專利名稱：一種新型零序諧波有源濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能濾除電*力系統(tǒng)諧波的裝置，這是一種不需要額外提供能量、不需要逆 變、只利用諧波本身能量的零序諧波有源濾波器。
二背景技術(shù)：
在理想的交流電力系統(tǒng)中，電流和電壓都是純粹的正弦波。所謂諧波，即在交流電力系 統(tǒng)中，由于大量非線性電氣設(shè)備的使用，其電壓電流，形已不是完整的正弦波波形，而是不 同程度地發(fā)生了畸變。根據(jù)數(shù)學(xué)中的傅立葉級數(shù)分析，非正弦波的周期量可分解成基波分量 和具有基波頻率整數(shù)倍的諧波分量。各次諧波的相序是不相同的，分正序、負(fù)序和零序三類， 三相平衡系統(tǒng)中的各次諧波相序如下表所示
次數(shù)123456789101112131415
相序+_0+_0+—0+—0+一0
,由上表知道，3N次諧波是零序諧波。
在低壓電力系統(tǒng)中，根據(jù)運行實踐，上述各次諧波以零序諧波特別是三次諧波所占成分 較大，且對電氣設(shè)備的危害最為嚴(yán)重。
產(chǎn)生三次諧波的設(shè)備主要有節(jié)能燈、熒光燈、計算機、變頻空調(diào)、微波爐、鎮(zhèn)流器、
焊接設(shè)備、UPS電源、電力拖動設(shè)備等。如節(jié)能熒光燈，燈管本身含有電弧，其負(fù)阻特性產(chǎn)
生諧波電流，其中主要是三次諧波電流。
利用數(shù)學(xué)方法可推算出偶次諧波電流在中性線上可被相互抵消，而各相中的零序諧波特
別是三次諧波因其相位相同，不僅不能抵消，反而會相互疊加后以3倍于相線的諧波電流通 過中性線，使中性線總電流大大超過其安全電流值造成過負(fù)荷，這種狀態(tài)下就有可能造成導(dǎo) 線過熱進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。零序諧波特別是三次諧波在發(fā)熱的同時也就消耗了大量有功功率，這 個有功功率的來源只能是電源基波功率提供。
零序諧波特別是三次諧波的產(chǎn)生與危害的原理(見圖l):
圖1是一個三相低壓電網(wǎng)系統(tǒng)簡圖，系統(tǒng)電流具有基波和諧波，這里只討論零序諧波的 問題。所示變壓器是電源變壓器，三相三鐵芯，為了簡化，只示出低壓線圈和鐵芯；諧波源 就是能產(chǎn)生諧波的用戶負(fù)載。
圖1中，諧波源表示能產(chǎn)生零序諧波的非線性負(fù)荷如電動機、整流器、節(jié)能燈等等，相
線中的電流Io為諧波相電流，這三個電流是零序電流，具有相同的相位；電流3Io是中性線
零序諧波電流，這個電流是諧波相電流的三倍，因此，如果中性線與相線等截面，則中性線
消耗的諧波功率是相線消耗的諧波功率的9倍，在諧波相電流較大時，中性線消耗功率很大，
3其導(dǎo)線及接頭極容易起火。
在圖1中,變壓器通過低壓線圈向負(fù)荷提供基波功率，負(fù)荷由于非線性而成為零序諧波 源，反方向向變壓器低壓線圈提供諧波功率，由于三相諧波相電流Io同相并相等，因此在鐵 芯內(nèi)產(chǎn)生的諧波磁通①a，①b、①c大小相等，方向相同。其中Oa、 Oc產(chǎn)生的一半諧波磁 通用于共同抵消①b諧波磁通，①a、①c的另一半諧波磁通又互相抵消，于是整個低壓線圈 產(chǎn)生的零序諧波磁通被全部抵消為零，相當(dāng)于零序諧波感抗為零，零序諧波阻抗只剩下電阻。 由于低壓線圈的電阻非常小，所以諧波源相當(dāng)f被外部短路，如果諧波源的內(nèi)阻也小，短路 諧波電流就很大。
綜上所述，零序諧波的特性是
1 .如果負(fù)載平衡，三相中各相的零序諧波是電流大小相等，相位相同的正弦波； '
2 .零序諧波電壓會被電源變壓器低壓線圈短路，產(chǎn)生短路熱損耗；
3. 零序諧波電壓電流必須有中性線才能流通；
4. 各相的零序諧波電流在中性線上疊加；
5.零序諧波由非線性負(fù)荷產(chǎn)生，諧波能量由電源基波提供。
零序諧波電流的有害停用， 一是使導(dǎo)線發(fā)熱，特別是使中性線嚴(yán)重發(fā)熱，消耗大量有功 功率；二是使電動機鐵芯震動、鐵芯及線圈發(fā)熱，也消耗有功功率。
零序諧波源被電源變壓器低壓線圈短路了，這本壞事，但也是好事，好事就是能抑制低 壓側(cè)零序諧波向高壓側(cè)反送，可以防止零序諧波對高壓電網(wǎng)的污染。
低壓電網(wǎng)中的正序和負(fù)序諧波是三相平衡的正弦波，這些諧波會對電動機、電容器等設(shè) 備產(chǎn)生危害。但對三相電源變壓器來說，其低壓線圈對這些諧波具有很大的阻抗，因此電流 很小，不會產(chǎn)生明顯的有功熱損耗。但這些諧波會通過變壓器升壓傳送到高壓電力系統(tǒng)，會 對高壓電力系統(tǒng)造成危害。
現(xiàn)有諧波濾波技術(shù)工作原理
1、 無源濾波器工作原理
無源濾波器是通過L、 C串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時， 使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，達(dá)到對該次諧波治理的目的。
LC無源濾波器，結(jié)構(gòu)簡單， 一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻 抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。 此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。
2、 現(xiàn)有有源濾波器工作原理
現(xiàn)有有源濾波器的基本工作原理是把電源側(cè)的電流波型與iH弦波相比較，計算出各次諧 波電壓、相位，利用可控的功率半導(dǎo)體逆變器產(chǎn)生并向電網(wǎng)注入與原有諧波電壓幅值相等、 相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實時補償諧波電流的目的。有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、能對大小和頻率都變化的諧波及無功功率進(jìn) 行補償，和無源濾波器相比，有突出的優(yōu)點 '
(1) 對各次諧波均能有效地抑制；
(2) 系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動時，不會影響補償效果。并能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn) 行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響；
(3) 不會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，能抑制外電路的諧振產(chǎn)生的諧波電流的變化； ,(4)用一臺裝置就可以實現(xiàn)對各次諧波的補償；，，
(5)不存在過載問題，當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時，裝置仍可運行，無需斷開。
由以上可看出，有源電力濾波器克服了無源濾波器的缺點，具有良好的調(diào)節(jié)性能，本來 應(yīng)該有很大的發(fā)展前途，但其缺點是由于功率電子元件容量做不大、電壓做不高，成本很高， 元件容易燒壞，可靠性不高，因此在現(xiàn)階段不可能大量推廣應(yīng)用。
我國的有源濾波技術(shù)還處在研究試驗階段，工業(yè)應(yīng)用上只有少數(shù)樣機投入運行，這與我
國目前諧波污染日益嚴(yán)重的狀況很不適應(yīng)。隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，利用有 源濾波進(jìn)行諧波治理將會具有巨大的市場應(yīng)用潛力，但現(xiàn)有有源濾波技術(shù)的高成本、低可靠 性成為其發(fā)展的瓶頸。
有源濾波效果那么好，市場應(yīng)用潛力又非常巨大，但高成本技術(shù)瓶頸又那么難克服，由 此我們設(shè)想能不能用一種比較簡單的技術(shù)代替。首先我們想到有源濾波的原理其實就是人工 制造一個與自然諧波源產(chǎn)生的諧波一模一樣的諧波發(fā)生器，只不過各次諧波相位相反而已， 由此我們設(shè)想，與其人工制造，不如直接把電網(wǎng)的諧波過濾提取出來，把相位變反后，再注 入電網(wǎng)，不就達(dá)到同樣效果？
要把諧波過濾提取出來，有各種辦法，但電網(wǎng)的諧波次數(shù)高達(dá)數(shù)十次，要把這么多次諧 波全部提取出來，過濾電路將非常復(fù)雜，既不必要也不現(xiàn)實。本發(fā)明主要任務(wù)是解決低壓系 統(tǒng)的諧波問題，在低壓系統(tǒng)中，危害最嚴(yán)重的是零序諧波，其中特別是三次諧波，因此本發(fā) 明著重解決的是零序諧波的有源濾波問題。 三、發(fā)明內(nèi)容和


1、 本發(fā)明有源濾波器原理方框圖(見圖7)
在圖7中，本有源濾波器主要由"零序過濾器"和"諧波注入變壓器"兩部分組成。零 序過濾器從低壓電網(wǎng)上輸入基波和諧波混合的電壓，輸出的是不含基波的零序諧波。此零序 諧波輸入到諧波注入變壓器，經(jīng)變壓和倒相后，分兩路輸出到低壓電網(wǎng)，其中一路為對消電 壓，用來消除自然零序諧波的電壓分量，另一路為對消電i^'，用于消除自然零序諧波的電流
2、 零序諧波電流、功率的方向
零序諧波電流、功率的方向見圖i。前面說過，諧波電壓是山負(fù)載的非線性特性產(chǎn)牛:的，因此諧波電壓與電源電壓疊加后，使整個低壓系統(tǒng)都存在諧波電壓。對零序諧波來說，其電 流、功率方向是通過三條相線流向電源變壓器低壓線圈，再經(jīng)中性線形成回路。由于電源變 壓器是三鐵芯變壓器，零序諧波電流在三鐵芯中產(chǎn)生的磁通互相對頂，無法形成通路，造成 低壓線圈對零序諧波沒有阻抗，形同短路，形成相當(dāng)大的零序諧波短路電流，.使其流經(jīng)的導(dǎo) 線發(fā)熱，這是零序諧波特別是三次諧波危害嚴(yán)重的原因。
3、 如何取得諧波對消電壓
前面說過，有源濾波的原理就是往電網(wǎng)注入與自然諧波電流幅值相等、相位相反的電流 電壓，使電源的總諧波電流電壓為零，達(dá)到實時補償諧波的目的?，F(xiàn)有有源濾波器采用逆變 方式取得對消電流，技術(shù)復(fù)雜。本發(fā)明需要解決的是零序諧波特別是三次諧波的危害，采用 了零序過濾器，通過零序過濾器將零序諧波電流電壓從低壓電網(wǎng)中取出來，再通過變壓器倒 相，就得到了幅值相等、相位相反的對消零序諧波電流電壓，然后再將此零序諧波注入低壓 電網(wǎng)，就達(dá)到了濾除零序諧波特別是三次諧波的目的。
4、 零序諧波過濾器
(1) 、星形阻抗式零序諧波過濾器工作原理(見圖2)
從電工基礎(chǔ)知道，三相電路中的正序分量與負(fù)序分量都是對稱的，因此三相星形接法的 正序分量與負(fù)序分量在星點合成結(jié)果為零。而零序量則不同，在星點會出現(xiàn)三相零序電流量 的疊加，因此，星形電路其實就是一個零序電流過濾器。
圖2中，電容C1、 C2、 C3組成星形接法電路，前已述及，星形電路就是一個零序過濾 器，其星點對地工頻電壓理論上為零(實際可能有幾伏不平衡電壓)，當(dāng)電網(wǎng)存在3N次零序 諧波時，在星點上就會出現(xiàn)零序諧波電壓。
圖2在正常工作情況下，電容C1、 C2、 C3對系統(tǒng)的的基波具有一定的無功補償作用。
對于零序諧波電壓如三次諧波電壓，電容C1、 C2、 C3阻抗只有基波的三分之一，因此 如果電容量足夠大，三相電源線上的三次諧波電壓幾乎無損耗地完整傳達(dá)到星點上。
在星點上的零序諧波電流可以疊加，但零序諧波電壓不能疊加，與電源上的諧波電壓相 等，這個電壓如果分到三個諧波注入變壓器，則每相只分配到三分之一的諧波電壓。而諧波 注入變壓器需要的諧波電壓必須等于電源線上的諧波電壓才能有對消作用，因此圖2中的單 相變壓器B的作用是將星點上的零序諧波電壓升壓3倍后輸出。
(2) 、五芯變壓器式零序諧波過濾器的工作原理(見圖3) 從上述零序諧波特別是三次諧波危害的原理(見圖O分析中已經(jīng)知道，在普通三相三
芯變壓器中，零序諧波電流產(chǎn)生的磁通由于沒有通路，從而產(chǎn)生零序諧波短路現(xiàn)象。由此想 到，如果我們給零序諧波磁通提供鐵芯通路，不就可以把零序諧波過濾出來了嗎？根據(jù)這一 原理，于是出現(xiàn)了五芯變壓器式零序諧波過濾器(見圖3)。
圖3屮，變壓器B4的線圈1、 2、 3接成星形，并接到三相電源上。變壓器B4比普通三芯變壓器多了4、 5兩個鐵芯，這兩個鐵芯就是為各相零序諧波提供磁通通路的。
圖3中，1、 2、 3三相線圈中由零序諧波電流產(chǎn)生的零序諧被磁通《>A、①B、 OC，各分 成兩路分別通過鐵芯柱4、 5，再在線圈4、 5中產(chǎn)生零序諧波電壓，兩串聯(lián)線圈零序諧波電 壓相加后能得到3倍電源線上的零序諧波電壓，此電壓由線圈5輸出到諧波注入變壓器，線 圈4的一端必須接地。
由于低壓電網(wǎng)中零序諧波電壓只是對地(中性線)存在，因此五芯變壓器的三相電源線 圈必須接成星形，并且星點必須接地。 ， (3)、開口三角形式零序過濾器的工作原理(見圖4)
開口三角形式零序過濾器由三個單相變壓器聯(lián)結(jié)而成，接線見圖4，三個單相變壓器的 一次線圈B4—1、B5 —1、B6 — l始端接到電網(wǎng)的相線上，其終端聯(lián)結(jié)成中性點，并與大地(電 源中性線)連接。其二次線圈B4—2、 B5 — 2、 B6 — 2首尾相聯(lián)，構(gòu)成開口三角形。
根據(jù)電工理論，二次線圈上的基波電壓是三相對稱、平衡的，其總和等于零，所以在三 角形開口處基波電壓為零，同理，負(fù)序電壓在三角形開口處也為零。
對于零序諧波電壓來說，由于其具有三相同相位的特點，因此零序諧波電壓在二次線圈 中是相加的，所以三角形開口處得到的零序諧波電壓等于3倍的電源線上的零序諧波電壓。
5、零序諧波注入變壓器的工作原理(接線見圖5):
為了把反相零序諧波注入電網(wǎng)，必須采用變壓器進(jìn)行反相、隔離，圖5中變壓器由B1、 B2、 B3三個單相變壓器組成。反相后的零序諧波分電壓部分和電流部分，分別同時注入電網(wǎng)， 因此諧波注入變壓器具有諧波電壓、電流注入線圈和諧波輸入線圈三部分。圖5中
Bl-l、 B2-l、 B3-l — 一零序電壓注入線圈。由于它并聯(lián)于電源線上，必須能承受電源相
電壓；
Bl-2、 B2-2、 B3-2—_零序電流注入線圈。由于它串聯(lián)于電源線上，必須能承受全部負(fù)
載線電流； — Bl-3、 B2-3、 B3-3 — —零序諧波輸入線圈。這三個線圈順序連接組成一個開口三角形，
開口處基波電壓為零，其一端接中性線，另一端接受諧波輸入。 Uo、 Io — 一自然零序諧波電壓電流，U' o、 I' o—一反相零序諧波電壓電流。， 為了在電壓注入線圈和電流注入線圈中得到反相諧波，三個線圈的同名端必須嚴(yán)格按照 圖5所示進(jìn)行接線，如果同名端錯了，就沒有濾波效果。
圖5中，電網(wǎng)上的零序諧波經(jīng)零序過濾器選擇出來后，輸入到諧波輸入線圈，以A相為 例子，電壓Uo方向是向上的，則變壓器B1-1線圈產(chǎn)生的皮相諧波電壓U' o的方向是向下 的。自然零序諧波電流Io是向左的，則變壓器Bl-2線圈產(chǎn)生的反相諧波電流I' o方向是向 右的。由于對消電流、電壓方向與電網(wǎng)上的自然零序諧波電流、電壓全部相反，電網(wǎng)上就沒 有零序諧波了 ，因此就能起零序有源濾波的作用。四具體實施方式
本發(fā)明實施例工作原理見圖6:
實施例的基本工作原理是利用零序過濾器將零序諧波提取出來，通過諧波注入變壓器倒 相并與基波電壓、電流串聯(lián)疊加后，形成對消電壓、電流。
實施例實際工作原理見圖6，圖6中B1、 B2、 B3為三個單相變壓器組成的零序諧波注 入變壓器組，以單相變壓器B1為例，它具有三個線圈B1 — 1、 Bl—2、 B1—3，其中B1 — 1 是零序諧波反向電壓注入線圈，B1—2是零序諧波反向電流注入線圈，B1—3是零序諧波功 率輸入線圈。
三個單相諧波輸入線圈Bl — 3、 B2 — 3、 B3 — 3順序串聯(lián)接成開口三角形，根據(jù)電工原 理，開口兩端工頻電壓為零，因此可以從開口處輸入零序諧波電壓而不影響變壓器的基波工 作狀態(tài)。開口一端接到五芯變壓器式零序過濾器的輸出端，另一端接到電源的中性點。
為了達(dá)到諧波對消，我們必須明確諧波功率方向諧波源的功率流向是從負(fù)載流向電源 變壓器低壓線圈。為了達(dá)到對消，必須使對消諧波功率在同一線路上從電源變壓器流向負(fù)載。
圖6中，如果380V低壓線路上存在零序諧波電壓Uo，則會產(chǎn)生零序諧波電流Io，五芯 零序過濾器線圈4、 5就會輸出零序電壓。此電壓產(chǎn)生的零序電流經(jīng)線圈Bl—3后，會在線 圈Bl — l上產(chǎn)生反相的零序諧波電壓U，o，在線圈Bl—2上產(chǎn)生反相的零序諧波電流I'o;反 相零序諧波電壓U'o與正向零序諧波電壓Uo對消，反相零序諧波電流I'o與正向零序諧波電 流Io對消，使電路上的零序諧波幾乎為零，于是就達(dá)到了零序有源濾波的目的。這是A相的 情況，B、 C兩相的對消過程與此相同。
在零序諧波濾波過程中，零序諧波電壓電流的傳輸、變換，會消耗一些能量，這些能量 由零序諧波源提供，因此屬于變廢為寶。
這就是本發(fā)明的工作原理。
五、 與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點
1采用傳統(tǒng)技術(shù)，不用逆變器，本身不產(chǎn)生諧波，消耗功率很少，很節(jié)能；
2對消電壓可以做到與三次諧波電壓完全同相位，沒有相位延遲，濾波效果理想； 3適合各種阻抗的用戶變壓器及線路，濾波效果不受用戶系統(tǒng)參數(shù)影響，通用性很強； 4采用星形阻抗式零序過濾器時能提高負(fù)載的功率因數(shù)； 5有自動適應(yīng)諧波電壓變化功能；
6低成本。現(xiàn)有有源濾波器由于成本很高，應(yīng)用很少，而本發(fā)明有源濾波器成本特低，
任何單位用戶都用得起，可以廣泛推廣使用。
7容量不限?，F(xiàn)有有源濾波器受器件限制，容量難做大，而本發(fā)明不受容量限制；
8可靠性高。沒有容易燒壞的部件，因此運行可靠性很高；
9長壽命。由于結(jié)構(gòu)簡單，只用傳統(tǒng)電感電容，沒有易損件，因此壽命很長。
權(quán)利要求
1、一種新型零序諧波有源濾波器，由提取零序諧波的零序過濾器和向電網(wǎng)注入反相位諧波的諧波注入變壓器組構(gòu)成，其特征是零序過濾器與電網(wǎng)相接部分元件采用星形接法，零序過濾器輸出的一端必須接電源中性線；諧波注入變壓器是由三臺單相變壓器組成，單相變壓器是具有諧波電壓注入線圈、諧波電流注入線圈、諧波輸入線圈的三線圈變壓器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的零序諧波過濾器，，是由三個單相電容與升壓變壓器 組成，其特征是三個單相電容接成星形，電容器容量大于100微法；升壓 變壓器的變比等于或大于3，零序諧波從升壓變壓器的高壓線圈輸出。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的零序諧波過濾器，是由具有能為零序諧波提供磁通 通路的五芯三相變壓器組成，其特征是三相基波線圈接成星形，并且星點 必須接電源的中性線，零序諧電壓從零序磁通通過的鐵芯線圈輸出。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的零序諧波過濾器，是由三個單相變壓器組成，其特 征是三個單相變壓器初級必須接成星形，并且星點必須接電源的中性線， 三個單相變壓器次級必須接成開口三角形，零序諧波從開口三角形線圈的 開口端輸出。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧波注入變壓器組，由三個三線圈單相變壓器組成， 其特征是三個單相變壓器的諧波輸入線圈接成開口三角形；諧波電流注入 線圈串接在電源與負(fù)載的相線中間，諧波電壓注入線圈與負(fù)載電源相線并 聯(lián)。
全文摘要
一種新型零序諧波有源濾波器，克服了現(xiàn)有電力有源濾波器必須使用電力半導(dǎo)體器件逆變產(chǎn)生幅度相同、相位相反的人造諧波對抗自然諧波設(shè)計方案存在的缺點。本發(fā)明采用的方法是通過零序過濾器，把自然零序諧波從電網(wǎng)基波中分離出來，利用分離出來的零序諧波的能量，經(jīng)幅度變換和相位變換后，再注入電網(wǎng)，與原來的自然零序諧波本身對消，從而達(dá)到有源濾波的目的。本發(fā)明由零序諧波過濾器和零序諧波注入變壓器兩大部分組成，與現(xiàn)有電力有源濾波技術(shù)相比具有成本很低、可靠性高等優(yōu)點。
文檔編號H02J3/01GK101662149SQ200810214640
公開日2010年3月3日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月25日
發(fā)明者陳甲標(biāo) 申請人:陳甲標(biāo)