基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器的方法及系统

摘要

一种基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器的方法及系统,用基波检测单元得到母线畸变电流的基波信号,基波补偿电流发生器跟踪该信号产生基波电流,并将之注入串联变压器的付方绕组,使得串联变压器铁芯中主磁通近似为零。从而变压器的原方绕组在母线上产生很小的压降,对谐波呈高阻抗,理止谐波电流窜入电力系统,并能抑制并联谐振。且有源滤波器容量很小。

说明书

本发明属于电力谐波滤波器领域。

随着非线性负载、电力电子负载的增多，谐波对电力系统的污染日益严重。电力谐波会使电机、变压器、电容器等产生附加损耗、过热、振动，甚至过载；产生谐波过电压；造成继电器误动作；还会干扰电视、通讯；使家用电器工况变坏。总之，谐波已成为电力系统的一大公害。为了抑制电力谐波，国内外专家学者已研制出多种电力谐波滤波器，归纳起来可以分为以下两类：

1、单调谐滤波器

单调谐滤波器由L、C串联而成，与系统并联，一条单调谐支路削弱一个谐波。该种滤波器的缺点是，仍有约20％左右的谐波电流窜入电力系统；另外，可靠性不高，若设计不当则可能引发并联谐振。

2、以谐波电流补偿为基础的串联型有源滤波器

关于这种有源滤波器，国内外已进行了大量研究工作。国外已发表的具有代表性的论文有：“A practical approach to harmonic compensation in powersystem-series connection of passive and active filters”，Hideaki Fujita，IEEETransaction，Vol.27，No.6，1991。据报道称，日本有样机在系统中挂网试运行，我国尚未见引进该类型滤波器的报道。我国有关专家也在该领域进行了大量研究工作，其主要的代表作为：“基于瞬时无功功率理论的串联混合型单相电力有源滤波器”，王兆安，中国电机工程学报，Vol.17，No.1，1997.1。但尚未见到实际样机挂网运行的报道。

上述国内外研究工作的基本原理是相同的，都是从实际电网电流中检测出谐波电流，(即从实际电流中扣除基波电流而得到)，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，该电流通过电流互感器耦合到系统中，去抵消谐波电流，使电网电流只含有基波分量。

采用此种方法有如下三个问题：1).从实际畸变的电流中检测出扣除了基波后的谐波电流是很难的，至今仍有大量文章在讨论单相电流谐波检测问题；2).利用补偿装置产生一个与检测到的谐波大小相等，极性相反的补偿电流是更困难的，因为谐波频谱较宽，电流互感器等惯性元件对不同频率响应不同；3).如何做到在电网母线中基波电流压降近似为零，以降低有源滤波器容量，这个问题在以往的讨论中均未得到解决。

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题和不足，提出检测单一频率，响应稳定，更容易实现的串联型有源滤波器的方法及其系统。

本发明所说的基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器，主要由三个单元组成：即基波电流检测单元I、基波补偿电流发生单元II和串联变压器III。其系统的构成及方法原理如下：

a).基波电流检测单元I是由在电网母线1上设置电流互感器2和基波电流检测环节3所组成，电流互感器2安置在电网母线1上，所取得的电网母线1的畸变电流(i)波形送到基波电流检测环节3中，由基波电流检测单元I从畸变的电流波形中检测出其基波电流信号i_ls；b).将从基波电流检测单元I中检测出基波电流信号i_ls，输送到基波补偿电流发生单元II中，基波补偿电流发生单元II根据收到的基波电流信号i_ls，产生基波电流i_l^*，并自动跟踪i_ls；c).将基波补偿电流发生单元II中产生的基波电流i_l^*送到串联变压器III的付方绕组ax中，其原方绕组AX串联在电网母线中，i_l^*自动跟踪i_l，并使得在铁芯中原付方绕组安匝平衡，即：W_AX·i_l+W_ax·i_l^*＝0，从而使串联变压器III铁芯中基波主磁通Φ_ml≈0，串联变压器III电网侧基波压降U_AX≈0，而对于n次谐波呈现阻抗Z_AX⁽ⁿ⁾＝nZ_AX⁽¹⁾，(Z_AX⁽¹⁾为串联变压器基波励磁阻抗)。因此，串联变压器III阻止谐波窜入电力系统。

本发明所说的基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器与现有技术中的滤波器相比有以下优点：

1、本发明只需要从电网电流中检测出基波，与检测谐波电流相比，基波频率单一，响应稳定，更容易实现。

2、本发明只需要利用补偿装置产生一个与检测到的基波电流频率相同、大小成已达比例的补偿电流，与现有技术中的跟踪、产生谐波电流相比，其实现方式要容易得多。

3、本发明将串联变压器原方绕组串联在电网母线中，当补偿电流注入付方绕组时，可以使串联变压器铁芯中基波主磁通近似为零，在原方AX端口对基波电流呈零阻抗(或很低阻抗)，从而滤波装置容量较小，而对谐波电流呈现励磁阻抗(是一个很大的阻抗)，从而阻止谐波电流流通。也可防止并联谐振发生。

图1：基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器的原理图；

图2：电网母线的畸变电流波形(i)及其基波电流i_l波形；

图3：串联变压器原方绕组AX端口的电流波形i_l；

图4：串联变压器付方绕组ax端口的电流波形i_l^*；

图5：基波磁通补偿的串联型有源滤波器与并联型无源滤波器联合使用的原理图。

以下结合附图对本发明所述的基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器及其方法作进一步的说明。

图1为本发明专利的主体结构。

基波电流检测单元I的构成是在电网母线1上设置电流互感器2，将电流互感器2上取得的电网母线畸变电流i波形(图2中的虚线波形所示)送到基波电流检测环节3中，由基波电流检测单元I从畸变的电流波形中检测出其基波电流信号i_ls，该信号为正弦波，与被检测电流的基波i_l同频率，且其幅值大小与i_l成正比例。将从基波电流检测单元I中检测出基波电流信号i_ls，输送到基波补偿电流发生单元II中，基波补偿电流发生单元II根据收到的基波电流信号i_ls，产生基波电流i_l^*，(所说的i_l^*与电网母线的基波电流i_l同频率、大小成一定比例)并自动跟踪i_l。将基波补偿电流发生单元II中产生的基波电流i_l^*送到串联变压器III的付方绕组ax中，其原方绕组AX串联在电网母线中，并使得W_AX·i_l+W_ax·i_l^*＝0，从而使串联变压器III铁芯中基波主磁通Φ_ml≈0，串联变压器III电网侧基波压降U_AX≈0，而对于n次谐波Z_AX⁽ⁿ⁾＝nZ_AX⁽¹⁾，(Z_AX⁽¹⁾为串联变压器基波励磁阻抗)。由此，串联变压器III阻止谐波窜入电力系统。

按照本发明所说的技术方案制作的串联型滤波器，既可以单独使用，也可以和并联型无源滤波器联合使用，也可以和并联型有源滤波器联合使用。

图5是基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器与并联型无源滤波器联合使用的例子。