专利名称：一种串联混合型有源电力滤波装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力滤波技术领域，具体涉及一种采用低自感串联变 压器的串联混合型有源电力滤波装置。
背景技术：
串联混合型滤波器是一种采用串联有源加并联无源的组合式电力滤波 器，它可以较好的克服无源滤波器单独使用时的谐振问题，明显改善无源 滤波器的滤波效果，且有源部分的容量较小，性价比高，具有良好的应用 前景。迄今为止，串联混合型有源电力滤波器主要有以下几种方案
方案1 (Peng FangZheng; Akagi Hirofbmi; Sabae Akira, A new approach to harmonic compensation in power systems — A combined system of shunt passive and series active filters, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 26, no. 6, Nov-Dec, 1990, page 983-990)提出的有源部分以谐波电压源形式 工作，但逆变^l仍流过很大的系统基波电流，有源部分容量比较大。
方案2 (陈乔夫；李达义；魏亚南，基于基波磁通补偿的串联型有源滤
波器，华中理工大学学报，2000年，28巻，12期，页码82-84 )提出的 有源部分以基波电流源形式工作，同样逆变器流过很大的系统基波电流， 有源部分容量也比较大，但控制较简单，滤波效果明显好于方案l。
方案3 (吴卫民；童立青；钱照明；彭方正， 一种高性能串联混合有源
电力滤波器拓扑的研究，中国电机工程学报，2004年，24巻，12期，页码 108-112)提出的改进谐振阻抗型结构，有源部分仍以谐波电压源形式工作， 但它将一个工频谐振丄C电路串联在逆变器交流输出侧，可降低逆变器直流 母线电压水平，但逆变器仍流过很大的系统基波电流。以上3种方案中，串联变压器一、二侧均要流过很大的系统基波电流， 故串联变压器容量也比较大。如果有源部分发生故障或需要检修退出运行 时，以上3种方案中负载均将断电，故供电可靠性差。
发明内容
为克服现有方案的不足，本实用新型提出一种新型串联混合型有源电 力滤波装置，该装置具有较好的滤波效果，且有源部分容量小，串联变压 器容量小，系统可靠性高。
本实用新型提供的串联混合型有源电力滤波装置，它包括谐波电流检 测单元、谐波补偿电流发生单元、串联变压器和无源滤波器；其特征在于
谐波电流检测单元由三个电流互感器和谐波电流提取环节组成；三个 电流互感器分别串联在电网三相母线上，用来检测系统三相母线电流/u、 "和/r:，其输出为三相母线电流信号/^、"和/,a，将其传送至谐波电流 提取环节；谐波电流提取环节根据收到的电网三相母线电流信号/l^、 和/1Cs，计算出电网三相母线电流信号中的谐波分量/M/w、 /,胸和/,c/，,，并 传送至谐波补偿电流发生单元；
谐波补偿电流发生单元包括S个相同的谐波补偿电流发生子单元，各 谐波补偿电流发生子单元均由谐波电流发生环节和开关组成；谐波电流发 生环节接收谐波电流提取环节输出的电网三相母线谐波电流信号6庙、"助, 和"c^，进行电流闭环控制，产生补偿谐波电流&， ^和Z'2C，且补偿谐波 电流 分别与电网三相母线谐波电流 和A^满足如下条
件①；在开关闭合时，补偿谐波电流/14， Z'2S， /2C通过闭合的开关输出至串
联变压器；
其中，a为谐波补偿倍数，l<a<10，且cc为实数，S为串联变压器二次 侧绕组个数，其取值范围为1 500， ；t为串联变压器变比；串联变压器的一次侧绕组串联在电网母线上，以负载用户的主变压器
阻抗为基值，其一次侧绕组自感的标幺值为0.1 10%，其二次侧含有s个
绕组，该s个绕组与s个相同的谐波补偿电流发生子单元中的开关相连，
分别接收其输出谐波电流&， z^和/2c;开关断开时，串联变压器开路串入
系统；
无源滤波器并联接入电网母线上，介于串联变压器和非线性负载之间， 非线性负载的谐波电流流入无源滤波器。
上述结构适用于三相负载，当应用于单相负载时，二种结构所不同的
在于
谐波电流检测单元由一个电流互感器和谐波电流提取环节组成；电流 互感器串联在电网母线上，用来检测系统母线电流/u，其输出为母线电流 信号/l^,将其传送至谐波电流提取环节；谐波电流提取环节根据收到的电 网母线电流信号/^,计算出电网母线电流信号中的谐波分量z'u^并传送 至谐波补偿电流发生单元；
谐波补偿电流发生单元包括S个相同的谐波补偿电流发生子单元，各 谐波补偿电流发生子单元均由谐波电流发生环节和开关组成；谐波电流发 生环节接收谐波电流提取环节输出的电网母线谐波电流信号进行电流 闭环控制，产生补偿谐波电流&，并且补偿谐波电流&与电网母线谐波电 流/^满足如下条件②，在开关闭合时，补偿谐波电流&通过闭合的开关 输出至串联变压器；
/2/4=(axA:)②。
本实用新型装置的有源部分以谐波电流源形式工作，较之现有技术方 案，本实用新型具有下述三个方面的优点-
(1) 有源部分只流过较小的谐波电流(一般小于系统基波电流的15%)， 不流过系统基波电流，故有源部分的容量很小，降低了装置成本、体积。
(2) 本实用新型中串联变压器的自感很小(以负载用户的主变压器阻抗
6为基值，标幺值仅为0.1 10%)， 二次侧绕组容量更小。因为在本方案中，
二次侧绕组与谐波补偿电流发生单元相连，只接收其输出的谐波电流(一
般小于系统基波电流的15%)，而不流过基波电流，故变压器二次侧绕组的 容量也比较小，这进一步降低了成本。
(3)相比较于现有方案，本实用新型提出的滤波装置可靠性更高， 一旦 有源部分出现故障，断开开关，可随时退出工作，对负载供电没有影响； 在有源部分因故障检修而退出工作状态下，由于串联变压器的接入增大了 系统阻抗，仍有一定的滤波效果，且串联变压器造成的电压损失和功率因 数损失是很小的。
图1为本实用新型串联混合型有源电力滤波装置在三相系统中的结构 示意图2为本实用新型滤波装置采用多绕组变压器的结构示意图； 图3为本实用新型滤波装置的一种
具体实施方式
示意图。
具体实施方式
下面结合图1对本实用新型做进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型提出的新型串联混合型有源电力滤波装置由 谐波电流检测单元I、谐波补偿电流发生单元II、串联变压器III和无源滤 波器IV组成。
谐波电流检测单元I由三个电流互感器(CTm， CT1B， CT1C)和谐波 电流提取环节2组成。三个电流互感器CTM， CT^和CTK;分别串联在电网 母线1上，用来检测系统三相母线电流/u， "， Ac(三相母线电流/u，"，
"c分另U含有基波分量"B/， "c/禾卩谐波分量Aw "朋,/ic/i )。其输出为三 相母线电流信号/u,， /1&， 并将其传送至谐波电流提取环节2。
谐波电流提取环节2根据收到的电网三相母线电流信号z'^， /1&， /1C,，计算出电网三相母线电流信号中的谐波分量zm/k,"朋,，z'1c/w，并传送至谐 波补偿电流发生单元II。
谐波补偿电流发生单元n由s个相同的谐波补偿电流发生子单元n'组
成，且每个子单元n'同样由谐波电流发生环节3和开关4组成。6*为正整 数，其取值范围为1 500。图1为5=1的情况。
谐波电流发生环节3接收谐波电流提取环节2输出的电网三相母线谐
波电流信号/l^， /,肠，进行电流闭环控制，输出补偿谐波电流&，
^， /2。作为整个谐波补偿电流发生单元II的输出，并传送至串联变压器 III。在图1所示的串联变压器同名端和电流假定正向下，补偿谐波电流&、
/2s、 /2c分别与电网三相母线谐波电流/,屈、A助、Aca波形相同。
开关4接于谐波电流发生环节3之后，正常工作时，处于闭合状态； 在谐波电流检测单元I或谐波补偿电流发生单元II故障或需要检修时，将 其与系统断开。
串联变压器III由三个单相变压器SL， ST5， STc组成(在5M时，其 二次侧均只含有一个绕组)，其结构及联接方式相同。串联变压器的一次侧 绕组串联在电网母线l上，其匝数均为W，串联变压器一次侧绕组自感丄, 设计得很小，以负载用户的主变压器阻抗为基值，设计其标幺值为0.1 10%，三个单相变压器的二次侧绕组Y型联接，匝数均为『2，各单相变压 器二次侧绕组与一次侧绕组的互感均为M，变压器变比为^^/『2。谐波 补偿电流发生单元II输出补偿谐波电流&， ^和z'2c分别传送至对应各相串 联变压器的二次绕组中。
无源滤波器IV可以采用现有的无源滤波器件实现，它作为滤波系统的 重要组成部分，将给谐波电流提供低阻抗通路，同时向负载提供无功功率， 它并联接入电网母线1上，介于串联变压器III和非线性负载5之间。
上述滤波装置的工作原理为
(l)通过装设于系统三相母线1上的三个电流互感器CTU,CT1B，CT1C， 分别检测系统三相母线电流/w， /15， /lc,其输出为系统三相母线电流信号z'w， /1&， Aa，并将其传送至谐波电流提取环节2。
(2) 谐波电流提取环节2从母线电流信号/u,、 /1&、 z',。中检测出其中 的谐波电流信号/w,、 A肠、/1C/ 。具体检测过程可采用现有的基于瞬时无 功功率理论的检测方法。
(3) 谐波电流发生环节3接收谐波电流提取环节2检测出的谐波电流 信号 进行电流闭环控制，产生谐波补偿电流 z'2/4， z'2a， z'2C，
在图1所示的串联变压器同名端和电流假定正向下，补偿谐波电流&、 /2B、 /2c分别与电网三相母线谐波电流Z^、 A朋、"ca波形相同，谐波电流发生单
元3可以利用现有的电流跟踪技术来实现。
(4) 正常运行状态下，开关4闭合。谐波电流发生单元3输出的谐波 补偿电流&， ^， /2C流过开关4，作为整个谐波补偿电流发生单元II的输 出。
(5) 将谐波补偿电流发生单元n输出的三相补偿谐波电流&， z'2B， /2C
分别传送到各相串联变压器的二次侧绕组中。
当三相补偿谐波电流&, z2fl， /2c满足如下条件时
^气axA0 /M/l， /25=(ax^)"朋，/2c^(ax^) /lc/l; 其中，《为实数，且1< <10。
串联变压器m对基波电流呈现很小的电感丄,，而对谐波电流呈现较大
的电感(丄,+a，A/),从而迫使谐波电流流入无源滤波器IV。例如当cc-4时， 忽略较小的漏感，""M，此时串联变压器对基波电流呈现很小的电感丄,， 而对谐波电流呈现较大的电感5丄,，从而迫使谐波电流流入无源滤波器IV。 (6)当有源部分出现故障或需要检修时，有源部分可随时退出工作， 开关4断开，对负载供电无任何影响。此时，串联变压器对系统基波电流、 谐波电流均开路，故对基波电流、谐波电流都呈现变压器原方自感Zm。由 于串联变压器的开路接入增大了系统阻抗，故仍有一定的滤波效果。
串联变压器III也可以采用三相变压器。图1所示的滤波器是一种三相 系统的串联混合型有源滤波器，也可以采用单相逆变器构成单相串联混合型有源电力滤波器。
当所需的逆变器容量较大时，可以采用多绕组变压器结构。这样可以
利用现有的较低电压，较小电流器件(例如1200V， 200A 500A的IGBT)
来实现较高电压，较大容量(例如10kV，几千kVA)的有源电力滤波器。 图2所示为本实用新型滤波装置采用多绕组变压器的结构示意图，此时 且S为正整数。
图2中各相串联变压器的一次侧绕组同样串联在系统母线1上，匝数 仍为M，一次测绕组自感A同样设计得很小，设计其标幺值仍为0.1 10%。 二次侧含有多个绕组，每个绕组匝数均为『2，且每个二次绕组与一次绕组 的互感仍为M。
谐波电流提取环节2根据收到的电网三相母线电流信号/^、 /15s、 /1C,， 计算出电网三相母线电流信号中的谐波分量/m/ 、 /lflfe、 /，^并传送至谐波 电流发生环节3。谐波电流发生环节3根据谐波电流提取环节2检测出的谐 波电流信号 经过电流闭环控制输出补偿谐波电流
/2C，作为整个谐波补偿电流发生单元n的输出，并传送至串联变压器ni。
在图2所示的串联变压器同名端和电流假定正向下，补偿谐波电流&、 /25、
z'2c分别与电网三相母线谐波电流 波形相同。
当三相补偿谐波电流&， /25， /2c满足如下条件时
a为实数，且l<a<10。
串联变压器m对基波电流呈现很小的电感丄,，而对谐波电流呈现较大
的电感(丄,+".M)，从而迫使谐波电流流入无源滤波器IV。例如当《=4时, 忽略较小的漏感，丄,&M，此时串联变压器对基波电流呈现很小的电感丄,， 而对谐波电流呈现较大的电感5&，从而迫使谐波电流流入无源滤波器IV。
针对本实用新型滤波装置三相系统应用结构图1，图3给出一个具体实 施例，对于图2所示的本实用新型滤波装置采用多绕组变压器的结构示意图，具体实施情况类似，只需构建s个相同的谐波补偿电流发生子单元n' 即可。
如图3所示，谐波电流提取环节2从电网三相母线电流信号/^、 /1&、
/^中检测出其中的谐波电流信号/n、 /,肠、z'iau。检测过程采用了现有的 基于瞬时无功功率理论的检测方法。具体过程如下
a)通过三相静止坐标系/两相静止坐标系变换矩阵C32，将三相静止坐标
系的三相电流信号/m,、 /1&、 /^变换至两相静止坐标系，进而得到/laJ、 A一
其中，c32 = #
1 -1/2 -1/2 ' 0 >/5/2 -^/2
b)通过两相静止坐标系/两相旋转坐标系变换矩阵C，将两相静止坐标 系的/^、 /^变换至两相旋转坐标系，进而得到/w、 ,。
其中，C =
一cos加 一sinty/
,这里的sinw" cosft^可以通过正、余弦发
生电路产生。
c) 通过低通滤波电路，滤除z'^、 z、,中的交流分量，进而得到其直流
分里《A 、 ".、 °
d) 通过两相旋转坐标系/两相静止坐标系变换矩阵C1 (即C矩阵的 逆)，将两相旋转坐标系的L、；变换至两相静止坐标系，进而得到A—、 "辦。
e) 通过两相静止坐标系/三相静止坐标系变换矩阵q"〗(即6:32矩阵的 逆)，"斷变换至三相静止坐标系，进而得到基波电流信号/!雄、"断
禾口 "QS。
通过减法器得到谐波电流信号
"/w-z'ifo々i断；/i c/w=" cWiQS'。
谐波电流发生环节3包含比例运算部分3A、电流控制部分3B和逆变 器部分3C。比例运算部分3A根据谐波电流提取环节2输出的谐波电流信 号"&、 "&、 Ac/M与谐波补偿倍数a ( 为实数，且l<ot<10)、变压器变比A:得到三相逆变器的谐波电流指令信号z;ysz;户/c^，且有"e广(axA:) /l^， ^e广(axA:) A胸，^广(axA)/10u。电流控制部分3B采用三角波比较方式，首 先通过反馈电流检测互感器(即CT^， CTM， CT2C)检测出逆变器输出电 流^、 /s和/c的信号^、 ^和b，然后分别将三相谐波电流指令信号(即
与反馈信号(即 f々、〖& 和进行实时比较，得到误差 信号A、 ^和^并传送给PI调节器(带输出限饱和作用)，PI调节器的输 出为A"、 A"和a/m,将A^、 A"和^,c与三角波发生器输出固定频率(例
如为10kHz)的幅值一定的三角波电信号进行比较，最终输出一系列幅值
为+ l(当、 和a/ c大于三角波电压部分)或O(当a" 、a"和a/ c小于
三角波电压部分)的宽度变化的脉冲信号，即脉冲信号/，"，；mfl，；mC。脉
冲信号/，」，， /"c被传送至PWM驱动单元，输出驱动信号S，,至逆 变器的开关器件(一般采用IGBT)。
逆变器部分3C由逆变器，输出滤波器，反馈电流检测互感器(即CT^， CT25， CT2C)组成。输出滤波电路主要用来滤除逆变器输出电流中的开关 频率成分，最终输出补偿谐波/2/|、 ^和/2(.注入到串联变压器111的二次绕组
中。在图3所示的串联变压器同名端和电流假定正向下，补偿谐波电流/z4、 /25、 /2C分别与电网三相母线谐波电流"屈、'W /^波形相同。 当三相补偿谐波电流&， /2B， /2C满足如下条件时 z'2^(ax^:)/wAS， /2b=(axAr)/lj5/lAS， /2C^(axA:)(图3中，<S=1) a为实数，且l<a<10。
串联变压器m对基波电流呈现很小的电感丄,，而对谐波电流呈现较大
的电感(丄,+a，M)，从而迫使谐波电流流入无源滤波器IV。例如当《=4时， 忽略较小的漏感，丄,&M，此时串联变压器对基波电流呈现很小的电感Z^， 而对谐波电流呈现较大的电感5A，从而迫使谐波电流流入无源滤波器IV。 在图3所示的三相三线系统中，针对主要的5、 7次谐波，可将无源滤 波器IV设置为电抗率7%的多条滤波支路，以滤除5、7次谐波，同时增设 一高通滤波支路，为高次谐波电流提供通路，同时可补偿无功功率。
权利要求1、一种串联混合型有源电力滤波装置，它包括谐波电流检测单元(I)、谐波补偿电流发生单元(II)、串联变压器(III)和无源滤波器(IV)；其特征在于谐波电流检测单元(I)由三个电流互感器(CT1A，CT1B，CT1C)和谐波电流提取环节(2)组成；三个电流互感器(CT1A，CT1B，CT1C)分别串联在电网三相母线(1)上，用来检测系统三相母线电流i1A、i1B和i1C，其输出为三相母线电流信号i1As、i1Bs和i1Cs，将其传送至谐波电流提取环节(2)；谐波电流提取环节(2)根据收到的电网三相母线电流信号i1As、i1Bs和i1Cs，计算出电网三相母线电流信号中的谐波分量i1Ahs、i1Bhs和i1Chs，并传送至谐波补偿电流发生单元(II)；谐波补偿电流发生单元(II)包括S个相同的谐波补偿电流发生子单元(II’)，各谐波补偿电流发生子单元(II’)均由谐波电流发生环节(3)和开关(4)组成；谐波电流发生环节(3)接收谐波电流提取环节(2)输出的电网三相母线谐波电流信号i1Ahs、i1Bhs和i1Chs，进行电流闭环控制，产生补偿谐波电流i2A，i2B和i2C；并且补偿谐波电流i2A，i2B，i2C分别与电网三相母线谐波电流i1Ah、i1Bh、i1Ch满足条件①；在开关(4)闭合时，补偿谐波电流i2A，i2B，i2C通过闭合的开关(4)输出至串联变压器(III)；i2A＝(α×k)i1Ah/S，i2B＝(α×k)i1Bh/S，i2C＝(α×k)i1Ch/S ①其中，α为谐波补偿倍数，1<α<10，且α为实数，S为串联变压器二次侧绕组个数，其取值范围为1～500，k为串联变压器变比；串联变压器(III)的一次侧绕组串联在电网母线(1)上，以负载用户的主变压器阻抗为基值，其一次侧绕组自感的标幺值为0.1～10％，其二次侧含有S个绕组，该S个绕组与S个相同的谐波补偿电流发生子单元(II’)中的开关(4)相连，分别接收其输出谐波电流i2A，i2B和i2C；开关(4)断开时，串联变压器(III)开路串入系统；无源滤波器(IV)并联接入电网母线(1)上，介于串联变压器(III)和非线性负载(5)之间，非线性负载(5)的谐波电流流入无源滤波器(IV)。
2、一种串联混合型有源电力滤波装置，它包括谐波电流检测单元(I )、 谐波补偿电流发生单元(n)、串联变压器(III)和无源滤波器(IV);其特征在于谐波电流检测单元(I )由电流互感器(CT1/4)和谐波电流提取环节(2)组成；电流互感器(CTM)串联在电网母线(1)上，用来检测系统 母线电流/吣其输出为母线电流信号/m,，将其传送至谐波电流提取环节 (2);谐波电流提取环节(2)根据收到的电网母线电流信号z'u,，计算出电网母线电流信号中的谐波分量/"fe，并传送至谐波补偿电流发生单元(II);谐波补偿电流发生单元(II)包括S个相同的谐波补偿电流发生子单元(n，)，各谐波补偿电流发生子单元(n')均由谐波电流发生环节(3)和开关(4)组成；谐波电流发生环节(3)接收谐波电流提取环节(2)输出的电网母线谐波电流信号/^，进行电流闭环控制，产生补偿谐波电流&，并且补偿谐波电流^与电网母线谐波电流/^满足如下条件②，在开关(4) 闭合时，补偿谐波电流&通过闭合的开关(4)输出至串联变压器(III);/2尸(axA:) ②其中，ot为谐波补偿倍数，l<ct<10，且ct为实数，S为串联变压器二次 侧绕组个数，其取值范围为1 500, A为串联变压器变比；串联变压器(III)的一次侧绕组串联在电网母线(1)上，以负载用户 的主变压器阻抗为基值，其一次侧绕组自感的标幺值为0.1 10%，其二次 侧含有S个绕组，该S个绕组与S个相同的谐波补偿电流发生子单元(II') 中的开关(4)相连，分别接收其输出谐波电流&;开关(4)断开时，串 联变压器(III)开路串入系统；无源滤波器(IV)并联接入电网母线(1)上，介于串联变压器(III) 和非线性负载(5)之间，非线性负载(5)的谐波电流流入无源滤波器(IV)。
专利摘要本实用新型公开了一种串联混合型有源电力滤波装置，包括谐波电流检测单元、谐波补偿电流发生单元、串联变压器和无源滤波器。串联变压器自感标幺值很小，仅为0.1～10％，通过谐波电流补偿发生单元发出S个相同的谐波电流注入变压器S个相同的二次绕组中，该谐波电流与一次侧谐波电流相位相同，大小为(α×k)/S倍，则串联变压器对基波呈现较小的自感L<sub>1</sub>，而对谐波电流呈现较大的电感L<sub>1</sub>+αM，最终迫使谐波电流流入无源滤波器。若有源部分发生故障，通过开关将其切除，不会影响负载供电。由于串联变压器的开路接入，系统阻抗增大0.1～10％，仍有一定的滤波效果。该装置不需要LC基波谐振电路，有源部分和串联变压器二次侧容量都很小，降低了成本，且具有较好的滤波效果。
文档编号H02J3/01GK201282339SQ20082019086
公开日2009年7月29日 申请日期2008年9月17日 优先权日2008年9月17日
发明者肖俊承, 谢冰若, 陈乔夫 申请人:华中科技大学;佛山市伊戈尔电业制造股份有限公司