q帶靜止無功發生器的大容量并聯型有源電力濾波器。
本發明也可以和大容量可控電抗器(發明專利申請號03128112.5)聯合使用，構成帶可控電抗器作用的大容量并聯型有源濾波器，如圖6所示，可用于容性諧波負載，并聯無源濾波器可當作容性諧波負載的一部份。這樣即可以實現并聯型有源濾波，又可以實現感性無功功率動態補償。
下面結合圖6對帶可控電抗器作用的大容量并聯型有源濾波器作進一步說明。
諧波電流檢測單元IB由電流互感器4和諧波電流檢測環節5B構成。電流互感器4檢測變壓器一次側繞組的電流信號；諧波電流檢測環節5B則從電流互感器4輸出的電流信號中檢測出變壓器一次繞組中的基波電流信號i11和諧波電流信號i1n～，i11正比于一次繞組中的基波電流i1；i1n～正比于一次繞組中的諧波電流∑i1n，例如采用瞬時無功功率理論的方法就能做到。
主控單元IVB根據電壓信號u1s和電網需本發明裝置吸收的無功功率SQ求出αSQ=U12/(Z1+(1-α)Zm):u1s=u1/ku,i11=i1/ki,]]>ku為電壓感器的變比；ki為電流感器的變比。
電流給定單元VB根據基波電流信號i11和諧波電流信號i1n～，二次側繞組數N，輸出基波+諧波電流信號(αi11+i1s～)/N到補償電流發生單元II。
補償電流發生單元II由N(N≤500)個相同的補償電流發生子單元II’構成。補償電流發生單元II中的每個子單元II’根據收到的基波+諧波電流信號(αi11+i1s～)/N產生電流(αi21+∑i2n)/N，并基波電流i21自動跟蹤基波電流信號i11，i21＝kii11w1/w2；諧波電流∑i2n自動跟蹤諧波電流信號i1s～；第k個子單元II′k將其發生的電流(αi21+∑i2n)/N送到變壓器第k個二次繞組akxk中，k＝1，2，3，……N。子單元II′輸送到變壓器每個二次繞組的電流大小相等、波形相同，i21＝i1w1/w2。
對于基波電流 與 同相位，變壓器一次測AX兩端等效阻抗ZAX＝Z1+(1-α)Zm，變壓器一次測從電網吸收的感性無功功率為SQ=U12/ZAX,]]>輸出與電壓信號u1s頻率相同的基波電流信號αi11到電流給定單元VB。u1s＝u1/ku，ku為電壓互感器的變比；i11＝i1/ki，ki為電流互感器的變比；SQ=U12/(Z1+(1-α)Zm),]]>由此式求出α。
對于諧波電流，帶可控電抗作用的大容量并聯型有源濾波器與圖1所示的濾波器的原理與工作過程相同。
也可以將變壓器的二次繞組分成N1和N2兩組，對N1個二次繞組只注入基波電流αi21/N1，對N2個二次繞組只注入諧波電流∑i2n/N2。
本領域一般技術人員可以根據上述公開的內容可以采用多種具體方式對本發明加以實現。
權利要求
1.一種大容量并聯型有源濾波器，包括諧波電流檢測單元(I)、補償電流發生單元(II)、變壓器(III)、電流信號給定單元(V)，其特征在于變壓器(III)的一次側繞組并聯在電網兩端，繞組的匝數均為w1，其二次側設置有N個繞組akxk，k＝1，2，3，……N，N≤500，每個繞組的匝數均為w2，幾何尺寸相同；諧波電流檢測單元(I)包括位于變壓器(III)一次側的電流互感器(4)和諧波電流檢測環節(5)；電流互感器(4)用于檢測變壓器一次側繞組的電流信號，諧波電流檢測環節(5)接收電流互感器(4)輸出的電流信號，并檢測出其中的諧波電流信號i1n～；電流信號給定單元(V)根據上述諧波電流信號i1n～和變壓器二次側繞組數，輸出諧波電流信號i1n～/N到補償電流發生單元(II)中的每個子單元(II’)；補償電流發生子單元(II’)根據收到的諧波電流信號i1n～/N發生諧波電流∑i2n/N，并將諧波電流∑i2n/N注入到變壓器中對應的二次繞組中，并自動跟蹤諧波電流信號i1n～/N；電流信號給定單元(V)控制其輸出的諧波電流信號i1n～/N，使得補償電流發生子單元(II’)輸出的補償諧波電流∑i2n/N與變壓器(III)一次側諧波電流波形∑i1n之比等于L1/M，M為變壓器各個二次繞組與一次繞組的互感之和，L1為變壓器一次繞組的自感。
2.根據權利要求1所述的濾波器，其特征在于所述補償電流發生子單元(II’)包括與電流信號給定單元(V)相連的電流控制部分(II’1)，以及與變壓器(III)二次側相連的逆變器部分(II’2)；電流控制部分(II’1)包括反饋電流檢測部件(7)、運算放大器(8)、PI調節器(12)、比較器(9)和三角波發生器10；逆變器部分(II’2)包括逆變器(4)、開關頻率濾波器(LdCd)，以及用于檢測變壓器二次側繞組電流信號的電流互感器(TA2)；電流信號給定單元(V)輸出諧波電流信號i1n～/N到運算放大器(8)的“+”端子；反饋電流檢測部件(7)從電流互感器(TA2)接收變壓器一個二次繞組的電流信號i2～/N，產生反饋電流信號i1f～，i1f～；被輸出到運算放大器(8)的“-”端子，運算放大器(8)對輸入信號i1n～/N和i1f～的差進行放大得到輸出信號ei，并將ei輸送到PI調節器(12)，調節后的信號epi送到比較器(9)的“+”端子，三角波發生器(10)輸出固定頻率的三角波電壓信號到比較器(9)的“-”端子，由比較器(9)輸出一系列幅值為+1或0的脈沖信號iPWM，驅動信號iPWM驅動逆變器(4)中的觸發電路，逆變器(4)輸出諧波電流∑i2n/N到變壓器的一個二次側繞組中。
3.根據權利要求1或2所述的濾波器，其特征在于變壓器(III)的一次側兩端的并聯有電壓互感器(2)，及與電壓互感器(2)輸出端相連接的電壓檢測部件(3)；主控單元(IVΛ)與電流給定單元(VΛ)相連，它根據電壓信號u1s和電網需吸收的無功功率SQ，輸出與電壓信號u1s頻率相同的基波電流信號i11到電流給定單元(VΛ)，電流給定單元(VΛ)輸出基波+諧波電流信號(i11+i1n～)/N到補償電流發生單元(II)中的每個子單元(II’)中，每個子單元發生基波+諧波電流(i21+∑i2n)/N，并輸送到變壓器相應的二次繞組中。
全文摘要
本發明公開的大容量并聯型有源濾波器，其變壓器的一次側繞組并聯在電網兩端，諧波電流檢測單元檢測出其一次側的諧波電流信號。在變壓器N個二次繞組中均注入相同的諧波電流，使得該電流波形與一次側諧波電流波形相同。電流信號給定單元V控制使得補償電流發生子單元II’輸出的補償諧波電流與一次側諧波電流之比等于L
文檔編號H02J3/01GK1601845SQ20041006096
公開日2005年3月30日 申請日期2004年10月15日 優先權日2004年10月15日
發明者陳喬夫 申請人:華中科技大學