一种新型零序谐波有源滤波器的制作方法

专利名称：一种新型零序谐波有源滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能滤除电*力系统谐波的装置，这是一种不需要额外提供能量、不需要逆 变、只利用谐波本身能量的零序谐波有源滤波器。
二背景技术：
在理想的交流电力系统中，电流和电压都是纯粹的正弦波。所谓谐波，即在交流电力系 统中，由于大量非线性电气设备的使用，其电压电流，形已不是完整的正弦波波形，而是不 同程度地发生了畸变。根据数学中的傅立叶级数分析，非正弦波的周期量可分解成基波分量 和具有基波频率整数倍的谐波分量。各次谐波的相序是不相同的，分正序、负序和零序三类， 三相平衡系统中的各次谐波相序如下表所示
次数123456789101112131415
相序+_0+_0+—0+—0+一0
,由上表知道，3N次谐波是零序谐波。
在低压电力系统中，根据运行实践，上述各次谐波以零序谐波特别是三次谐波所占成分 较大，且对电气设备的危害最为严重。
产生三次谐波的设备主要有节能灯、荧光灯、计算机、变频空调、微波炉、镇流器、
焊接设备、UPS电源、电力拖动设备等。如节能荧光灯，灯管本身含有电弧，其负阻特性产
生谐波电流，其中主要是三次谐波电流。
利用数学方法可推算出偶次谐波电流在中性线上可被相互抵消，而各相中的零序谐波特
别是三次谐波因其相位相同，不仅不能抵消，反而会相互叠加后以3倍于相线的谐波电流通 过中性线，使中性线总电流大大超过其安全电流值造成过负荷，这种状态下就有可能造成导 线过热进而引发火灾。零序谐波特别是三次谐波在发热的同时也就消耗了大量有功功率，这 个有功功率的来源只能是电源基波功率提供。
零序谐波特别是三次谐波的产生与危害的原理(见图l):
图1是一个三相低压电网系统简图，系统电流具有基波和谐波，这里只讨论零序谐波的 问题。所示变压器是电源变压器，三相三铁芯，为了简化，只示出低压线圈和铁芯；谐波源 就是能产生谐波的用户负载。
图1中，谐波源表示能产生零序谐波的非线性负荷如电动机、整流器、节能灯等等，相
线中的电流Io为谐波相电流，这三个电流是零序电流，具有相同的相位；电流3Io是中性线
零序谐波电流，这个电流是谐波相电流的三倍，因此，如果中性线与相线等截面，则中性线
消耗的谐波功率是相线消耗的谐波功率的9倍，在谐波相电流较大时，中性线消耗功率很大，
3其导线及接头极容易起火。
在图1中,变压器通过低压线圈向负荷提供基波功率，负荷由于非线性而成为零序谐波 源，反方向向变压器低压线圈提供谐波功率，由于三相谐波相电流Io同相并相等，因此在铁 芯内产生的谐波磁通①a，①b、①c大小相等，方向相同。其中Oa、 Oc产生的一半谐波磁 通用于共同抵消①b谐波磁通，①a、①c的另一半谐波磁通又互相抵消，于是整个低压线圈 产生的零序谐波磁通被全部抵消为零，相当于零序谐波感抗为零，零序谐波阻抗只剩下电阻。 由于低压线圈的电阻非常小，所以谐波源相当f被外部短路，如果谐波源的内阻也小，短路 谐波电流就很大。
综上所述，零序谐波的特性是
1 .如果负载平衡，三相中各相的零序谐波是电流大小相等，相位相同的正弦波； '
2 .零序谐波电压会被电源变压器低压线圈短路，产生短路热损耗；
3. 零序谐波电压电流必须有中性线才能流通；
4. 各相的零序谐波电流在中性线上叠加；
5.零序谐波由非线性负荷产生，谐波能量由电源基波提供。
零序谐波电流的有害停用， 一是使导线发热，特别是使中性线严重发热，消耗大量有功 功率；二是使电动机铁芯震动、铁芯及线圈发热，也消耗有功功率。
零序谐波源被电源变压器低压线圈短路了，这本坏事，但也是好事，好事就是能抑制低 压侧零序谐波向高压侧反送，可以防止零序谐波对高压电网的污染。
低压电网中的正序和负序谐波是三相平衡的正弦波，这些谐波会对电动机、电容器等设 备产生危害。但对三相电源变压器来说，其低压线圈对这些谐波具有很大的阻抗，因此电流 很小，不会产生明显的有功热损耗。但这些谐波会通过变压器升压传送到高压电力系统，会 对高压电力系统造成危害。
现有谐波滤波技术工作原理
1、 无源滤波器工作原理
无源滤波器是通过L、 C串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时， 使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，达到对该次谐波治理的目的。
LC无源滤波器，结构简单， 一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻 抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。 此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。
2、 现有有源滤波器工作原理
现有有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与iH弦波相比较，计算出各次谐 波电压、相位，利用可控的功率半导体逆变器产生并向电网注入与原有谐波电压幅值相等、 相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进 行补偿，和无源滤波器相比，有突出的优点 '
(1) 对各次谐波均能有效地抑制；
(2) 系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并能对频率和幅值都变化的谐波进 行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响；
(3) 不会产生谐振现象，能抑制外电路的谐振产生的谐波电流的变化； ,(4)用一台装置就可以实现对各次谐波的补偿；，，
(5)不存在过载问题，当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开。
由以上可看出，有源电力滤波器克服了无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，本来 应该有很大的发展前途，但其缺点是由于功率电子元件容量做不大、电压做不高，成本很高， 元件容易烧坏，可靠性不高，因此在现阶段不可能大量推广应用。
我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段，工业应用上只有少数样机投入运行，这与我
国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用有 源滤波进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，但现有有源滤波技术的高成本、低可靠 性成为其发展的瓶颈。
有源滤波效果那么好，市场应用潜力又非常巨大，但高成本技术瓶颈又那么难克服，由 此我们设想能不能用一种比较简单的技术代替。首先我们想到有源滤波的原理其实就是人工 制造一个与自然谐波源产生的谐波一模一样的谐波发生器，只不过各次谐波相位相反而已， 由此我们设想，与其人工制造，不如直接把电网的谐波过滤提取出来，把相位变反后，再注 入电网，不就达到同样效果？
要把谐波过滤提取出来，有各种办法，但电网的谐波次数高达数十次，要把这么多次谐 波全部提取出来，过滤电路将非常复杂，既不必要也不现实。本发明主要任务是解决低压系 统的谐波问题，在低压系统中，危害最严重的是零序谐波，其中特别是三次谐波，因此本发 明着重解决的是零序谐波的有源滤波问题。 三、发明内容和


1、 本发明有源滤波器原理方框图(见图7)
在图7中，本有源滤波器主要由"零序过滤器"和"谐波注入变压器"两部分组成。零 序过滤器从低压电网上输入基波和谐波混合的电压，输出的是不含基波的零序谐波。此零序 谐波输入到谐波注入变压器，经变压和倒相后，分两路输出到低压电网，其中一路为对消电 压，用来消除自然零序谐波的电压分量，另一路为对消电i^'，用于消除自然零序谐波的电流
2、 零序谐波电流、功率的方向
零序谐波电流、功率的方向见图i。前面说过，谐波电压是山负载的非线性特性产牛:的，因此谐波电压与电源电压叠加后，使整个低压系统都存在谐波电压。对零序谐波来说，其电 流、功率方向是通过三条相线流向电源变压器低压线圈，再经中性线形成回路。由于电源变 压器是三铁芯变压器，零序谐波电流在三铁芯中产生的磁通互相对顶，无法形成通路，造成 低压线圈对零序谐波没有阻抗，形同短路，形成相当大的零序谐波短路电流，.使其流经的导 线发热，这是零序谐波特别是三次谐波危害严重的原因。
3、 如何取得谐波对消电压
前面说过，有源滤波的原理就是往电网注入与自然谐波电流幅值相等、相位相反的电流 电压，使电源的总谐波电流电压为零，达到实时补偿谐波的目的。现有有源滤波器采用逆变 方式取得对消电流，技术复杂。本发明需要解决的是零序谐波特别是三次谐波的危害，采用 了零序过滤器，通过零序过滤器将零序谐波电流电压从低压电网中取出来，再通过变压器倒 相，就得到了幅值相等、相位相反的对消零序谐波电流电压，然后再将此零序谐波注入低压 电网，就达到了滤除零序谐波特别是三次谐波的目的。
4、 零序谐波过滤器
(1) 、星形阻抗式零序谐波过滤器工作原理(见图2)
从电工基础知道，三相电路中的正序分量与负序分量都是对称的，因此三相星形接法的 正序分量与负序分量在星点合成结果为零。而零序量则不同，在星点会出现三相零序电流量 的叠加，因此，星形电路其实就是一个零序电流过滤器。
图2中，电容C1、 C2、 C3组成星形接法电路，前已述及，星形电路就是一个零序过滤 器，其星点对地工频电压理论上为零(实际可能有几伏不平衡电压)，当电网存在3N次零序 谐波时，在星点上就会出现零序谐波电压。
图2在正常工作情况下，电容C1、 C2、 C3对系统的的基波具有一定的无功补偿作用。
对于零序谐波电压如三次谐波电压，电容C1、 C2、 C3阻抗只有基波的三分之一，因此 如果电容量足够大，三相电源线上的三次谐波电压几乎无损耗地完整传达到星点上。
在星点上的零序谐波电流可以叠加，但零序谐波电压不能叠加，与电源上的谐波电压相 等，这个电压如果分到三个谐波注入变压器，则每相只分配到三分之一的谐波电压。而谐波 注入变压器需要的谐波电压必须等于电源线上的谐波电压才能有对消作用，因此图2中的单 相变压器B的作用是将星点上的零序谐波电压升压3倍后输出。
(2) 、五芯变压器式零序谐波过滤器的工作原理(见图3) 从上述零序谐波特别是三次谐波危害的原理(见图O分析中已经知道，在普通三相三
芯变压器中，零序谐波电流产生的磁通由于没有通路，从而产生零序谐波短路现象。由此想 到，如果我们给零序谐波磁通提供铁芯通路，不就可以把零序谐波过滤出来了吗？根据这一 原理，于是出现了五芯变压器式零序谐波过滤器(见图3)。
图3屮，变压器B4的线圈1、 2、 3接成星形，并接到三相电源上。变压器B4比普通三芯变压器多了4、 5两个铁芯，这两个铁芯就是为各相零序谐波提供磁通通路的。
图3中，1、 2、 3三相线圈中由零序谐波电流产生的零序谐被磁通《>A、①B、 OC，各分 成两路分别通过铁芯柱4、 5，再在线圈4、 5中产生零序谐波电压，两串联线圈零序谐波电 压相加后能得到3倍电源线上的零序谐波电压，此电压由线圈5输出到谐波注入变压器，线 圈4的一端必须接地。
由于低压电网中零序谐波电压只是对地(中性线)存在，因此五芯变压器的三相电源线 圈必须接成星形，并且星点必须接地。 ， (3)、开口三角形式零序过滤器的工作原理(见图4)
开口三角形式零序过滤器由三个单相变压器联结而成，接线见图4，三个单相变压器的 一次线圈B4—1、B5 —1、B6 — l始端接到电网的相线上，其终端联结成中性点，并与大地(电 源中性线)连接。其二次线圈B4—2、 B5 — 2、 B6 — 2首尾相联，构成开口三角形。
根据电工理论，二次线圈上的基波电压是三相对称、平衡的，其总和等于零，所以在三 角形开口处基波电压为零，同理，负序电压在三角形开口处也为零。
对于零序谐波电压来说，由于其具有三相同相位的特点，因此零序谐波电压在二次线圈 中是相加的，所以三角形开口处得到的零序谐波电压等于3倍的电源线上的零序谐波电压。
5、零序谐波注入变压器的工作原理(接线见图5):
为了把反相零序谐波注入电网，必须采用变压器进行反相、隔离，图5中变压器由B1、 B2、 B3三个单相变压器组成。反相后的零序谐波分电压部分和电流部分，分别同时注入电网， 因此谐波注入变压器具有谐波电压、电流注入线圈和谐波输入线圈三部分。图5中
Bl-l、 B2-l、 B3-l — 一零序电压注入线圈。由于它并联于电源线上，必须能承受电源相
电压；
Bl-2、 B2-2、 B3-2—_零序电流注入线圈。由于它串联于电源线上，必须能承受全部负
载线电流； — Bl-3、 B2-3、 B3-3 — —零序谐波输入线圈。这三个线圈顺序连接组成一个开口三角形，
开口处基波电压为零，其一端接中性线，另一端接受谐波输入。 Uo、 Io — 一自然零序谐波电压电流，U' o、 I' o—一反相零序谐波电压电流。， 为了在电压注入线圈和电流注入线圈中得到反相谐波，三个线圈的同名端必须严格按照 图5所示进行接线，如果同名端错了，就没有滤波效果。
图5中，电网上的零序谐波经零序过滤器选择出来后，输入到谐波输入线圈，以A相为 例子，电压Uo方向是向上的，则变压器B1-1线圈产生的皮相谐波电压U' o的方向是向下 的。自然零序谐波电流Io是向左的，则变压器Bl-2线圈产生的反相谐波电流I' o方向是向 右的。由于对消电流、电压方向与电网上的自然零序谐波电流、电压全部相反，电网上就没 有零序谐波了 ，因此就能起零序有源滤波的作用。四具体实施方式
本发明实施例工作原理见图6:
实施例的基本工作原理是利用零序过滤器将零序谐波提取出来，通过谐波注入变压器倒 相并与基波电压、电流串联叠加后，形成对消电压、电流。
实施例实际工作原理见图6，图6中B1、 B2、 B3为三个单相变压器组成的零序谐波注 入变压器组，以单相变压器B1为例，它具有三个线圈B1 — 1、 Bl—2、 B1—3，其中B1 — 1 是零序谐波反向电压注入线圈，B1—2是零序谐波反向电流注入线圈，B1—3是零序谐波功 率输入线圈。
三个单相谐波输入线圈Bl — 3、 B2 — 3、 B3 — 3顺序串联接成开口三角形，根据电工原 理，开口两端工频电压为零，因此可以从开口处输入零序谐波电压而不影响变压器的基波工 作状态。开口一端接到五芯变压器式零序过滤器的输出端，另一端接到电源的中性点。
为了达到谐波对消，我们必须明确谐波功率方向谐波源的功率流向是从负载流向电源 变压器低压线圈。为了达到对消，必须使对消谐波功率在同一线路上从电源变压器流向负载。
图6中，如果380V低压线路上存在零序谐波电压Uo，则会产生零序谐波电流Io，五芯 零序过滤器线圈4、 5就会输出零序电压。此电压产生的零序电流经线圈Bl—3后，会在线 圈Bl — l上产生反相的零序谐波电压U，o，在线圈Bl—2上产生反相的零序谐波电流I'o;反 相零序谐波电压U'o与正向零序谐波电压Uo对消，反相零序谐波电流I'o与正向零序谐波电 流Io对消，使电路上的零序谐波几乎为零，于是就达到了零序有源滤波的目的。这是A相的 情况，B、 C两相的对消过程与此相同。
在零序谐波滤波过程中，零序谐波电压电流的传输、变换，会消耗一些能量，这些能量 由零序谐波源提供，因此属于变废为宝。
这就是本发明的工作原理。
五、 与现有技术相比本发明的优点
1采用传统技术，不用逆变器，本身不产生谐波，消耗功率很少，很节能；
2对消电压可以做到与三次谐波电压完全同相位，没有相位延迟，滤波效果理想； 3适合各种阻抗的用户变压器及线路，滤波效果不受用户系统参数影响，通用性很强； 4采用星形阻抗式零序过滤器时能提高负载的功率因数； 5有自动适应谐波电压变化功能；
6低成本。现有有源滤波器由于成本很高，应用很少，而本发明有源滤波器成本特低，
任何单位用户都用得起，可以广泛推广使用。
7容量不限。现有有源滤波器受器件限制，容量难做大，而本发明不受容量限制；
8可靠性高。没有容易烧坏的部件，因此运行可靠性很高；
9长寿命。由于结构简单，只用传统电感电容，没有易损件，因此寿命很长。
权利要求
1、一种新型零序谐波有源滤波器，由提取零序谐波的零序过滤器和向电网注入反相位谐波的谐波注入变压器组构成，其特征是零序过滤器与电网相接部分元件采用星形接法，零序过滤器输出的一端必须接电源中性线；谐波注入变压器是由三台单相变压器组成，单相变压器是具有谐波电压注入线圈、谐波电流注入线圈、谐波输入线圈的三线圈变压器。
2.根据权利要求1所述的零序谐波过滤器，，是由三个单相电容与升压变压器 组成，其特征是三个单相电容接成星形，电容器容量大于100微法；升压 变压器的变比等于或大于3，零序谐波从升压变压器的高压线圈输出。
3、 根据权利要求1所述的零序谐波过滤器，是由具有能为零序谐波提供磁通 通路的五芯三相变压器组成，其特征是三相基波线圈接成星形，并且星点 必须接电源的中性线，零序谐电压从零序磁通通过的铁芯线圈输出。
4、 根据权利要求1所述的零序谐波过滤器，是由三个单相变压器组成，其特 征是三个单相变压器初级必须接成星形，并且星点必须接电源的中性线， 三个单相变压器次级必须接成开口三角形，零序谐波从开口三角形线圈的 开口端输出。
5、 根据权利要求1所述的谐波注入变压器组，由三个三线圈单相变压器组成， 其特征是三个单相变压器的谐波输入线圈接成开口三角形；谐波电流注入 线圈串接在电源与负载的相线中间，谐波电压注入线圈与负载电源相线并 联。
全文摘要
一种新型零序谐波有源滤波器，克服了现有电力有源滤波器必须使用电力半导体器件逆变产生幅度相同、相位相反的人造谐波对抗自然谐波设计方案存在的缺点。本发明采用的方法是通过零序过滤器，把自然零序谐波从电网基波中分离出来，利用分离出来的零序谐波的能量，经幅度变换和相位变换后，再注入电网，与原来的自然零序谐波本身对消，从而达到有源滤波的目的。本发明由零序谐波过滤器和零序谐波注入变压器两大部分组成，与现有电力有源滤波技术相比具有成本很低、可靠性高等优点。
文档编号H02J3/01GK101662149SQ200810214640
公开日2010年3月3日 申请日期2008年8月25日 优先权日2008年8月25日
发明者陈甲标 申请人:陈甲标