专利名称：有源和无源构成的综合电力滤波装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有源和无源构成的综合电力滤波装置，属于电气工程技术领域。
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业(特别是冶金、钢铁、化工等)、交通、楼宇自动化及家庭中获得了广泛的应用，这就使电网中的谐波污染状况日益严重。而且，电网中用于提高功率因数的电容器易与系统阻抗发生谐振，从而造成谐波放大。这都加重了电网中的谐波污染。
电网中的谐波不仅危害电网本身而且危害其周边设备。电网中的谐波一方面使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化、使用寿命降低，甚至发生故障或烧毁。同时，谐波还可引起电力系统局部出现并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电器保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通讯设备和电子设备会产生严重的干扰。
电网中的谐波污染状况日益严重，因而，对于谐波治理装置的需求也日益增加。而且，谐波治理也是建设“绿色电网”的重要组成部分。现在的谐波治理装置主要有两大类无源滤波装置和有源滤波装置。
其中的无源滤波装置可参见1994年8月由水利电力出版社出版的《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》一书，其电路结构图见图1，其在谐波作用下的等效电路图如图2所示。
根据图2可以计算出系统谐波为Ish=ILhZsZF+1+VshZs+ZF---(1)]]>上式中等号右边的第一项是谐波电流作用的结果，第二项为谐波电压作用的结果。由第一项可以看出，当谐波电流的频率与滤波器的谐振频率一致，ZF≌0，ZF/Zs→∞，第一项的结果也近似等于零，这便实现了对于负载谐波电流的抑制。
除了以上缺点外，无源滤波器还具有以下缺点1、补偿性能差 由于电容器和电感的参数存在着误差；在运行过程中将因周围温度的变化、自身发热和电容器绝缘老化的影响而发生变化；同时，系统频率在运行过程中会存在一定的偏差。这些原因都会造成谐波频率与滤波器的谐振频率不一致，这时滤波器呈现的阻抗将偏离其极小值，使滤波器滤波效果变坏。
2、动态性能差 当负载电流动态变化时，其对谐波电流的抑制效果差
3、补偿性能受系统阻抗的影响 由公式(1)可知，无源滤波器对负载谐波电流的滤波效果，决定于Zs/ZF，因此，系统阻抗的变化将影响其滤波效果4、即使在理想的情况下，也只能对特定次数谐波电流产生比较好的抑制效果5、体积庞大，占用空间较多已有的有源滤波装置可参见1995年《东洋电机制造株式会社产品说明书》。其原理框图如图3所示。其基本原理为通过控制使有源滤波器相电网注入与负载谐波大小一致但相位相反的电流，这样就可以使电网电流为正弦波，从而，实现了消除谐波电流的目的。
目前的有源滤波技术的缺点可参见1997年清华大学博士论文《新型综合电力滤波系统的研究》，主要有1、由于交流电源的基波电压直接施加到逆变器上，且补偿电流完全由逆变器提供，因此，逆变器的容量必须很大2、由于目前电力电子器件造价较高，这种系统的价格十分昂贵3、由于检测电路易受器件参数分散及调试误差的影响，这会影响其补偿性能，需进一步改进4、由于有源滤波装置采用全新的结构，不适于对原有的无源滤波装置进行改造本发明的目的是设计一种无源有源综合滤波装置。它不仅可以克服单独使用无源滤波器和有源滤波器的缺点，而且可以吸取两者的优点，以得到一种滤波效果好、成本较低的新型电力滤波装置。
本发明设计的有源和无源构成的综合电力滤波装置，由有源滤波器、无源滤波器、变压器和控制电路组成，无源滤波器的一端与电网相联，另一端与变压器次级的一端相联，变压器次级的另一端互相短接在一起，变压器的原边的一端与有源滤波器中逆变桥臂的中点相联，原边的另一端互相短接在一起。控制电路包括电流传感器、谐波检测电路、调节器、脉宽调制控制电路和驱动电路。电流传感器将电网的电流信号转变成电压信号后输入谐波检测电路，得到电网谐波电流信号，该信号送入调节器，与有源滤波器中的电容电压的反馈信号一起经调节后得到控制电流的指令信号，并送入脉宽调制控制电路，根据指令信号的符号产生相应的控制信号，即当其中一相的指令信号大于零时，产生一个信号，送入驱动电路，经整形、放大、隔离后，使与该相相对应的有源滤波器的逆变桥上桥臂的开关管导通，下桥臂的开关管关断；若小于零时，产生一个信号，送入驱动电路，经整形、放大、隔离后，使与该相相对应的有源滤波器的逆变桥上桥臂的开关管关断，下桥臂的开关管导通，以控制有源滤波器的输出电压，实现滤波。
本发明的装置具有以下优点1、成本低、经济实用性好本发明中的有源部分的功率较小，参照IEEE Trans.Ind.Appl.Vol(33)No.4(1997)《Effectiveness of Harmonic Mitigation Equipment for CommercialOffice Buildings》一文中给出的价格标准计算，这种滤波装置的价格为$227.3/kVA，这与无源滤波装置的价格($200/kVA)相差无几。如果是对原有的无源滤波装置进行改造的话，其改造成本仅为$50/kVA。
2、滤波性能好对于整流负载，设备投入后，电网电流中的5次、7次、11次、13次谐波电流含量分别为1.7％、1.4％、0.8％、0.9％，此时电网电流波形已是比较理想的正弦波。在滤波装置投入前后电网中电流波形对比参见图7。实际运行结果表明，该滤波装置具有以下特点滤波系统的滤波效果受电力系统阻抗的影响小；电力系统阻抗和无源滤波器之间不会产生串联或并联谐振。
图1是无源滤波器电路原理图。
图2是无源滤波器在谐波作用下的单相等效电路图。
图3是有源滤波器电路原理图。
图4是本发明装置的电路原理图。
图5是本发明装置在谐波作用下的等效电路图，其中图5a是单相等效电路图，图5b是负载谐波电流Ilh单独作用下的等效电路图，图5c是电网谐波电压Ush单独作用下的等效电路图。
图6是脉宽调制(PWM)控制电路原理图。
图7是本发明装置投入前后电网中电流波形对比，其中，图7a是本发明装置投入运行前电网中电流波形，图7b是本发明装置投入运行后电网中电流波形。
下面结合附图，详细介绍本发明的内容。
本发明的有源和无源综合滤波装置的工作原理如下假设有源滤波器为理想的可控电压源，谐波负载为电流源。在三相对称的情况下，其单相等效电路图如图5(a)所示。其中Usf是电源电压中的基波部分，Ush是电源电压中的谐波部分；Isf为电源电流中的基波部分，Ish为电源电流中的谐波部分；ILf为负载电流中的基波部分，ILh为负载电流中的谐波部分；ZF是无源滤波器阻抗；Zs(Ls)是系统阻抗。
在不考虑系统损耗的情况下，有源滤波器输出电压中不含基波成份。按照叠加原理图5(a)可被分解为图5(b)和图5(c)。对于谐波电流源ILh，其单独作用下的等效电路如图5(b)所示。这时，有源滤波器可看成一个谐波阻抗Zc。当Uc＝ZF×ILh时，各次谐波频率下的谐波阻抗Zc恒等于-ZF，即ZF+Zc＝0，这样所有的负载谐波电流ILh都将流入无源滤波器支路，无源滤波器的滤波效果得以改善。对于系统电压中的谐波成份Ush，其单独作用下的等效电路如图5(c)所示。这时，有源滤波器可看成一个受控电压源。当UC＝Ush时，Ush产生的谐波电流Ish将为零，这样就抑制了由于系统谐波电压而引起的谐波电流。把以上两种情况综合起来，当有源滤波器输出电压UC＝Ush+ZF×ILh时，将对系统中的所有谐波电流实现抑制作用。
由于有源滤波器电压UC＝Ush+ZF×ILh，比电网电压要小的多，这使得综合电力滤波系统中有源滤波器的容量比并联型有源滤波器的容量要小的多，更适合对大容量的谐波负载进行补偿，其初始投资和运行费用比并联型有源滤波器要低。因而同时具有无源滤波器成本低和有源滤波器滤波性能好的优点，具有很强的实用性和经济性。
PWM(脉宽调制)控制电路原理图参见图6，以a相为例介绍其工作过程。当a相指令信号Ia*大于零时，比较器Comp-A输出一个低电平到非门IC1A的输入端，非门IC1A便输出一个高电平到D触发器IC3A的D端，当D触发器的时钟端CLK有一个上升沿到来时，该高电平便使其正相输出端Q输出一个高电平，该高电平被送到驱动电路中，从而使开关管S1导通；同时，该高电平还便使其负相输出端Q输出一个低电平，该低电平被送到驱动电路中，从而使开关管S2关断。相反，当a相指令信号Ia*小于零时，D触发器的输出一个低电平，使开关管S1关断S2导通。其他两相的控制过程与a相类似。这样，便能够保证有源滤波器的输出电压等于(Ush+ZF×Ilh)*N，进而保证综合滤波装置具有较理想的滤波效果。
图中的非门IC2A、IC2B、IC2C、RY及CY构成一个方波振荡器。假设初始时非门IC2A的输出端为低电平，该高电平输入到IC2B使其输出为高电平，该高电平经电阻RY给电容CY进行正向充电，当B点电位高于IC2C的门槛电压时，IC2C输出低电平，该低电平输入到IC2A的输入端使其输出高电平，同时，IC2B的输出端为低电平，这样，IC2A便对电容放电，当B点电位低于IC2C的门槛电压时，IC2C输出高电平。如此，反复地充放电便可以在IC2C的输出端得到一个周期一定的方波脉冲，该方波脉冲经IC2D正型并反向后送到D触发器的时钟端。有上面分析可知，只有在时钟端出现上升沿时，D触发器的输出端Q的状态才可能发生变化，从而引起开关管的开关状态发生变化。因此，开关管的状态变化与方波脉冲的上升沿同步。这样，就是可以使有源滤波器的开关频率保持恒定。
权利要求
1.一种有源和无源构成的综合电力滤波装置，其特征在于该装置由有源滤波器、无源滤波器、变压器和控制电路组成，无源滤波器的一端与电网相联，另一端与变压器次级的一端相联，变压器次级的另一端互相短接在一起，变压器的原边的一端与有源滤波器中逆变桥臂的中点相联，原边的另一端互相短接在一起；控制电路包括电流传感器、谐波检测电路、调节器、脉宽调制控制电路和驱动电路；电流传感器将电网的电流信号转变成电压信号后输入谐波检测电路，得到电网谐波电流信号，该信号送入调节器，与有源滤波器中的电容电压的反馈信号一起经调节后得到控制电流的指令信号，并送入脉宽调制控制电路，根据指令信号的符号产生相应的控制信号，即当其中一相的指令信号大于零时，产生一个信号，送入驱动电路，经整形、放大、隔离后，使与该相相对应的有源滤波器的逆变桥上桥臂的开关管导通，下桥臂的开关管关断，若小于零时，产生一个信号，送入驱动电路，经整形、放大、隔离后，使与该相相对应的有源滤波器的逆变桥上桥臂的开关管关断，下桥臂的开关管导通，以控制有源滤波器的输出电压，实现滤波。
全文摘要
本发明涉及一种有源和无源构成的综合电力滤波装置,由有源滤波器、无源滤波器、变压器和控制电路组成,其中的控制电路包括电流传感器、谐波检测电路、调节器、脉宽调制控制电路和驱动电路。电流传感器将电网的电流信息转变成电压信号后输入谐波检测电路,得到谐波电流信号,送入调节器,得到控制电流的指令信号,根据指令信号控制有源滤波器的输出电压,实现滤波。本发明的装置成本低、经济实用性好。
文档编号H02J3/01GK1274977SQ0010962
公开日2000年11月29日 申请日期2000年6月16日 优先权日2000年6月16日
发明者朱东起, 姜新建, 邓占锋, 余文博, 马大铭 申请人:清华大学