新结构全频谱电力有源滤波器的制作方法

本发明涉及一种能滤除电力系统全频谱所有各次谐波的新型装置，这种装置采用了简单有效的谐波分离技术——LC串联谐波分离法。这是一种不需要逆变、完全利用谐波本身能量来消除谐波本身的有源滤波装置，属谐波治理和节能
技术领域：
。二、
背景技术：
：电力系统中的谐波来自电气设备，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，当电力系统向非线性设备供电时，这些设备在吸收基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，谐波源产生的谐波，与其非线性特性有关。当前，电力系统的谐波源，按其非线性特性主要分几大类：1、各种铁心设备，如电动机、变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性，电流为非正弦波形。2、各种交直流换流装置(整流器、逆变器、变频调速器)以及晶闸管可控开关设备等，在化工、冶金、矿山等大量工矿企业广泛使用。3、各种电焊机，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，导致电流不规则地波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。4、日常生活设备：如日光灯、节能灯、电磁炉、微波炉、彩色电视机、电脑、办公自动化设备、变频空调、电子整流充电器等。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，其电压电流波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。三相电力谐波具有如下特性：谐波的相序性：各次谐波的相序是不相同的，分正序、负序和零序三类，三相电力系统中的各次谐波相序如下表所示：次数123456789101112131415…相序+-0+-0+-0+-0+-0…在低压电力系统中，根据运行实践，上述各次谐波的损耗以零序谐波特别是三次谐波所占成分最大，且对电气设备的危害最为严重。其原因根据理论分析，是零序谐波磁通在配电变压器的三柱铁芯中互相对顶，零序谐波阻抗为零，从而造成零序谐波短路所致。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。其他相序高次谐波的危害：(1)谐波对旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；(2)谐波对供电线路产生附加损耗；(3)使电网中的电容器产生谐振。由于谐波频率多，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。(4)谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。谐波的独立性：各种不同频率的谐波虽然出现在同一电网上，但它们却是独立的，同一时间它们只是瞬时值叠加而已。这就好像一支乐队，有多种乐器同时演奏，虽然是不同频率的音波，但我们的耳朵却能分别出是什么乐器在演奏。由于谐波具有独立性，我们就必定有办法将它们从电网中分离出来。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，使其与某次谐波产生谐振，当发生谐振时，滤波器对该次谐波呈现出很小阻抗或很大阻抗，从而短路或阻断该次谐波，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滤波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，一组LC无源滤波器只能滤除一个固定频率的谐波，要滤除多个频率的谐波，需要多组LC无源滤波器，成本、体积、功耗将成倍增长，无法承受。总之，LC无源滤波器缺点很多。2、现有有源滤波器工作原理早在1970年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF(ActivePowerFilter)的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、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。三、技术实现要素：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谐波发生器，其产生的谐波与自然谐波一模一样，只不过各次谐波相位相反而已。由此我们设想，既然谐波已经存在于电网上，与其人工制造，不如直接把电网的谐波提取出来，把相位变反后，再注入电网，不就达到同样效果？本发明的目的，就是发明一种不用逆变、技术实用、结构简单、造价低廉、滤波效果复盖电力全频谱谐波的有源滤波器，代替现有价格昂贵、技术复杂、无法推广的逆变式有源滤波器。为了实现有源滤波，最重要的工作就是如何从电网中把全频谱(多达几百次以上)的纯谐波电压分离出来，反相后送回电网以抵消原有自然谐波。本发明原理：由LC串联电路构成(参考图4)，经理论分析和实际试验，在LC串联电路中，根据L、C的频率特性，适当选择LC的参数，就能实现电容器C主要承接低频率基波的电压降、电感器L主要承接高频率谐波的电压降，从而实现全频谱纯谐波与基波的分离。本发明实际电路参考图7：图7中，由谐波变压器XBa初级线圈XBa-1和电容器Ca构成LC串联谐波分离电路。分离纯谐波的方法，是利用电感器的感抗与频率成正比、电容器的容抗与频率成反比的特性，把含有谐波的非正弦波电压Ua加在LC串联电路上，就能在电感L即谐波变压器的初级线圈XBa-1上分离出高频率的纯谐波电压Ux，在电容器Ca上分离出低频率的基波电压Uc；由于线圈XBa-1、XBa-2互为反向连接，使基波电流I1、I2在谐波变压器内产生的磁通量互相对消，两线圈的工频电抗为零，两线圈对基波呈现零压降，基波电压就全部降落在电容Ca上，从而达到纯谐波与基波的完全分离。纯谐波电压Ux经谐波变压器XBa的次级线圈XBa-2变换为反相纯谐波电压U′x，此反相电压与电容器电压Uc叠加后，成为新的非正弦波电压，由于其波形包含反相谐波电压，根据电力有源滤波原理，将此合成非正弦波电压注入电网中，就能抵消原有谐波，实现全频谱电力有源滤波的目的。谐波变压器XBa是一个双线圈变压器，其初级线圈XBa-1上端头与谐波隔离阻抗LZa的左端头连接，次级线圈XBa-2上端头与谐波隔离阻抗LZa的右端头连接；两个线圈的下端头与电容器Ca的上端头连接，电容器Ca的下端头与用户配电变压器BH的零线连接；谐波隔离阻抗LZa的左端头与用户配电变压器BH低压侧的a相端头连接，其右端头与谐波负载a相连接。四、附图说明1、图1是纯谐波合成原理波形图；2、图2是非正弦波(基波被谐波污染)合成原理波形图；3、图3是纯谐波与反相纯谐波波形图；4、图4是LC串联谐波分离电路工作原理图；5、图5是LC串联谐波分离电路实验时电源电压(U)波形频谱图；6、图6是LC串联谐波分离电路实验时电感电压(UL)波形频谱图；7、图7是LC串联谐波分离电路构成的三相全频谱电力有源滤波器实施例原理图。五、具体实施方式1、谐波合成原理(见图1、图2)根据电工基础，分析计算非正弦畸变波形的方法是傅立叶级数原理和重迭原理。一个周期为T的非正弦波f(ωt)用傅立叶级数展开后的数学表达式(设常量和初相位为0)：f(ωt)＝U1msin(ωt)+(U2msin(2ωt)+U3msin(3ωt)+U4msin(4ωt)+………)(1)上式右边第一项为基波分量，第二项以上全部用括弧括起来，这部分为纯粹谐波分量。由于不同频率的正弦量不能用向量图进行复数运算，只能用解析式进行叠加，因此谐波与基波的合成分解可以用很单纯的加减方式进行。(1)式可用语言表达为：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。这就是著名的傅立叶级数原理。这句话可简化为：非正弦波＝基波+纯谐波(2)(2)式揭示了：非正弦波是由基波与纯谐波叠加而成，这就是谐波合成理论依据。由(2)式得：纯谐波＝非正弦波-基波(3)(3)式揭示了：纯谐波可由非正弦波与基波相减而得，这就是谐波可分离的理论依据。人们要问：谐波有千千万万个不同频率，千千万万个不同值，能用一个值来代替吗？回答是：能。这里要用到物理学中波的叠加原理：在几列波相遇的区域内，任一点的振动，为各个波单独在该点产生的振动的合成。这个原理说白了就是：千千万万不同频率的波，叠加后成为单独的一个波。基波与所有谐波都是交流电磁波，也遵循波的叠加原理，所以电网上用示波器你只能看见一个非正弦波。非正弦波中除基波外还含有一个单独的纯谐波值，这个值是所有谐波的叠加值。不过，这个纯谐波也不是直接可见的，因为根据叠加原理它已经与基波融合在一起了，要从非正弦波中分离出纯谐波，根据(3)式只需减去一个基波即可，应该是很简单的事。纯谐波的合成：图1示出了3、5、7、9次谐波是如何合成纯谐波的。图1中，同一时刻的3、5、7、9次谐波瞬时值相加，就得到新的曲线——纯谐波曲线。图1中纯谐波的表达式：f(ωt)＝0.3Usin(3ωt)+0.2Usin(5ωt)+0.15Usin(7ωt)+0.1Usin(9ωt)(5)式中：f(ωt)--------------纯谐波；U-----------------基波电压值。纯谐波是所有各次谐波叠加的结果，这个结果在电网上是不能直接测量显示的，因为它已经与基波融合在一起，但全频谱有源滤波器可以将此纯谐波分离并显示出来。非正弦波合成：图2是纯谐波污染基波、使之成为非正弦波的曲线图。图2中，同一瞬间纯谐波值与基波值相加，就成为新曲线，这就是非正弦波。非正弦波表达式：f(ωt)＝Usin(ωt)+(0.3Usin(3ωt)+0.2Usin(5ωt)+0.15Usin(7ωt)+0.1Usin(9ωt))(6)(6)式也是(2)式的谐波畸变率数学表达式。反相纯谐波的生成：有源滤波需要反相纯谐波，反相纯谐波的生成只需将纯谐波用变压器反相就可以得到，即：反相纯谐波＝-纯谐波反相纯谐波见图3，图3中一条曲线是纯谐波，另一条曲线是反相纯谐波，由图3可见，纯谐波与反相纯谐波的相位是精准相差180°的，即二者之间是没有相位延迟的。2、谐波分离原理全频谱有源滤波的关键是分离出纯谐波，能用传统元件对电网上的所有谐波进行直接分离吗？经过理论分析与实际试验，终于发明了用很简单的线路与传统元件就能实现纯谐波的完美分离的方法——LC串联谐波分离法。为了说明LC串联谐波分离法，首先从上面导出的公式(2)入手：非正弦波＝基波+纯谐波此式说明，非正弦波其实由两个波叠加而成：一个是基波，一个是纯谐波。所谓波的叠加，其本质就是相当于不同频率电压的串联。由此我们就想：能不能用LC串联电路来分离基波与纯谐波？比如利用L、C对频率敏感的电抗特性、电感线圈电流相反时磁通量会互相对消的磁特性，让频率最低的基波电压全部降落在电容C上，让高频率的纯谐波全部降落在电感L上。为了从理论上说明LC串联谐波分离法，必须简单回顾一下中高等学校教科书《电工基础》对LC串联电路的分析。图4是LC串联电路图，图4中的U是交流电源电压；UL是电感L的电压降；UC是电容C的电压降，由于电感电容上的电压相位相反，所以：U＝UL-UC(7)根据上式，如果UL或UC不为零，则其中必有一个大于电源电压。电感L的阻抗(感抗)计算公式：ZL＝2πfL式中：f-频率，L-电感量电容C的阻抗(容抗)计算公式：ZC＝1/2πfC式中：f-频率，C-电容量LC串联电路总电抗：Z＝ZL-ZC当ZL＝ZC时，电路发生谐振，此时电路对谐振频率的交流电压阻抗最小，理论上为零。以上是《电工基础》对工频状态下LC串联电路特性的基本分析，以下我们根据L、C的特性，分析在谐波状态下L、C各自对谐波的反应：(1)、LC串联电路中，电感L的阻抗根据公式：ZL＝2πfL计算，当电感量L不变时，感抗与频率成正比，即频率越高，感抗越大。(2)、LC串联电路中，电容C的阻抗根据公式：ZC＝1/2πfC计算，当电容量不变时，容抗与频率成反比，即频率越高，容抗越小。根据上面两点分析结果，得出以下结论：LC串联电路中如果电感L比较小，则低频感抗小，低频率的基波电压降也小，基波绝大部分都降落在电容C上。LC串联电路中如果电容C比较大，则高频容抗小，高频率的谐波相当于被电容C短路，谐波电压就几乎全部降落在电感L上。这样，高频率的纯谐波就能从电感L上分离出来了，这就是LC串联电路分离纯谐波的基本原理。LC串联电路能不能分离谐波，我们用图4电路图为例通过实验进行验证。设置图4参数：U＝230V，UL＝30V，UC＝260V，C＝80微法，L＝15毫亨。在实验前我们先熟悉一个重要的谐波指标——谐波畸变率，以百分比表示。它以基波电压为标准(100％)，如果基波电压为100V，某次谐波电压为20V，则该次谐波畸变率为20％(以下简称谐波率)。一般谐波次数从2次至数百次，则总谐波率(THD)为各次谐波率的均方根值。做谐波试验，必须有一个谐波源，这里我们用电动机做谐波源，电动机并联接在电源U上。电动机运行后就会在电源电压U上产生谐波，其谐波主要以三次谐波为主，谐波次数不是很多。试验仪器主要是频谱仪，它能同时显示电压波形和进行频谱分析，频谱分析仪能测量电压的总谐波率(THD)。实验结果在图5、图6中显示出来。图5显示的是电源电压U的波形频谱图，从图5可见，电源电压U的总谐波率THD＝3.5365％。图6显示的是电感线圈电压UL的波形频谱图，从图6可见，电感线圈电压UL的总谐波率THD＝112.8062％。从图5“示波器”可以看出，电源电压U的波形基本没有变形，谐波分量很少，波形基本上还是正弦波。从图6“示波器”可以看出，电感线圈电压UL波形已经完全变形，谐波分量超过了基波分量，已经看不到正弦波的影子。从图6“频谱分析仪”看到：电感L已经将电源电压U中的所有奇次谐波(3-19次)分离出来了，成为谐波电压UL。从图5图6的总谐波率(THD)比较可以知道，电感电压UL的谐波率是电源电压U的谐波率的32倍！由此可见，电路的谐波电压基本完全降落在电感L上了。该实验证明；LC串联电路完全能分离出电网上的全频谱纯谐波。图4所示LC串联谐波分离原理图是单相的，而实际电网是三相的，会不会有些次数的谐波只存在于线电压而不存在于相电压中？不会的，因为谐波虽有正序、负序、零序之分，但每种序列都有相电压，因此本发明的谐波分离原理不会漏掉任何次数的谐波。3、全频谱有源滤波器实际接线与滤波试验三相新结构全频谱电力有源滤波器原理如图7所示，图7中实线框内部分是用户的设备，虚线框内的设备是本发明所用到的设备。图7是三相系统，其中只示出了A相的线路图，其余B、C相相同。图7中属于用户的设备：BH——用户三相配电变压器；谐波负载。图7中属于本发明的实体部件、电气变量：实体部件：LZa——A相谐波隔离阻抗器。因为谐波是从电网线路上分离提取，又要反相注入同一线路，因此谐波的输入、输出端必须用电抗器隔离。XBa——A相谐波变压器，是本发明中最重要的部件之一，其作用有三：1、通过初级线圈XBa-1与电容Ca组成LC串联谐波分离电路，将非正弦波电压Ua中的纯谐波电压Ux分离出来；2、通过次级线圈XBa-2将线圈XBa-1分离出来的纯谐波电压Ux进行反相，成为反相纯谐波电压U′x，并返送回电网，以抵消原来的自然谐波，从而实现有源滤波；3、由于线圈XBa-1、XBa-2互为反向连接，使基波电流I1、I2在谐波变压器内产生的磁通量互相对消，使两线圈的工频电抗为零，两线圈对基波呈现零压降，基波就全部降落在电容Ca上了。Ca——A相电容器。与谐波变压器线圈XBa-1组成LC串联谐波分离器，并为XBa-2感生的反相纯谐波电压U′x提供接入电网所需的基波电压平台。电气变量：Ua——电源a相电压，接有谐波负载，Ua中除基波外，还包含谐波，是一个非正弦波。Uc——电容器电压。I1、I2——分别通过谐波变压器线圈XBa-1、XBa-2和电容器Ca的两路同方向基波电流。Ux、U′x——分离出来的纯谐波电压和感应产生的反相纯谐波电压，两电压方向相反。电路连接图7中谐波隔离阻抗LZa线圈串联在低压电网线路上，必须能够承受线路可能出现的最大负载电流。谐波变压器XBa是一个双线圈变压器，其初级线圈XBa-1上端头(同名端)与谐波隔离阻抗LZa的左端头连接，次级线圈XBa-2上端头(异名端)与谐波隔离阻抗LZa的右端头连接；两个线圈的下端头与电容器Ca的上端头连接，电容器Ca的下端头与用户配电变压器BH的零线连接；谐波隔离阻抗LZa的左端头与用户配电变压器BH低压侧的a相端头连接，谐波隔离阻抗LZa的右端头与谐波负载a相连接。本发明线路的连接形成了两个环形回路：纯谐波分离回路与反相纯谐波滤波回路。纯谐波分离回路：配电变压器BH低压a相线圈端头→谐波变压器初级线圈XBa-1的上端头→谐波变压器初级线圈XBa-1的下端头→电容器Ca上端头→电容器Ca下端头→配电变压器BH的零线→配电变压器BH低压a相线圈。反相纯谐波滤波回路：谐波负载a相端头→谐波变压器次级线圈XBa-2的上端头→谐波变压器次级线圈XBa-2的下端头→电容器Ca上端头→电容器Ca下端头→谐波负载的零线→谐波负载a相。工作过程：谐波变压器XBa的作用：这个变压器的工作原理与作用上面已经作了详细论述。本发明工作过程：参看图7，10KV高压电网向用户配电变压器BH供电，其低压侧就产生相电压Ua。当用户接上谐波负载后，就产生各种频率的谐波电压和流向用户配电变压器的谐波电流，低压电网原来纯正的正弦波电压Ua就被污染而成为非正弦波，Ua中就包含了基波电压与纯谐波电压。谐波变压器的初级线圈XBa-1的同名端(上端头)与用户配电变压器的a相电压Ua相连、同时与隔离阻抗LZa左端头相连。初级线圈XBa-1的异名端(下端头)与电容Ca相连，组成LC串联谐波分离电路，于是在初级线圈XBa-1上就能分离出纯谐波电压Ux。谐波变压器初级线圈XBa-1分离出来的纯谐波电压Ux，在谐波变压器的次级线圈XBa-2上会感应产生反相纯谐波电压U′x，这个纯谐波电压与电容Ca上的基波电压Uc叠加后，合成为新的反相非正弦波电压，这个合成电压注入负载侧电网中，就能抵消谐波负载产生的原始自然谐波。由于反相谐波对原始自然谐波有强烈对消作用，就能将电网上的谐波消灭得干干净净，这就起到了有源滤波作用。以上就是本发明的完整工作原理。本发明实施例容量为70KVA，实施例工作原理图见图7。具体实施时各部件参数和仪器：谐波隔离阻抗LZa：压降＝10V，功率＝1KVA；谐波变压器XBa：变比12V∶12V，功率＝1KVA；电容器Ca：300微法/240V；电源电压：400/230V，三相四线；测量仪器：频谱仪。具体实施时用到的谐波负载：三相感应电动机：15KW/380V；可控硅调压电炉：1500W/220V；电磁炉：2100W/220V；实施例测试结果如下表所示：按实施例接线，用频谱仪测量各种负载情况下总谐波畸变率(THD)及滤波效率列表：从有关资料知道，现有逆变式有源滤波器的平均滤波效率在80％左右，最高的也只是达到90％左右。而本发明从实施例的测试结果可以看到，平均滤波效率达到98.76％，最高达到99.4％，从而证明本发明的技术指标比现有逆变式有源滤波器高。六、与现有技术相比本发明的优点：1、高技术指标：全频谱滤波，谐波次数无限制；现有技术只能滤除有限次谐波。反相谐波相位延迟时间为零；现有技术反相谐波相位延迟时间总大于零。动作反应时间为零，适合谐波剧烈变动的用户；现有技术反应时间总大于零。滤波效率平均达到98.76％，最高达到99.4％；滤波效率比现有技术高10个百分点。2、高度节能：传统LC部件，不谐振，不逆变，不产生新谐波，消耗功率很少，很节能；3、通用性强：适合各种阻抗的用户电网，滤波效果不受用户系统参数影响，通用性很强；4、结构简单：主要部件是谐波变压器和电容器，完成谐波分离、反相、注入三项工作；5、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，成本与普通低压配电盘持平，任何单位用户都用得起，可以广泛推广使用。6、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；7、电压不限：可以适用于0.4-35KV电压等级的用户；8、高可靠性：对瞬变电压电流不敏感，没有容易烧坏的零件，因此运行可靠性很高；9、长寿命：由于结构简单，只用传统变压器与电容器，没有易损件，因此寿命很长。10、低环境要求：工作环境要求不高。可以工作于一般工厂环境；11、免维护：由于没有使用高技术，运行中几乎不用维护。当前第1页1 2 3