一種針對指定次諧波的有源電力濾波裝置的製作方法
2023-05-31 12:23:21
本發明屬於有源電力濾波技術領域，更具體地，涉及一種針對指定次諧波的有源電力濾波裝置。
背景技術：
隨著電力電子非線性負荷在工業和民用現場應用越來越廣泛，電網中電流波形畸變更加嚴重，諧波和無功問題越來越顯著。針對諧波和功率因數問題，工業界已提出多種應對方案，其中主要的濾波方案包括傳統無源lc濾波器、傳統並聯有源電力濾波器、串聯混合型有源電力濾波器、注入型混合有源電力濾波器及統一電能質量調節器。
無源濾波器體積、重量較大，且只能濾除特定頻率的諧波；在所有電力濾波器中，串聯混合型有源電力濾波器由於能極大提高諧波阻抗(起「諧波隔離器」作用)而引發廣泛關注。但是目前均採用諧波電流全補償的方式，所需變壓器容量較大，因此其在保護策略及穩定性等方面存在一系列問題，具體如下：
1)串聯有源電力濾波器的整體系統需要定製保護策略。逆變器組件串聯於電源和負載之間，無法通過電源接觸器、斷路器或保險絲等裝置得到直接的保護；
2)裝置的濾波性能與變壓器容量相衝突。傳統基於基波磁通補償的串聯混合型有源電力濾波器僅對基波磁通進行補償，只能降低基波等效阻抗，當所用變壓器確定後，諧波等效阻抗固定，為變壓器勵磁阻抗；變壓器額定容量的設計取決於考慮系統保護策略下的勵磁阻抗大小，考慮變壓器基波磁通完全沒有得到補償的極端情況，該串聯變壓器的設計容量為為降低該額定容量，必須減小變壓器勵磁阻抗；綜上，較好的濾波性能要求較大容量的變壓器。
3)裝置的保護策略及可靠性與變壓器容量相衝突。為了便於保護並提高裝置的可靠性，變壓器勵磁阻抗也應該設計得較小，否則一旦裝置處於非正常運行狀態，逆變器輸出電壓將會非常高。
4)諧波電流全補償時，系統穩定性降低。通常高次諧波及某些低次諧波(根據具體應用場合確定)幅值較低，針對上述諧波採用如無源濾波器等更為經濟簡便的方法進行濾波時，也能取得較為滿意的效果；而採用諧波電流全補償時，不僅佔用有源電力濾波器容量、增加成本，還會嚴重降低系統穩定性。
綜上，無源濾波器體積、重量大，只能濾除特定頻率的諧波；現有串聯混合型有源電力濾波器因充當一個「諧波隔離器」起到實時濾波的作用而引發廣泛關注。但一方面其僅對基波磁通進行補償，從而只能降低基波等效阻抗，當所用變壓器確定後，其諧波等效阻抗為定值，為取得較好濾波效果，需採用較大容量變壓器；另一方面，現有串聯混合型有源電力濾波器均採用電流全補償的方式，極大降低了系統穩定性，並且由於增加了變壓器及系統各開關器件容量而增加了成本。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於解決現有有源電力濾波器僅對基波磁通進行補償，從而只能降低基波等效阻抗，當所用變壓器確定後，其諧波等效阻抗為定值，為取得較好濾波效果，需採用較大容量變壓器；且現有有源電力濾波器均採用電流全補償的方式，極大降低了系統穩定性，並且由於增加了變壓器及系統各開關器件容量而增加了成本的技術問題。
為實現上述目的，本發明提供一種針對指定次諧波的有源電力濾波裝置，適用於包括系統電源和諧波負載的電路，該裝置包括：變壓器、逆變器、調製信號生成模塊。變壓器的一次側繞組與所述諧波負載串聯，接入所述系統電源和諧波負載構成的迴路，流過所述變壓器一次側繞組的電流包括基波電流和諧波電流；調製信號生成模塊用於生成所述逆變器的調製信號，所述調製信號由反向放大後的一次側基波電流和正向放大後的一次側指定次諧波電流疊加生成；逆變器用於將直流信號轉變成與所述調製信號同頻率的交流電流信號並注入所述變壓器二次側繞組，以使所述變壓器一次側基波等效阻抗為z1+(1-α)zm，變壓器一次側指定次諧波等效阻抗為nz1+(1+β)nzm，其中，z1為變壓器的一次側漏抗，zm為變壓器的勵磁阻抗，n為指定次諧波次數，α和β分別為基波控制係數和指定次諧波控制係數，其分別通過調製信號中一次側基波電流的放大倍數和一次側指定次諧波電流的放大倍數來調節。
本發明通過基於變壓器一次側的基波和指定次諧波磁通混合控制，使得一次側繞組的基波和指定次諧波等效阻抗分別單獨可控。變壓器一次側基波等效阻抗為z1+(1-α)zm，變壓器一次側第n次諧波等效阻抗為nz1+(1+β)nzm，本發明提供的有源電力濾波裝置可通過控制α和β使得變壓器一次側基波等效阻抗為0(相對基波短路)和一次側指定次諧波等效阻抗很大(相對指定次諧波開路)。採用指定次諧波補償，有源濾波部分僅對幅值較大的指定次諧波電流進行補償，一般的較高次諧波和幅值較低的低次諧波則採用無源濾波器等更為經濟的方式濾波，增加系統穩定性並降低濾波成本。
可選地，調製信號生成模塊包括：基波電流檢測單元、諧波電流檢測單元、基波電流放大器、諧波電流放大器以及疊加單元。基波電流檢測單元，用於從流過所述變壓器一次側繞組的電流中檢測所述一次側的基波電流；諧波電流檢測單元，用於從流過所述變壓器一次側繞組的電流中檢測所述一次側的指定次諧波電流；基波電流放大器，用於對所述一次側的基波電流進行反向放大；諧波電流放大器，用於對所述一次側的指定次諧波電流進行正向放大；疊加單元，用於將反向放大後的一次側的基波電流和正向放大後的一次側的指定次諧波電流疊加，生成調製信號。
可選地，調製信號iref為：
其中，為變壓器一次側電流i1中的基波分量，即為一次側基波電流，為變壓器一次側電流i1中的第n次諧波分量，ki為確定流過所述變壓器一次側繞組的電流所用的電流互感器的增益，-k1為基波電流放大器的放大倍數，k2為指定次諧波電流放大器的放大倍數。
可選地，變壓器二次側的電流i2為：kpwm為所述逆變器的增益；所述變壓器二次側繞組電流等效到變壓器一次側的電流i2′為：
其中，kt為所述變壓器的耦合變比，
可選地，通過以下方式確定變壓器一次側基波等效阻抗和變壓器一次側指定次諧波等效阻抗：變壓器的電壓方程相量為：u1＝z1i1+zm(i1+i2′)，u1為變壓器一次側繞組兩端的電壓；變壓器一次側基波等效阻抗為：
變壓器一次側第n次諧波等效阻抗為：
其中，為變壓器一次側繞組兩端的基波電壓，為變壓器一次側繞組兩端的第n次諧波電壓，
u1(1)＝z1(1)i1(1)+zm(1)(i1(1)+i2′(1))，u1(n)＝z1(n)i1(n)+zm(n)(i1(n)+i2′(n))；
i2′(1)和i2′(n)分別為變壓器二次側繞組電流等效到變壓器一次側的電流中的基波分量和第n次諧波分量，i2′(1)＝-αi1(1)，i2′(n)＝βi1(n)；
z1(1)為變壓器的一次側相對基波的漏抗，z1(1)＝z1，zm(1)為變壓器相對基波的勵磁阻抗，zm(1)＝zm，z1(n)為變壓器的一次側相對第n次諧波的漏抗，z1(n)＝nz1，zm(n)為變壓器相對第n次諧波的勵磁阻抗，zm(n)＝nzm。
可選地，若則此時變壓器一次側繞組對基波等效短路。
可選地，通過設置β的取值，使得變壓器一次側第n次諧波等效阻抗為高阻，此時變壓器一次側繞組對第n次諧波等效開路。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果：
1)基於基波和指定次諧波磁通混合控制，串聯變壓器一次側繞組的基波和指定次諧波等效阻抗分別單獨可控。
2)通過控制指定次諧波控制係數足夠大，使得指定次諧波等效阻抗不變的情況下，可以選取勵磁阻抗較小的變壓器，即通過合理設計指定次諧波控制係數，使得變壓器一次側繞組在具有相同諧波等效阻抗(有源濾波器在具有相似濾波性能)的條件下，所需變壓器勵磁阻抗(變壓器容量)更小；當採用相同容量的變壓器時，濾波效果更佳。
3)本發明僅對幅值較大的指定次諧波電流進行補償，一般的高次諧波和幅值較低的低次諧波(根據具體應用場合確定)則採用無源濾波器等更為經濟的方式濾波，增加系統穩定性並降低濾波成本。
4)簡化的無源濾波器設計，在採用相同的變壓器時，濾波性能更佳，因此無源濾波器的容量和體積可以大大減小。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的有源電力濾波裝置接入電網的單相原理示意圖；
圖2為本發明實施例提供的有源電力濾波裝置接入三相系統的電路示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
圖1為本發明實施例提供的有源電力濾波裝置接入電網的單相原理示意圖。如圖1所示，電網可包括有源電力濾波裝置和無源電力濾波裝置200，其中，有源電力濾波裝置包括：變壓器101、逆變器102以及調製信號生成模塊103。
為減小有源電力濾波裝置的容量並提高其穩定性，可指定有源電力濾波裝置過濾某些幅值較高的諧波，無源電力濾波裝置過濾低次諧波和幅值較低的高次諧波的方式，有源濾波和無源濾波協同工作完成濾波。具體地，無源電力濾波裝置200可包括多個諧波濾波支路，例如3次諧波濾波支路：電感l3和電容c3串聯支路，5次諧波濾波支路：電感l5和電容c5串聯支路。可以理解的是，根據實際需要，無源濾波裝置還可包括更多或更少的濾波支路，本發明實施例不對此做任何限定，僅用作舉例說明本發明。
如圖1所示，us代表理想系統電壓源，uh為諧波源，代表系統電源的各類畸變(比如電壓跌落，諧波等)，ls表示系統電壓源的阻抗。變壓器一次側的電流為i1。cd和ld構成lc濾波電流，用於濾除逆變器102開關頻率處的諧波。變壓器101的一次側埠設為ax埠，二次側埠設為ax埠。
逆變器102以三角波為載波，採用正弦脈衝寬度調製spwm控制策略，控制電壓源逆變器跟隨調製信號生成一可控電流，該可控電流經過一個lc濾波器濾波後注入耦合變壓器二次側繞組，則變壓器二次側繞組電流中同時含有控制係數不同的基波電流和諧波電流。逆變器直流側電壓ud有三種來源方式：1)直流側接一個電容器，通過控制逆變器使得直流側電壓穩定；2)直流側接一個蓄電池，通過控制逆變器得到穩定的直流側電壓；3)通過電力系統感應取電，經過整流得到穩定的直流側電壓。
變壓器101一次側繞組與諧波負載串聯，接入系統電源us和諧波負載構成的迴路，流過變壓器一次側繞組的電流包括一次側基波電流和一次側諧波電流k為諧波次數，k>0，且k≠1。
調製信號生成模塊103用於生成逆變器102的調製信號iref，iref由反向放大後的一次側基波電流和正向放大後的一次側指定次諧波電流疊加生成，n為指定次諧波次數，n>0，且n≠1。
逆變器102用於將ud提供的直流信號轉變成與iref同頻率的交流電流信號i2並注入變壓器二次側繞組，以使所述變壓器一次側基波等效阻抗為z1+(1-α)zm，變壓器一次側第n次諧波等效阻抗為nz1+(1+β)nzm，其中，z1為變壓器的一次側漏抗，zm為變壓器的勵磁阻抗，α和β分別為基波控制係數和指定次諧波控制係數，其分別通過調製信號中一次側基波電流的放大倍數和一次側諧波電流的放大倍數來調節。
調製信號生成模塊103包括：基波電流檢測單元、諧波電流檢測單元、基波電流放大器、諧波電流放大器以及疊加單元。
基波電流檢測單元，用於檢測一次側的基波電流諧波電流檢測單元，用於檢測一次側的指定次諧波電流其中，基波電流和第n次諧波電流檢測環節傳遞函數分別為gfund(s)和ghn(s)，
另外，確定流過變壓器一次側繞組的電流i1所用的電流互感器的增益為ki，gdi(s)表示檢測一次側電流後的濾波環節。
基波電流檢測單元和諧波電流檢測單元包括電流互感器和基波及各指定次諧波電流檢測環節，電流互感器串接在給負載供電的系統母線上，感應線路電流並將其送入電流檢測環節，基波電流檢測環節從系統母線電流中檢測出所需的基波分量；指定次諧波電流檢測環節從系統電流中檢測出所需的指定次諧波電流分量。
基波電流放大器，用於對所述一次側的基波電流進行反向放大；諧波電流放大器，用於對所述一次側的指定次諧波電流進行正向放大。基波放大器和諧波放大器的放大倍數(增益)分別為-k1和k2。
疊加單元，用於將反向放大後的一次側的基波電流和正向放大後的一次側的指定次諧波電流疊加，生成調製信號iref，
其中，為變壓器一次側電流i1中的基波分量，即為一次側基波電流，為變壓器一次側電流i1中的第n次諧波分量，-k1為基波電流放大器的放大倍數，k2為指定次諧波電流放大器的放大倍數。
將逆變器102等效為一階小慣性環節，電壓源型逆變器的傳遞函數gpwm(s)為kpwm為逆變器增益，tpwm為逆變器延時，s為s域算子，為簡化分析，忽略逆變器的延時，則逆變器等效為增益為kpwm的比例環節。
變壓器101二次側的電流i2為：kpwm為逆變器的增益；變壓器二次側繞組電流等效到變壓器一次側的電流i2′為：
其中，kt為所述變壓器的耦合變比，
可選地，通過以下方式確定變壓器一次側基波等效阻抗和變壓器一次側諧波等效阻抗：
變壓器的電壓方程相量為：u1＝z1i1+zm(i1+i2′)，u2′＝z2′i2′+zm(i1+i2′)；
其中，u1為變壓器一次側繞組兩端的電壓，u2′為變壓器二次側繞組兩端電壓等效到一次側的電壓，z2′為變壓器二次側等效到一次側的漏抗。
從ax埠看見去，變壓器一次側基波等效阻抗為：
變壓器一次側第n次諧波等效阻抗為：
為變壓器一次側繞組兩端的基波電壓，為變壓器一次側繞組兩端的第n次諧波電壓：
u1(1)＝z1(1)i1(1)+zm(1)(i1(1)+i2′(1))，u1(n)＝z1(n)i1(n)+zm(n)(i1(n)+i2′(n))；
i2′(1)和i2′(n)分別為變壓器二次側繞組電流等效到變壓器一次側的電流中的基波分量和第n次諧波分量，i2′(1)＝-αi1(1)，i2′(n)＝βi1(n)；
z1(1)為變壓器的一次側相對基波的漏抗，z1(1)＝z1，zm(1)為變壓器相對基波的勵磁阻抗，zm(1)＝zm，z1(n)為變壓器的一次側相對第n次諧波的漏抗，z1(n)＝nz1，zm(n)為變壓器相對第n次諧波的勵磁阻抗，zm(n)＝nzm。
可選地，若則此時變壓器一次側繞組對基波等效短路。
可選地，通過設置β的取值，使得變壓器一次側第n次諧波等效阻抗為高阻，此時變壓器一次側繞組對第n次諧波等效開路。
合理設置諧波控制係數β，則變壓器一次側繞組對指定次諧波等效為高阻，配合無源濾波支路(即應用於串聯混合型有源電力濾波器結構中)時，能對指定次諧波起到非常好的衰減作用。此外，相對於基於基波磁通補償的串聯混合型有源電力濾波器(諧波等效阻抗為nz1+nzm)，基於基波和諧波磁通混合補償的串聯混合型有源電力濾波器(指定次諧波等效阻抗為nz1+(1+β)nzm)在諧波等效阻抗中引入了係數(1+β)，因此在採用相同容量的變壓器時，濾波性能更佳(在滿足相同濾波效果的前提下，可以選用容量較小的變壓器)。採用指定次諧波補償，有源濾波部分僅對幅值較大的指定次諧波電流進行補償，一般的高次諧波和幅值較低的低次諧波(根據具體應用場合確定)則採用無源濾波器等更為經濟的方式濾波，增加系統穩定性並降低濾波成本。
因此，變壓器可以為小容量耦合變壓器，其通過一個lc濾波器將電壓源逆變器的輸出電流串接在系統電源和諧波負載之間。由於變壓器原、副(一次側、二次側)方繞組的雙邊勵磁作用，變壓器一次側繞組對基波和諧波分別等效為兩個控制係數不同的可調電抗。控制放大器單元的基波和諧波增益係數，改變變壓器單元的基波和諧波磁通補償情況。使得變壓器一次側繞組對基波短路(低阻)，對指定次諧波開路(高阻)，指定次諧波電流被迫流入無源支路，起有源濾波的作用。
當指定補償多個諧波電流時，可採用多個指定次諧波電流檢測環節並將其集成為一個各次指定諧波電流檢測單元。三相系統下可以參考單相系統，在每一相上單獨使用採用小容量變壓器的指定次諧波補償的有源電力濾波器。三相線路上各放大器單元單獨控制，發生故障時互不影響。具體參見圖2所示的有源電力濾波裝置接入三相系統的電路示意圖。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。