专利名称：一种新型电力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全频谱所有各次谐波的新型装置，这种装置采用 了新颖简单的谐波分离技术一基波比较(相减)分离法。这是一种不需要逆变、主要利 用谐波本身能量就能消除谐波的有源滤波装置，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a.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。b.各种交直流换流装置(整流器、逆变器、变频调速器)以及晶间管可控开关设备 等，在化工、冶金、矿山等大量工矿企业广泛使用。c.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。d.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。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+-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 谐波所占成分较大，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 在配电变压器的三铁芯中互相对顶，零序谐波阻抗接近零，从而形成零序谐波电流过大所 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。其他高次谐波的危害
3[0012](1)谐波对如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。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，从而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，它只能补偿一个或几个固定频率的谐波，不能补偿所有谐波，补偿效果也不甚理
术g
；ο2、现有有源滤波器工作原理早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF (Active Power Filter)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
实用新型内容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，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，就是发明一种技术实用、结构简单、造价低廉、滤波效果复盖电力 谐波全频谱的有源滤波器，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，最重要的是从电网中把全频谱(多达几十次)的谐波提取出 来，在本发明之前，是无法达到的。虽然有正序、负序、零序过滤器，但前2种过滤器只能做 到仪表级的输出功率，对有源滤波不实用。1、谐波合成原理(见图1)为了说明本发明的全频谱谐波提取技术思路，要先说明谐波是如何合成的。根据傅立叶级数原理，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。在图1示例的3个分图中，上图是基波波形图，中图是3次谐波的波形，下 图是合成波波形。基波是电源提供的，3次谐波是非线性负载提供的。合成波波形是基波 与3次谐波同时叠加后的波形，也是电网上的电压波形，这个波形已经不是正弦波，而是畸 变波形。这个示例只有一个谐波，实际电网要复杂得多，畸变波形可能由几十个不同频率的 谐波叠加合成。2、谐波分离原理电网上的谐波可能多达数百个，又有正序、负序、零序之分，如何将其整体分离出 来？我们是这样考虑的几乎所有物理现象都是可逆的，既然畸变波形是基波与谐波相加 而成，那么反过来，如果畸变波形减去一个与基波在频率、相位、幅值上完全相等的标准正 弦波，不就剩下所有的谐波了？这个设想在理论上是完全正确、可行的，也是可计算的。这 个设计思想，是本发明的重要亮点，关键是在电路上如何实现了。图2是实现谐波分离原理示意图，图2中U1——用户电网电压。由于用户是非线性负载，因MU1是畸变电压』工中除基波外 还包含有谐波成分，即U1 =基波电压+谐波电压；U2——标准正弦波电压，其频率、相位、幅值与U1的基波电压完全相等；即U2 =基波电压U3——谐波电压。由于U2与U1的两个基波电压完全相等，对基波电压来说，A、B两 端电位差为零，相当于基波等电位；所以U3 = U1-U2 =(基波电压+谐波电压)-基波电压=谐波电压。如果U1中没有谐波分量，则U3 = 0 ；谐波分量越大，则U3越大。由上所述可知道，本发明所采用的谐波分离原理，就是基波比较(相减)法，其实 这完全是谐波合成原理的反向操作。图2所示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、本发明工作原理方框图(见图3)本发明有源滤波器原理如图3所示，图3中，主要由“标准正弦波电源U2”、“负载 电源U1”、“谐波变压器B2”、“谐波隔离阻抗Z”和“非线性负载”几部分组成。Ul——负载电源。就是普通的工频电源，由于接有非线性负载，因此Ul中除基波外，还包含有各次谐波，是一个畸变波形。U2——标准正弦波电源。其作用是为“谐波变压器”提供干净纯正的标准正弦波 电压，以与电网含有谐波的畸变电压U1作比较之用。B2——谐波变压器。其作用是检测负载电源畸变电压Ul与标准正弦波电压U2之 差，把谐波电压从电网电压Ul中分离出来。其中线圈B2-1是谐波电压分离线圈，线圈B2-2 是谐波电压反相线圈。Z——谐波隔离阻抗。因为谐波是从电网线路上提取，又要反相注入同一线路，因 此谐波的输入、输出端必须用电抗隔离。图3中，Ul与U2通过谐波变压器的B2-1线圈相连接，按照电工理论，如果Ul > U2，则有电流从Ul流向U2，反之则从U2流向Ul。当电网接上非线性负载后，就产生谐波电压，负载电源的电压仏就是基波电压与 谐波电压之和，我们选择Ul的基波电压等于或稍大于U2的基波电压，则有电流从Ul经谐 波变压器B2-1线圈流向U2，这个电流就是谐波电流Ix。流过B2-1线圈的谐波电流Ix，在谐波变压器B2的另一边B2_2线圈中产生反相 的谐波电压U’ X，这个谐波电压与U2叠加后，成为新的合成畸变电压，如果开关K闭合，则 这个合成电压会产生反相谐波电流I ’ X，将反相谐波电流注入电网中，就能抵消原始自然谐 波，从而起到有源滤波的作用。图3中，如果在谐波变压器的B2-2线圈两端接上示波器，就会观察到畸变的谐波 电压曲线，如果合上开关K，就会看到平滑的正弦波，证明负载谐波被滤除了。如果反接B2-2线圈的两个线头，合上开关K，反向谐波变成正向了，此时非但没有 滤波作用，谐波反而更强了，这证明本发明有源滤波原理是正确的。以上就是本发明的基本工作原理。4、实际应用中如何获得标准正弦波电压(见图4)电网中的交流电压已经受到谐波污染，如何获得标准正弦波电压呢，本发明是采 用LC串联谐振滤波器获得的。(1)、LC串联谐振滤波器图4中的L、C组成50Hz串联谐振滤波器，这个电路的作用是允许50Hz的工频通 过，阻止50Hz外的所有谐波通过，从而使变压器B3获得纯正的标准正弦波电压。我们知道，LC串联谐振滤波器具有两个主要特点一是对谐振频率的阻抗理论上 为0，这为变压器B3以最小电压损失取得标准正弦波电压提供了保证；二是谐振阻抗为电 阻性，我们知道电阻电路是没有相移的，这又为变压器B3无相移地取得标准正弦波电压提 供了保证。LC串联谐振滤波器是很成熟的选频电路，它对非谐振频率具有大的阻抗，在电气 工程中得到了广泛应用，在现有技术的电力有源滤波器中，其标准正弦波电源也是由LC串 联谐振滤波器提供的，因此本发明采用此电路产生标准正弦波电压，也是可行的。(2)、标准正弦波变压器B3B3是标准正弦波变压器，它有三个线圈，其中B3-1线圈接到LC串联谐振滤波器， 由于LC串联谐振滤波器输出的是无污染、无相移的正弦波，因此可以作为标准电压。B3标准正弦波变压器另两个线圈B3-2、B3_3是匝数相同的线圈，所以其输出的标准电压U2 = U2’，标准电压U2、U2’的值可通过B3-1线圈的活动接头进行微调，使其与电 源变压器Bl的输出电压Ul相等。在上面所述原理中，标准电压只需要一个就可以了，实施例中为什么需要二个 呢？这是因为实施例中要解决标准电源对谐波的感抗问题。谐波变压器线圈与标准电源线 圈是串联连接的，如果标准电源对谐波的感抗大，谐波通过这个阻抗时损失就大，于是滤波 效果就不好，最理想的情况是使标准电源的谐波感抗为零。如何使标准电源的线圈绕组对谐波的感抗变为零呢？办法就是如图4所示，使用 双标准电压(U2、U2’)，其中谐波变压器初级线圈B2-1串联标准电压U2，产生正向谐波电 流；次级线圈B2-2串联标准电压U2’，产生反相谐波电流，这两个谐波电流是大小相等、方 向相反的。这两个相反的电流通过标准电源的B3-2、B3-3绕组，于是在同一铁芯中产生大 小相等、方向相反的互相对消的谐波磁通，使谐波磁通总和为零，根据电磁感应定律，没有 谐波磁通就没有谐波感抗，因此标准电源绕组对谐波的感抗就为零，对谐波可视为直通；对 于谐波电压来说，这相当于将谐波变压器初、次级的下端直接接地，谐波电压全部降落在谐 波变压器初级线圈B2-1上，理论上就能将谐波功率全部分离出来。(3)、谐波变压器B2谐波变压器B2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。0)、隔离阻抗器B4-2图4中，采用自耦变压器B4的次级线圈B4-2对谐波分离点与反相谐波注入点进 行隔离，其中B4-2左边的“A”点是谐波分离点，右边的“B”点是反相谐波注入点。B4的初 级线圈B4-1并联在电网上，作用是为了向负载提供稳定的电压，使负载从空载至满载电压 基本不变。5、实施本发明技术方案(见图4)图4是实施例电路图，电路由LC串联谐振滤波器、谐波变压器B2、标准正弦波变压 器B3和谐波隔离阻抗器B4-2构成。电源变压器次级线圈的上端头与谐波变压器第一线圈 B2-1的上端头相连接，连接点为A，谐波变压器第一线圈B2-1的下端头与标准正弦波变压 器的第二线圈B3-2的上端头相连，标准正弦波变压器的第二线圈B3-2的下端头与电源变 压器次级线圈的下端头相连接，组成了一个闭合的谐波分离回路。非线性负载的上端头与 谐波变压器第二线圈B2-2的上端头通过串联的开关K相连接，连接点为B，谐波变压器第二 线圈B2-2的下端头与标准正弦波变压器的第三线圈B3-3的上端头相连接，标准正弦波变 压器的第三线圈B3-3的下端头与非线性负载的下端头相连接，形成了一个闭合的谐波反 相、注入回路。标准正弦波变压器的第二、第三线圈B3-2、B3-3的下端头用导线直接连接， 使电源变压器次级线圈的下端头与非线性负载的下端头联通；电源变压器次级线圈的上端 头与非线性负载的上端头之间，即连接点A与连接点B之间，用谐波隔离阻抗器B4-2连接， 使电源变压器次级线圈的上端头与非线性负载的上端头联通。6、本发明实施例工作过程参看图4，通电后，LC串联谐振滤波器向B3变压器的B3-1线圈输出纯正的正弦波 标准电压。在空载时，标准正弦波变压器B3的输出电压U2与变压器Bl的输出电压Ul的 频率、相位、幅值相等，谐波变压器的B2-1线圈两端等电位，这个线圈没有电流通过。当用户接上非线性负载后，负载就产生谐波电压和谐波电流，谐波功率的流向是从负载到变压器Bi，与基波功率流向相反。谐波电压与电网电压Ul叠加，电网电压Ul变 成非正弦畸变电压，这个非正弦畸变电压不再等于原来的基波电压，因此经与标准电压U2 比较后，在谐波变压器的初级线圈B2-1的两端分离出谐波电压，这个电压含很少的基波成 分，基本是纯谐波电压，这个谐波电压就会在线圈B2-1中产生正向谐波电流。由于谐波分离线圈B2-1有正向谐波电流通过，就会在B2铁芯产生谐波磁通，从而 在另一个线圈B2-2中感应产生反相(相位差=180° )谐波电势。线圈B2-2的下端与标 准电压变压器B3-3线圈相连，这个反相谐波电势与标准正弦波电压U2’完成了叠加过程， 形成反相合成电压，此反相合成电压通过开关K加载到负载线路上，就产生反相谐波电流。 由于反相谐波电流对原始自然谐波的强烈对消作用，就能将负载线路上的谐波消灭干净， 从而起到有源滤波的作用。7、与现有技术相比本发明的有益效果(1)、采用传统技术，不用逆变器，本身不产生谐波，消耗功率少，节能；O)、全频谱有源滤波，抵消谐波与原自然谐波180°反相位，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 性强；(4)、结构简单。主要部件是一个谐波变压器和一个标准正弦波电源变压器，它们 能完成谐波分离、反相、注入三项工作；(5)、低成本。现有有源滤波器由于成本高，应用很少，而本发明有源滤波器成本 低，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)用户电压等级不限。(8)可靠性高。没有容易烧坏的部件，因此运行可靠性高；(9)长寿命。由于结构简单，只用传统变压器，没有易损件，因此寿命长。(10)、工作环境要求不高。可以工作于一般工厂环境；(11)、维护容易。由于没有使用高技术，一般技术人员都可维护。
四
(1).图1是谐波合成原理图(2).图2是谐波分离原理图(3).图3是本发明工作原理方框图(4).图4是本发明实施例工作原理图(5).图5是实施例实测波形频谱图(滤波未投入)。(6).图6是实施例实测波形频谱图(滤波投入)。
五具体实施方式
本发明实施例工作原理图见图4，这个电路一般电气技术人员都可以很容易实 施[0100]1、实施例原理图元件说明L、C——电感电容串联谐振滤波器，谐振中心频率调定在工频50Hz，能滤除高于 50Hz的谐波，作用是向B3输出标准正弦波电压。Bl——单相双线圈电源变压器，电压220V/230V。B2——单相双线圈谐波变压器，具有两个相同的线圈，线圈B2-1是谐波分离线圈， B2-2是谐波反相线圈，设计工频电压24VX2。B3——单相三线圈标准正弦波电源变压器，其B3-1线圈与LC串联谐振滤波器相 接；B3-2、B3-3线圈与谐波变压器B2的两个线圈串联。B4——单相自耦变压器，其初级B4-1与负载并联；其次级B4_2与负载串联，作为 谐波隔离阻抗器用，B4-2电压降为IOV0K——滤波投入切出开关。Rl、R2——阻尼电阻，防止谐振时L、C上过高的电压。非线性负载——能产生谐波的负载。除直接开关控制的电阻负载外，所有负载都 能产生谐波。U——电源变压器输入电压。Ul——电源变压器输出电压。U2、U2，——标准正弦波电压，U2 = U2，= Ul0A、B——谐波分离点与反相谐波注入点。2、原理样机实测波形频谱图我们按照图4线路组装了一台容量为200VA、电压为220V的原理样机(LC串联谐 振滤波器未接)，经用各种非线性负载进行试验，结果都达到了比较理想的滤波效果，限于 篇幅，在此仅选择2幅负载为电视机时谐波变压器两线圈实测曲线频谱图作说明图5是实施例实测波形频谱图(滤波未投入)。A通道为谐波反相线圈B2-2的电压波形，B通道为谐波分离线圈B2-1的电压波 形，由示波器波形可以看出，两条曲线完全相同，只是相位相反而已，由图5可得如下结论(1)、谐波变压器确实能将谐波从电网中分离出来，从而获得纯谐波；(2)、确实能将纯谐波反相；(3)、纯谐波与反相谐波之间相位差为180°。经实验证明，本发明的谐波分离灵敏度很高，小功率负载产生的谐波也能分离出来。图6是实施例实测波形频谱图(滤波投入)。A通道的曲线已经由畸变波形转变为正弦曲线，A通道接的是负载端，因此说明负 载端的谐波已基本被滤除，这正符合我们的要求，因为我们的目的就是为负载而滤波。原理 样机的实测滤波效率达到82. 56%，与复杂的现有有源滤波器达到的滤波效率不相上下。B通道曲线虽然比图5曲线改善了很多，但还有少量谐波。根据有源滤波理论，有 少量正向谐波是正常的，没有正向谐波是不正常的，因为如果正向谐波为0，则反向谐波也 为0，没有反向谐波，也就不能产生滤波效果了。
权利要求1. 一种新型电力谐波有源滤波器，由LC串联谐振滤波器、谐波变压器、标准正弦波变 压器和谐波隔离阻抗器构成，其特征是电源变压器次级线圈的上端头与谐波变压器第一 线圈(B2-1)的上端头相连接，连接点为A，谐波变压器第一线圈(B2-1)的下端头与标准正 弦波变压器的第二线圈(B3-2)的上端头相连，标准正弦波变压器的第二线圈(B3-2)的下 端头与电源变压器次级线圈的下端头相连接；非线性负载的上端头与谐波变压器第二线圈 (B2-2)的上端头通过串联的开关K相连接，连接点为B，谐波变压器第二线圈(B21)的下 端头与标准正弦波变压器的第三线圈(B3-3)的上端头相连接，标准正弦波变压器的第三 线圈(B3-3)的下端头与非线性负载的下端头相连接；标准正弦波变压器的第二、第三线圈 (B3-2、B3-3)的下端头用导线直接连接，使电源变压器次级线圈的下端头与非线性负载的 下端头联通；电源变压器次级线圈的上端头与非线性负载的上端头之间，即连接点A与连 接点B之间，用谐波隔离阻抗器(B4-2)连接，使电源变压器次级线圈的上端头与非线性负 载的上端头联通。
专利摘要一种新型电力谐波有源滤波器由LC串联谐振电路、标准正弦波变压器、谐波变压器、谐波隔离器组成。LC电路提供标准正弦电压；标准正弦波变压器为谐波变压器提供两个标准电压；谐波变压器完成谐波电压的分离、反相、与标准电压叠加及注入电网的工作；谐波隔离器将谐波分离点与注入点隔离。本实用新型克服了现有逆变式电力有源滤波器的缺点。具有结构简单、低成本、高可靠性、耗能少等优点。
文档编号H02J3/01GK201904622SQ201020174800
公开日2011年7月20日 申请日期2010年4月5日 优先权日2010年4月5日
发明者陈甲标 申请人:陈甲标