专利名称：谐波隔离方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种谐波治理技术，尤其涉及一种谐波隔离方法及其装置。
技术背景在现代工业和民用供电系统中，由于存在大量非线性负载，例如电弧炉、 感应炉、电力机车、整流设备、变频设备、日光灯、气体放电灯以及其它含有大 功率半导体器件或电弧、铁磁设备等非线性负荷，在电网中就会产生相应的非线 性电流；而非线性电流在电网阻抗上产生压降，使供电电压波形发生畸变，变为 非正弦波；非正弦波可分解为50Hz的工频基波和许多整数倍于基波的谐波(2次、 3次、4次、5次，……)。其中谐波对电网和电气设备将产生不良影响，其主要 危害如下① 使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率；② 影响各种电气设备的正常工作，如使电动机引起附加损耗、产生机械震动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热、绝缘老化、寿命縮短以至损坏；③ 引起电网局部的并联谐振和串联谐振，引起电网严重事故；④ 对邻近的通信系统产生干扰，轻者引起噪声、降低通信质量，重者导致信 息丢失、干扰通信系统正常工作；⑤ 导致继电保护和自动装置误动作，使电气测量仪表不准确，直接影响正常 生产和电网的安全经济运行。为了限制谐波对电网和电气设备的不良影响，我国制定了相应的国家标准4《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549—1993。 目前，国内外普遍采用的谐波治理装置有两类-一类是基于调谐吸收谐波电流原理的无源滤波装置。它由线性无源器件_一 电感L、电容C、电阻R所构成的若干个不同次数的谐波滤波器并联而成。各次 谐波滤波器在本次谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗，吸收相应的谐 波电流，从而使电网中的谐波电流减少；当LC回路的谐振频率和某一高次谐波 电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网，达到抑制谐波的目的。另一类是基于瞬时无功功率理论的谐波电流抵消原理的有源滤波装置。它利 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。由于无源滤波装置具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等 优点，同时，还能补偿一定数量的无功功率，所以目前无源滤波装置仍然是国内 外电力系统抑制谐波的主要手段。但它也存在一些固有的缺陷①只能抑制固定 的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；②只能补偿 固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；③无源滤波装置有效材 料消耗多、体积大；④滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；O滤波效 果易受元件或系统参数、以及电网频率等变化的影响；O在某些条件下可能和系 统发生谐振，引发事故；⑦当谐波源增大时，滤波器负担随之加重，可能导致因 谐波过载不能运行等。有源滤波装置是20世纪80年代后，随着新型电力半导体器件的出现，脉宽 调制技术(PMW)的发展，以及基于瞬时无功功率的理论的谐波电流检测法的提 出而产生的一种新型滤波装置，与无源滤波器(Power Filter)相比，有源滤波 器(APF， Active Power Filter)具有高精度可控性和快速响应性；不仅能补偿 各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与 系统阻抗发生谐振的危险；可自动跟踪负荷的变化，具有动态谐波等无源滤波器 所不具备的巨大技术优势。但有源滤波装置存在以下问题限制了其使用①有源滤波装置成本高，与无源滤波装置相比，设备的初期费用偏大。据文 献记载，目前这两者的费用比大约在7:1左右。但从长远来看，随着电力电子器件价格的下降，这个比值会随着技术的成熟而大幅下降；② 有源滤波装置自身损耗大，滤波容量小。据文献记载，与无源滤波装置相 比，有源电力滤装置的损耗要达到50 90W / kVA，大约是无源滤波装置(2 4. 5W /kVA)的20倍。较高的损耗，即妨碍设备容量的进一步提高，也增加了运行成 本。③ 有源滤波装置工作在高频状态下产生的较大的电磁干扰和电磁元件发热。目前，有时可以将上述两类装置混合使用，取长补短。但对于具有丰富的谐 波含量的非线性负荷(谐波源)的滤波，无源滤波装置需要设计更多次滤波器， 其成本高、损耗大。有源滤波装置也需要更高的检测和响应速度。然而，在这种 情况下，现有的无源滤波装置和有源滤波装置的谐波治理效果都不佳。在许多场 合下，虽然采用了滤波措施，但监测点的谐波含量仍然超标。发明内容本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，提供一种谐波隔 离方法及其装置，将滤波效果不好、具有丰富谐波含量的谐波源进行有效隔离，使不含谐波源的负荷的供电电压质量符合国家电压质量标准的要求。 本发明的目的是这样实现的。一、 谐波隔离方法谐波隔离方法包括① 将谐波阻尼单元与谐波选通单元串联后，串联接入含谐波源的待隔离端口 和不含谐波源的已隔离端口之间，使所选定频率的电压和电流直接从待隔离端进 入已隔离端，其它频率的电压和电流大部分被谐波阻尼单元隔离；② 将滤波与无功调整单元并联接入已隔离端口，使进入已隔离端口的非选定 频率的电压和电流被旁路滤去一部分；③ 根据负荷的变化调整无功功率，减少系统向负荷提供的无功功率。二、 谐波隔离装置1、单谐波源谐波谐波隔离装置包括谐波阻尼单元、谐波选通单元、滤波与 无功调整单元、含谐波源的待隔离端口和不含谐波源的已隔离端口；含谐波源的待隔离端口、谐波阻尼单元、谐波选通单元和不含谐波源的已隔 离端口依次连接，滤波与无功调整单元和不含谐波源的已隔离端口并联；谐波阻尼单元和谐波选通单元分别由感抗和容抗构成，其工频感抗与工频容 抗相等；滤波与无功调整单元由电抗器和电容器串联而成。2、多谐波源谐波隔离装置由n个单谐波源谐波隔离装置组成，且一个单谐 波源的谐波隔离装置对应隔离一个待隔离的谐波源。特别地，集中安装的多谐波源谐波隔离装置将所有的已隔离端口并联在一起 形成公共已隔离端口 50，公共已隔离端口 50的两个接线端子Y10和Y20作为净 化供电区的接线端。发明特点和效果与现有的滤波装置相比，本谐波隔离装置具有下列优点和积极效果-1、 结构简单、安全性好、损耗小、节能效果明显，适用于谐波源就地隔离， 减少谐波源谐波污染的范围。采用现有的无源滤波装置， 一般需要多个单谐滤波器构成，为了减少设备投 入，通常将滤波装置固定接入母线上，而不放置谐波源所在地，各单谐滤波器对 不同的频率具有不同的频率特性，彼此之间以及与系统之间存在相互影响。对工频而言，各次单谐滤波器会呈容性电抗，在轻负荷、谐波较小的情况下，将会导 致滤波装置向系统倒送无功功率，使母线电压抬高，系统电流加大，这一方面影 响系统的安全运行，另一方面，增加了系统的功率损耗。本谐波隔离装置只有一个单谐支路和一个补偿支路，单谐支路和补偿支路相 互独立，没有直接影响。对工频而言，单谐支路的电压降很小，接近零，所以功 率损耗也小。补偿支路的无功功率可控，不会产生向系统倒送无功功率，使母线 电压抬高、系统电流加大的现象。2、 对广谱谐波(谐波次数很多)的谐波隔离效果好。 采用现有的无源滤波装置，对广谱谐波(谐波次数很多)的滤波效果较差，一方面，需要许多个单谐滤波器，使设备投资和运行费用加大，另一方面由于单 谐滤波器品质因素Q的影响，使各次谐波的滤波效果不佳；由于谐波次数很高， 因此，累加起来的电压和电流谐波总畸变率就较大，往往超过有关国家标准。本谐波隔离装置的谐波阻尼单元和谐波选通单元让工频电压和电流顺利通 过，而将高于工频的各次谐波大部分隔离在谐波阻尼单元上，再经过滤波与无功 调整单元滤去一部分剩余谐波，因此进入已隔离端口的谐波含量较小。3、 对系统参数的影响小，而且谐波隔离与无功补偿相对独立、可控性好， 既可有效隔离谐波，又可有效提高功率因数。本谐波隔离装置的谐波阻尼单元和谐波选通单元与滤波与无功调整单元采 用"T"结构，与负荷直接相连接，而不是简单的串联或并联结构，因此对系统 参数的影响小；而且，谐波阻尼单元和谐波选通单元的参数相对固定，滤波与无 功调整单元的参数可以根据负荷的变化而调整，这种调整对谐波阻尼单元和谐波 选通单元不产生不利影响，具有相对独立、可控性好。4、 可对多谐波源进行谐波隔离，并提供电压净化供电区。 对于具有多个谐波源的系统，例如配电变压器的系统侧含有超标的谐波，负荷侧谐波含量也超标，此时，采用无源滤波装置是很难将谐波含量低于相应的 国家标准，因为无源滤波装置是并联接入母线上，系统和负荷共母线，无法提供 额外的净化供电区。本谐波隔离装置的提供了一个公共的隔离后的净化供电区，该区的谐波含量 可控制到低于国家相应的标准。总之。本发明既可以有效隔离谐波，又可以提高功率因数，用于供用电系统 的电能质量的改善与节能，具有结构简单、经济实用的特点。
图1为单谐波源谐波隔离装置结构框图；图2为集中安装的多谐波源谐波隔离装置结构框图。其中10—谐波阻尼单元，11、 12、……、ln—第l、第2、……、第n谐波阻尼单元； 20—谐波选通单元，21、 22、……、2n—第l、第2、……、第n谐波选通单元； 30—滤波与无功调整单元，31、 32、……、3n—第l、第2、……、第n滤波与无功调整单元； 40—待隔离端口，41、 42、……、4n—第l、第2、……、第n待隔离端口； 50—已隔离端口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明单谐波源和多谐波源的谐波隔离装置详细说明一、总体1、单谐波源的谐波隔离装置如图l，单谐波源的谐波隔离装置包括谐波阻尼单元10、谐波选通单元20、 滤波与无功调整单元30、含谐波源的待隔离端口 40和不含谐波源的已隔离端口50;谐波阻尼单元10的一端接含谐波源的待隔离端口 40的一端W10，谐波阻尼 单元10的另一端接谐波选通单元20的一端，谐波选通单元20的另一端接已隔 离端口 50的一端Y10和滤波与无功调整单元30的一端，滤波与无功调整单元 30的另一端接已隔离端口 50的另一端Y20和待隔离端口 40的另一端W20。含谐波源的待隔离端口 40的电压和电流经过谐波阻尼单元10和谐波选通单 元20构成工频的串联谐振通道，将大量的工频电压和电流传输到无谐波源的己 隔离端口50，大量的谐波电压和电流滤波被隔离在谐波阻尼单元10;此时，滤 波与无功调整单元30滤去部分谐波，进一步减少传入已隔离端口 50的谐波，同9时，根据负荷的变化调整无功功率，使调整点的功率因数到不低于0.9。 2、多谐波源的谐波隔离装置多谐波源的谐波隔离装置由多个单谐波源的隔离装置组成，或将多个单谐波 源的隔离装置分散安装，或将多个单谐波源的隔离装置集中安装。集中安装的多谐波源的谐波隔离装置是将各个已隔离端口 50并联起来即 可；并联的已隔离端口作为净化电源向线性负荷供电，各待隔离端口40分别接 入含谐波源的一侧。假设存在n (自然数)个谐波源。如图2，集中安装的多谐波源的谐波隔离装置由n个单谐波源的谐波隔离装 置组成；第1、第2、……、第n谐波阻尼单元11、12、……、ln分别与第l、第2、……、 第n待隔离端口41、 42、……、4n连接;所有的已隔离端口 50并联在一起，已隔离端口 50的两个接线端子Y10和 Y20作为净化供电区的接线端。具体地说第1谐波阻尼单元11的一端接含谐波源的第1待隔离端口 41的一端Wll， 第1谐波阻尼单元11的另一端接第1谐波选通单元21的一端，第1谐波选通单 元21的另一端接已隔离端口 50的一端Y10和第1滤波与无功调整单元31的一 端，第1滤波与无功调整单元31的另一端接已隔离端口 50的另一端Y20和第1 待隔离端口 41的另一端W22;第2谐波阻尼单元12的一端接含谐波源的第2待隔离端口 42的一端W12， 第2谐波阻尼单元12的另一端接第2谐波选通单元22的一端，第2谐波选通单 元22的另一端接已隔离端口 50的一端Y10和第2滤波与无功调整单元32的一 端，第2滤波与无功调整单元23的另一端接己隔离端口 50的另一端Y20和第2 待隔离端口24的另一端W22;第n谐波阻尼单元ln的一端接含谐波源的第n待隔离端口 4n的一端Wln，第n谐波阻尼单元In的另一端接第n谐波选通单元2n的一端，第n谐波选通单 元2n的另一端接已隔离端口 50的一端Y10和第n滤波与无功调整单元3n的一 端，第n滤波与无功调整单元3n的另一端接己隔离端口 50的另一端Y20和第n 待隔离端口4n的另一端W2n。二、 主要功能块1、 谐波阻尼单元10和谐波选通单元20谐波阻尼单元10和谐波选通单元20分别由感抗和容抗构成，选择工频感抗 与工频容抗相等，使谐波阻尼单元10和谐波选通单元20之间的工频电压降很小， 接近零，而高于工频的谐波电压降较大，从而起到隔离部分谐波的作用。2、 滤波与无功调整单元30滤波与无功调整单元30由电抗器和电容器串联而成，电抗器起抑制谐波的 作用，电容器起滤波的无功补偿的作用。三、 实例1、 如图l， 一个10kV供电系统，含一个谐波源；采用单谐波源的谐波隔离 装置前，谐波待隔离端口 40的电压谐波总畸变率为58.9%，负荷有功功率为 1000kW，无功功率为1000kVar，功率因数为0. 707;采用单谐波源的谐波隔离装置 后，谐波隔离装置的电路参数为谐波阻尼单元10的电抗器的电阻为1欧，电 感量为(120/314)亨，谐波选通单元20的电容器的电容量为1/ (120*314)法 拉，在50Hz工频下谐波阻尼单元10电抗器的感抗与谐波选通单元20的容抗相 等。滤波与无功调整单元30的电感量为(120/314) *0.06亨，电容量为1/(120*314)法拉。谐波已隔离端口 50的电压谐波总畸变率为3.8% (国标为5 %)，谐波隔离和补偿后的功率因数为0.976。2、 如图2， 一个10kV供电系统，含两个谐波源，采用多谐波源的谐波隔离 装置前，第1谐波待隔离端口41的电压谐波总畸变率为57.9%，第2谐波待隔 离端口 42的电压谐波总畸变率为25. 5%，负荷有功功率为1000kW,无功功率为 1000kVar，功率因数为0. 707;采用两谐波源的谐波隔离装置后，两个谐波源的 谐波隔离装置的电路参数为第l、 2谐波阻尼单元11、 12的电抗器的电阻为2 欧，电感量为(300/314)亨，第l、 2谐波选通单元21、 22的电容器的电容量为1/ (300*314)法拉，在50Hz工频下第1、 2谐波阻尼单元11、 12电抗器的 感抗与第1、 2谐波选通单元21、 22的容抗相等。第1、 2滤波与无功调整单元 31、 32的电感量为(240/314) *0. 06亨，电容量为1/ (240*314)法拉。谐波 已隔离端口 50的电压谐波总畸变率为3.6%，谐波隔离和补偿后的功率因数为 0. 994。
权利要求
1、一种谐波隔离方法，其特征在于①将谐波阻尼单元与谐波选通单元串联后，串联接入含谐波源的待隔离端口和不含谐波源的已隔离端口之间，使所选定频率的电压和电流直接从待隔离端进入已隔离端，其它频率的电压和电流大部分被谐波阻尼单元隔离；②将滤波与无功调整单元并联接入已隔离端口，使进入已隔离端口的非选定频率的电压和电流被旁路滤去一部分；③根据负荷的变化调整无功功率，减少系统向负荷提供的无功功率。
2、 一种单谐波源谐波隔离装置，其特征在于包括谐波阻尼单元(10)、谐波选通单元(20)、滤波与无功调整单元(30)、 含谐波源的待隔离端口 (40)和不含谐波源的已隔离端口 (50);谐波阻尼单元(10)的一端接含谐波源的待隔离端口 (40)的一端(WIO)， 谐波阻尼单元(10)的另一端接谐波选通单元(20)的一端，谐波选通单元(20) 的另一端接已隔离端口 (50)的一端(Y10)和滤波与无功调整单元(30)的一 端，滤波与无功调整单元(30)的另一端接已隔离端口 (50)的另一端(Y20) 和待隔离端口 (40)的另一端(W20)。
3、 按权利要求2所述的单谐波源谐波隔离装置，其特征在于谐波阻尼单元(10)和谐波选通单元(20)分别由感抗和容抗构成，其工频 感抗与工频容抗相等。
4、 按权利要求2所述的单谐波源谐波隔离装置，其特征在于 滤波与无功调整单元(30)由电抗器和电容器串联而成。
5、 一种多谐波源谐波隔离装置，其特征在于n个待隔离谐波源的多谐波源隔离装置由n个单谐波源谐波隔离装置组成， 且一个单谐波源的谐波隔离装置对应隔离一个谐波源。
6、 按权利要求5所述的一种多谐波源谐波隔离装置，其特征在于集中安装时，第1、第2、……、第n谐波阻尼单元(11、 12、……、ln)分别与第1、 第2、……、第n待隔离端口 (41、 42、……、4n)连接；所有的已隔离端口并联在一起形成公共己隔离端口 (50)，公共已隔离端口 (50)的两个接线端子(Y10和Y20)作为净化供电区的接线端。
全文摘要
本发明公开了一种谐波隔离方法及其装置，涉及一种谐波治理技术。本方法包括①将谐波阻尼单元与谐波选通单元串联后，串联接入含谐波源的待隔离端口和不含谐波源的已隔离端口之间；②将滤波与无功调整单元并联接入已隔离端口；③根据负荷的变化调整无功功率。本装置包括谐波阻尼单元(10)、谐波选通单元(20)、滤波与无功调整单元(30)、含谐波源的待隔离端口(40)和不含谐波源的已隔离端口(50)。本发明既可以有效隔离谐波，又可以提高功率因数，用于供用电系统的电能质量的改善与节能，具有结构简单、经济实用的特点。
文档编号H02J3/01GK101325338SQ200810048530
公开日2008年12月17日 申请日期2008年7月25日 优先权日2008年7月25日
发明者晶 李, 李晓明 申请人:武汉大学