磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统，包括五绕组变压器，所述五绕组变压器的一次侧高压绕组与交流电网相连，二次侧低压绕组与变流器相连，变流器与负载相连，五绕组变压器的两个感应滤波绕组均连接有一个滤波电容器组，有源滤波绕组与有源滤波器相连，感应滤波绕组与滤波电容器组之间设有第一电流测量装置，二次侧低压绕组与变流器之间设有第二电流测量装置，第一电流测量装置、第二电流测量装置分别与指令电流运算器相连，指令电流运算器与PWM控制器相连，PWM控制器与有源滤波器相连。本发明采用感应滤波和有源滤波相结合，具有高度集成、体积小、全调谐、无谐波放大的特点，实现了谐波与无功的就近动态连续治理。
【专利说明】磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及配电网的谐波治理与无功补偿领域，特别涉及一种磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统。
【背景技术】
[0002]目前配电网中电力电子器件的大量使用，不可避免地产生了系统谐波污染严重、功率因数低下、电压闪变与不平衡等电能质量问题。随着智能电网的发展，用电设备对电能质量更加敏感，对电网的供电质量提出了更高的要求，电网的谐波治理与无功补偿已经成为研究的重要内容。
[0003]目前，在改善电能质量方面主要的滤波技术有无源滤波、有源滤波和混合有源滤波。其中，无源滤波由于装置结构比较简单、设计与制造比较容易，且初期投资成本较低，在电力系统与工业配用电系统中得到了广泛使用。然而，无源滤波器的滤波效能容易受到系统阻抗的制约。当电力网络结构发生变化时，有可能引起滤波阻抗与系统阻抗间的串/并联谐振，这不仅影响供电系统稳定性，而且限制了滤波性能的发挥。
[0004]随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件(GTR、GT0, IGBT等)的不断进步，以及谐波检测与控制技术的深入研究，有源滤波在电力系统得到了广泛的应用。与无源滤波器相比，有源滤波具有高度的可控性和快速响应性，可自动跟踪补偿变化的谐波，滤波特性不受系统阻抗的影响，可以消除与系统阻抗发生谐振的危险。尽管有源滤波有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但由于受开关器件的限制，其成本较高，容量的增加有限。当前大功率滤波装置从经济上考虑，一般采用有源滤波与无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统以减小有源滤波的容量，达到降低成本，提高效率的目的。但混合滤波由于使用了无源滤波器同样存在与电网阻抗发生谐振的可能性。
[0005]特别值得指出的是，上述滤波方式无论是无源滤波、有源滤波还是混合滤波，主要是用来解决谐波与无功分量对电网的不良影响，但对于电网所连接的供电系统自身而言，并未取得有益改善。由非线性负荷产生的谐波与无功分量在供电系统中自由流通而未得到任何的抑制，这不仅恶化了供电系统中主设备的电磁环境，增加了主设备的附加损耗、振动与噪音，而且降低了系统稳定性与运行效率，另外，无源滤波器中滤波电抗器和有源滤波器中的隔离变压器都是独立存在的，使得滤波装置的体积大，有效材料消耗多。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供一种体积小、成本低并且能够消除电网系统阻抗对滤波效能制约作用的磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统。
[0007]本发明解决上述问题的技术方案是:一种磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统，包括五绕组变压器、变流器、滤波电容器组、有源滤波器、指令电流运算器和PWM控制器，所述五绕组变压器包括一次侧高压绕组、二次侧低压绕组、两个感应滤波绕组和一个有源滤波绕组，其中一次侧高压绕组与交流电网相连，二次侧低压绕组与变流器相连，变流器与负载相连，五绕组变压器的两个感应滤波绕组均连接有一个滤波电容器组，有源滤波绕组与有源滤波器相连，所述感应滤波绕组与滤波电容器组之间设有第一电流测量装置，所述二次侧低压绕组与变流器之间设有第二电流测量装置，所述第一电流测量装置、第二电流测量装置分别与指令电流运算器相连，指令电流运算器与PWM控制器相连，PWM控制器与有源滤波器相连。
[0008]所述磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统还包括高通滤波器，所述高通滤波器分别与有源滤波器、有源滤波绕组相连。
[0009]所述的两个滤波电容器组一个为5次或11次特征谐波滤波电容器组，另一个为7次或13次特征谐波滤波电容器组。
[0010]所述第一电流测量装置为电流传感器。
[0011 ] 所述第二电流测量装置为电流传感器。
[0012]本发明的有益效果在于:
[0013]( I)本发明采用磁集成技术，设计成五绕组变压器，使得该五绕组变压器两个感应滤波绕组的等值漏电抗分别与所连接的滤波电容器组在特定次谐波频率下可完全达到串联谐振状态，然后通过五绕组变压器内部的电磁感应机理，对特征谐波进行滤波，并且对基波进行无功补偿。此种感应滤波不必考虑电网系统阻抗的影响以进行繁琐的偏调谐设计，从根本上摆脱了电网系统阻抗对滤波效能的制约作用，另外，滤波电抗器完全与五绕组变压器集成一体，消除了由滤波电抗器所占的体积。
[0014](2)本发明的五绕组变压器有源滤波绕组连接有有源滤波器，对除了感应滤波滤除谐波的其他次谐波进行滤波，并对基波进行无功补偿，这相当于将有源滤波器的隔离变压器磁集成配电变压器，消除了隔离变压器所占的体积。
[0015](3)本发明能在靠近非线性负载侧，实现谐波和无功的就近抑制和补偿，这不仅降低了所述五绕组变压器的附加损耗、温升、振动与噪音，而且实现了整个工业整流供电系统的闻功率因数和闻效率稳定运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明的电路结构示意图。
[0017]图2为本发明的单相等值电路图。
[0018]图1中:1、五绕组变压器，2、第一滤波电容器组，3、第二滤波电容器组，4、指令电流运算器，5、PWM控制器，6、第一电流测量装置，7、第二电流测量装置，8、高通滤波器，9、变流器，10、负载，11、交流电网，12、有源滤波器；
[0019]图2中分别为五绕组变压器的一次侧高压绕组、二次侧低压绕组、第一感应滤波绕组、第二感应滤波绕组、有源滤波绕组的等值电感；LS为电网的等值电感；C3、C4分别为第一滤波电容器组、第二滤波电容器组的滤波电容；IU、ILh为负载侧基波无功电流和谐波电流；131、I3h为第一感应滤波绕组侧电容负载基波无功电流和谐波电流；141、I4h为第二感应滤波绕组侧电容负载基波无功电流和谐波电流；151、I5h为有源滤波器产生的基波无功电流和谐波电流；IS1、Ish电网侧基波无功电流和谐波电流。
【具体实施方式】[0020]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0021]如图1所示，本发明包括五绕组变压器1、第一滤波电容器组2、第二滤波电容器组3、指令电流运算器4、PWM控制器5、第一电流测量装置6、第二电流测量装置7、高通滤波器8、变流器9、有源滤波器12，所述五绕组变压器I包括一次侧高压绕组、二次侧低压绕组、第一感应滤波绕组、第二感应滤波绕组和一个有源滤波绕组，其中一次侧高压绕组与交流电网I相连，二次侧低压绕组与变流器9相连，变流器9与负载10相连，五绕组变压器的第一感应滤波绕组、第二感应滤波绕组分别与第一滤波电容器组2、第二滤波电容器组3相连，有源滤波绕组与有源滤波器12相连，所述第一感应滤波绕组与第一滤波电容器组2之间、第二感应滤波绕组与第二滤波电容器组3之间设有第一电流测量装置6，所述二次侧低压绕组与变流器9之间设有第二电流测量装置7，所述第一电流测量装置6、第二电流测量装置7为电流传感器，所述第一电流测量装置6、第二电流测量装置7分别与指令电流运算器4相连，指令电流运算器4与PWM控制器5相连，PWM控制器与有源滤波器12相连，所述高通滤波器8分别与有源滤波器12、有源滤波绕组相连；所述第一滤波电容器组2为5次或11次特征谐波滤波电容器组，第二滤波电容器组3为7次或13次特征谐波滤波电容器组。[0022]第一滤波电容器组2、第二滤波电容器组3与第一感应滤波绕组、第二感应滤波绕组的等值漏电感匹配分别对5、7次(或11、13次)特征谐波发生完全谐振，对变流器9产生的5、7次(或11、13次)特征谐波进行感应滤波。指令电流运算器4输入端与第一电流测量装置6，第二电流测量装置7相连，将第一电流测量装置6、第二电流测量装置7测量的电流进行分析运算，输出有源滤波器12的指令电流，即除去感应滤波后仍需要补偿的谐波及无功电流。指令电流运算器4输出端与PWM控制器5相连，PWM控制器5接受指令电流信息，控制有源滤波器12产生需要的谐波及无功电流。二阶高通滤波器8用来滤除有源滤波器12产生的高频谐波。
[0023]本发明采用感应滤波和有源滤波相结合的混合滤波方式，达到了传统无源滤波和有源滤波的效果，并且具有高度集成、体积小；全调谐、无谐波放大的特点，实现了谐波与无功的就近动态连续治理，使电网侧得到高质量的电能。
[0024]图2阐述了本发明的滤波及无功补偿原理。若考虑变流器9 (谐波源)侧产生的h次(h=5，7，11，13)特征谐波电流Iui,则谐波电流Iui馈入至电网侧所导致的电网侧h次谐波电流的含量Ish，也即五绕组变压器I的一次侧高压绕组存在的h次谐波电流Ilh，可表示为:
【权利要求】
1.一种磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统，其特征在于:包括五绕组变压器、变流器、滤波电容器组、有源滤波器、指令电流运算器和PWM控制器，所述五绕组变压器包括一次侧高压绕组、二次侧低压绕组、两个感应滤波绕组和一个有源滤波绕组，其中一次侧高压绕组与交流电网相连，二次侧低压绕组与变流器相连，变流器与负载相连，五绕组变压器的两个感应滤波绕组均连接有一个滤波电容器组，有源滤波绕组与有源滤波器相连，所述感应滤波绕组与滤波电容器组之间设有第一电流测量装置，所述二次侧低压绕组与变流器之间设有第二电流测量装置，所述第一电流测量装置、第二电流测量装置分别与指令电流运算器相连，指令电流运算器与PWM控制器相连，PWM控制器与有源滤波器相连。
2.如权利要求1所述的磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统，其特征在于:还包括高通滤波器，所述高通滤波器分别与有源滤波器、有源滤波绕组相连。
3.如权利要求1所述的磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统，其特征在于:所述的两个滤波电容器组一个为5次或11次特征谐波滤波电容器组，另一个为7次或13次特征谐波滤波电容器组。
4.如权利要求1所述的磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统，其特征在于:所述第一电流测量装置为电流传感器。
5.如权利要求1所述的磁集成式混合型电力滤波与无功补偿系统，其特征在于:所述第二电流测量装置为电流传感器。
【文档编号】H02J3/01GK103515960SQ201310461767
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】陈跃辉, 周冠东, 许加柱, 罗隆福, 王灿, 马芳 申请人:国网湖南省电力公司, 湖南大学, 湖南华大电工高科技有限公司