新结构全频谱电力有源滤波器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种新结构全频谱电力有源滤波器，包含谐波变压器XBa初级线圈XBa‑1和电容器Ca构成的LC串联谐波分离电路，其特征是：分离纯谐波的方法，是利用电感器的感抗与频率成正比、电容器的容抗与频率成反比的特性，把含有谐波的非正弦波电压Ua加在LC串联电路上，就能在电感L即谐波变压器的初级线圈XBa‑1上分离出高频率的纯谐波电压Ux，在电容器Ca上分离出低频率的基波电压Uc；由于线圈XBa‑1、XBa‑2互为反向连接，使基波电流I1、I2在谐波变压器内产生的磁通量互相对消，两线圈的工频电抗变为零，两线圈对基波呈现零压降，基波电压就全部降落在电容Ca上，从而达到纯谐波与基波的完全分离。

Full spectrum active power filter with new structure

The utility model relates to a new structure of the whole spectrum of active power filter, harmonic transformer primary coil XBa contains 1 XBa and capacitor composed of Ca LC series harmonic separation circuit, which is characterized in that the separation method of pure harmonic, using inductor inductance is proportional to the frequency, the capacitor capacitance varies inversely with the frequency of the the characteristics of harmonics of non sinusoidal voltage Ua in LC series circuit, in which the primary coil inductance can L XBa harmonic transformer 1 isolated pure harmonic voltage Ux high frequency, low frequency isolated base wave voltage on the capacitor Uc Ca; XBa XBa, 1 coil due to 2 mutual reverse connection, the fundamental magnetic flux current of I1 and I2 produced in the transformer in each harmonic cancellation, two frequency reactance coil becomes zero, two coil presents the zero voltage drop on the fundamental, the fundamental voltage all landed in Capacitor Ca, so as to achieve pure harmonic and fundamental separation.

【技术实现步骤摘要】
一、所属
本专利技术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，这种装置采用了简单有效的谐波分离技术——LC串联谐波分离法。这是一种不需要逆变、完全利用谐波本身能量来消除谐波本身的有源滤波装置，属谐波治理和节能
二、
技术介绍
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：1、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。2、各种交直流换流装置(整流器、逆变器、变频调速器)以及晶闸管可控开关设备等，在化工、冶金、矿山等大量工矿企业广泛使用。3、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。4、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。三相电力谐波具有如下特性：谐波的相序性：各次谐波的相序是不相同的，分正序、负序和零序三类，三相电力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最大，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柱铁芯中互相对顶，零序谐波阻抗为零，从而造成零序谐波短路所致。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。其他相序高次谐波的危害：(1)谐波对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。谐波的独立性：各种不同频率的谐波虽然出现在同一电网上，但它们却是独立的，同一时间它们只是瞬时值叠加而已。这就好像一支乐队，有多种乐器同时演奏，虽然是不同频率的音波，但我们的耳朵却能分别出是什么乐器在演奏。由于谐波具有独立性，我们就必定有办法将它们从电网中分离出来。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，使其与某次谐波产生谐振，当发生谐振时，滤波器对该次谐波呈现出很小阻抗或很大阻抗，从而短路或阻断该次谐波，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滤波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，一组LC无源滤波器只能滤除一个固定频率的谐波，要滤除多个频率的谐波，需要多组LC无源滤波器，成本、体积、功耗将成倍增长，无法承受。总之，LC无源滤波器缺点很多。2、现有有源滤波器工作原理早在1970年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF(ActivePowerFilter)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及无功功率进行补偿，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、
技术实现思路
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，既然谐波已经存在于电网上，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？本专利技术的目的，就是专利技术一种不用逆变、技术实用、结构简单、造价低廉、滤波效果复盖电力全频谱谐波的有源滤波器，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，最重要的工作就是如何从电网中把全频谱(多达几百次以上)的纯谐波电压分离出来，反相后送回电网以抵消原有自然谐波。本专利技术原理：由LC串联电路构成(参考图4)，经理论分析和实际试验，在LC串联电路中，根据L、C的频率特性，适当选择LC的参数，就能实现电容器C主要承接低频率基波的电压降、电感器L主要承接高频率谐波的电压降，从而实现全频谱纯谐波与基波的分离。本专利技术实际电路参考图7：图7中，由谐波变压器XBa初级线圈XBa-1和电容器Ca构成LC串联谐波分离电路。分离纯谐波的方法，是利用电感器的感抗与频率成正比、电容器的容抗与频率成反比的特性，把含有谐波的非正弦波电压Ua加在LC串联电路上，就能在电感L即谐波变压器的初级线圈XBa-1上分离出高频率的纯谐波电压Ux，在电容器Ca上分离出低频率的基波电压Uc；由于线圈XBa-1、XBa-2互为反向连接，使基波电流I1、I2在谐波变压器内产生的磁通量互相对消，两线圈的工频电抗为零，两线圈对基波呈现零压降，基波电压就全部降落在电容Ca上，从而达到纯谐波与基波的完全分离。纯谐波电压Ux经谐波变压器XBa的次级线圈XBa-2变换为反相纯谐波电压U′x，此反相电压与电容器电压Uc叠加后，成为新的非正弦波电压，由于其波形包含反相谐波电压，根据电力有源滤波原理，将此合成非正弦波电压注入电网中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新结构全频谱电力有源滤波器，包含谐波变压器XBa初级线圈XBa‑1和电容器Ca构成的LC串联谐波分离电路，其特征是：分离纯谐波的方法，是利用电感器的感抗与频率成正比、电容器的容抗与频率成反比的特性，把含有谐波的非正弦波电压Ua加在LC串联电路上，就能在电感L即谐波变压器的初级线圈XBa‑1上分离出高频率的纯谐波电压Ux，在电容器Ca上分离出低频率的基波电压Uc；由于线圈XBa‑1、XBa‑2互为反向连接，使基波电流I1、I2在谐波变压器内产生的磁通量互相对消，两线圈的工频电抗变为零，两线圈对基波呈现零压降，基波电压就全部降落在电容Ca上，从而达到纯谐波与基波的完全分离；纯谐波电压Ux经谐波变压器XBa的次级线圈XBa‑2变换为反相纯谐波电压U′x，此反相电压与电容器电压Uc叠加后，成为新的非正弦波电压，由于其波形包含反相谐波电压，根据电力有源滤波原理，将此合成非正弦波电压注入电网中，就能抵消原有谐波，实现全频谱电力有源滤波的目的；谐波变压器XBa是一个双线圈变压器，其初级线圈XBa‑1上端头与谐波隔离阻抗LZa的左端头连接，次级线圈XBa‑2上端头与谐波隔离阻抗LZa的右端头连接；两个线圈的下端头与电容器Ca的上端头连接，电容器Ca的下端头与用户配电变压器BH的零线连接；谐波隔离阻抗LZa的左端头与用户配电变压器BH低压侧的a相端头连接，其右端头与谐波负载a相连接。...

【技术特征摘要】
1.一种新结构全频谱电力有源滤波器，包含谐波变压器XBa初级线圈XBa-1和电容器Ca构成的LC串联谐波分离电路，其特征是：分离纯谐波的方法，是利用电感器的感抗与频率成正比、电容器的容抗与频率成反比的特性，把含有谐波的非正弦波电压Ua加在LC串联电路上，就能在电感L即谐波变压器的初级线圈XBa-1上分离出高频率的纯谐波电压Ux，在电容器Ca上分离出低频率的基波电压Uc；由于线圈XBa-1、XBa-2互为反向连接，使基波电流I1、I2在谐波变压器内产生的磁通量互相对消，两线圈的工频电抗变为零，两线圈对基波呈现零压降，基波电压就全部降落在电容Ca上，从而达到纯谐波与基波的完全分离；纯谐波电压U...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈甲标，
申请(专利权)人：陈甲标，
类型：新型
国别省市：广西;45