本發(fā)明屬于有源電力濾波技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

隨著電力電子非線性負荷在工業(yè)和民用現(xiàn)場應(yīng)用越來越廣泛，電網(wǎng)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(shù)問題，工業(yè)界已提出多種應(yīng)對方案，其中主要的濾波方案包括傳統(tǒng)無源lc濾波器、傳統(tǒng)并聯(lián)有源電力濾波器、串聯(lián)混合型有源電力濾波器、注入型混合有源電力濾波器及統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)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(lián)混合型有源電力濾波器由于能極大提高諧波阻抗(起“諧波隔離器”作用)而引發(fā)廣泛關(guān)注。但是目前均采用諧波電流全補償?shù)姆绞?，所需變壓器容量較大，因此其在保護策略及穩(wěn)定性等方面存在一系列問題，具體如下：

1)串聯(lián)有源電力濾波器的整體系統(tǒng)需要定制保護策略。逆變器組件串聯(lián)于電源和負載之間，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沖突。傳統(tǒng)基于基波磁通補償?shù)拇?lián)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，當所用變壓器確定后，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(shè)計取決于考慮系統(tǒng)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?shù)臉O端情況，該串聯(lián)變壓器的設(shè)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沖突。為了便于保護并提高裝置的可靠性，變壓器勵磁阻抗也應(yīng)該設(shè)計得較小，否則一旦裝置處于非正常運行狀態(tài)，逆變器輸出電壓將會非常高。

4)諧波電流全補償時，系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。通常高次諧波及某些低次諧波(根據(jù)具體應(yīng)用場合確定)幅值較低，針對上述諧波采用如無源濾波器等更為經(jīng)濟簡便的方法進行濾波時，也能取得較為滿意的效果；而采用諧波電流全補償時，不僅占用有源電力濾波器容量、增加成本，還會嚴重降低系統(tǒng)穩(wěn)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(xiàn)有串聯(lián)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(fā)廣泛關(guān)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，當所用變壓器確定后，其諧波等效阻抗為定值，為取得較好濾波效果，需采用較大容量變壓器；另一方面，現(xiàn)有串聯(lián)混合型有源電力濾波器均采用電流全補償?shù)姆绞剑瑯O大降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且由于增加了變壓器及系統(tǒng)各開關(guān)器件容量而增加了成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)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，當所用變壓器確定后，其諧波等效阻抗為定值，為取得較好濾波效果，需采用較大容量變壓器；且現(xiàn)有有源電力濾波器均采用電流全補償?shù)姆绞?，極大降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性，并且由于增加了變壓器及系統(tǒng)各開關(guān)器件容量而增加了成本的技術(shù)問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種針對指定次諧波的有源電力濾波裝置，適用于包括系統(tǒng)電源和諧波負載的電路，該裝置包括：變壓器、逆變器、調(diào)制信號生成模塊。變壓器的一次側(cè)繞組與所述諧波負載串聯(lián)，接入所述系統(tǒng)電源和諧波負載構(gòu)成的回路，流過所述變壓器一次側(cè)繞組的電流包括基波電流和諧波電流；調(diào)制信號生成模塊用于生成所述逆變器的調(diào)制信號，所述調(diào)制信號由反向放大后的一次側(cè)基波電流和正向放大后的一次側(cè)指定次諧波電流疊加生成；逆變器用于將直流信號轉(zhuǎn)變成與所述調(diào)制信號同頻率的交流電流信號并注入所述變壓器二次側(cè)繞組，以使所述變壓器一次側(cè)基波等效阻抗為z1+(1-α)zm，變壓器一次側(cè)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(cè)漏抗，zm為變壓器的勵磁阻抗，n為指定次諧波次數(shù)，α和β分別為基波控制系數(shù)和指定次諧波控制系數(shù)，其分別通過調(diào)制信號中一次側(cè)基波電流的放大倍數(shù)和一次側(cè)指定次諧波電流的放大倍數(shù)來調(diào)節(jié)。

本發(fā)明通過基于變壓器一次側(cè)的基波和指定次諧波磁通混合控制，使得一次側(cè)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(cè)基波等效阻抗為z1+(1-α)zm，變壓器一次側(cè)第n次諧波等效阻抗為nz1+(1+β)nzm，本發(fā)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(cè)基波等效阻抗為0(相對基波短路)和一次側(cè)指定次諧波等效阻抗很大(相對指定次諧波開路)。采用指定次諧波補償，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采用無源濾波器等更為經(jīng)濟的方式濾波，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低濾波成本。

可選地，調(diào)制信號生成模塊包括：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?；娏鳈z測單元，用于從流過所述變壓器一次側(cè)繞組的電流中檢測所述一次側(cè)的基波電流；諧波電流檢測單元，用于從流過所述變壓器一次側(cè)繞組的電流中檢測所述一次側(cè)的指定次諧波電流；基波電流放大器，用于對所述一次側(cè)的基波電流進行反向放大；諧波電流放大器，用于對所述一次側(cè)的指定次諧波電流進行正向放大；疊加單元，用于將反向放大后的一次側(cè)的基波電流和正向放大后的一次側(cè)的指定次諧波電流疊加，生成調(diào)制信號。

可選地，調(diào)制信號iref為：

其中，為變壓器一次側(cè)電流i1中的基波分量，即為一次側(cè)基波電流，為變壓器一次側(cè)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(cè)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(shù)，k2為指定次諧波電流放大器的放大倍數(shù)。

可選地，變壓器二次側(cè)的電流i2為：kpwm為所述逆變器的增益；所述變壓器二次側(cè)繞組電流等效到變壓器一次側(cè)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(cè)基波等效阻抗和變壓器一次側(cè)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(cè)繞組兩端的電壓；變壓器一次側(cè)基波等效阻抗為：

變壓器一次側(cè)第n次諧波等效阻抗為：

其中，為變壓器一次側(cè)繞組兩端的基波電壓，為變壓器一次側(cè)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(cè)繞組電流等效到變壓器一次側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)繞組對基波等效短路。

可選地，通過設(shè)置β的取值，使得變壓器一次側(cè)第n次諧波等效阻抗為高阻，此時變壓器一次側(cè)繞組對第n次諧波等效開路。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1)基于基波和指定次諧波磁通混合控制，串聯(lián)變壓器一次側(cè)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系數(shù)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(shè)計指定次諧波控制系數(shù)，使得變壓器一次側(cè)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??；當采用相同容量的變壓器時，濾波效果更佳。

3)本發(fā)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(jù)具體應(yīng)用場合確定)則采用無源濾波器等更為經(jīng)濟的方式濾波，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低濾波成本。

4)簡化的無源濾波器設(shè)計，在采用相同的變壓器時，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(fā)明實施例提供的有源電力濾波裝置接入電網(wǎng)的單相原理示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的有源電力濾波裝置接入三相系統(tǒng)的電路示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為本發(fā)明實施例提供的有源電力濾波裝置接入電網(wǎng)的單相原理示意圖。如圖1所示，電網(wǎng)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(diào)制信號生成模塊103。

為減小有源電力濾波裝置的容量并提高其穩(wěn)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(xié)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l(wèi)3和電容c3串聯(lián)支路，5次諧波濾波支路：電感l(wèi)5和電容c5串聯(lián)支路。可以理解的是，根據(jù)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(fā)明實施例不對此做任何限定，僅用作舉例說明本發(fā)明。

如圖1所示，us代表理想系統(tǒng)電壓源，uh為諧波源，代表系統(tǒng)電源的各類畸變(比如電壓跌落，諧波等)，ls表示系統(tǒng)電壓源的阻抗。變壓器一次側(cè)的電流為i1。cd和ld構(gòu)成lc濾波電流，用于濾除逆變器102開關(guān)頻率處的諧波。變壓器101的一次側(cè)端口設(shè)為ax端口，二次側(cè)端口設(shè)為ax端口。

逆變器102以三角波為載波，采用正弦脈沖寬度調(diào)制spwm控制策略，控制電壓源逆變器跟隨調(diào)制信號生成一可控電流，該可控電流經(jīng)過一個lc濾波器濾波后注入耦合變壓器二次側(cè)繞組，則變壓器二次側(cè)繞組電流中同時含有控制系數(shù)不同的基波電流和諧波電流。逆變器直流側(cè)電壓ud有三種來源方式：1)直流側(cè)接一個電容器，通過控制逆變器使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定；2)直流側(cè)接一個蓄電池，通過控制逆變器得到穩(wěn)定的直流側(cè)電壓；3)通過電力系統(tǒng)感應(yīng)取電，經(jīng)過整流得到穩(wěn)定的直流側(cè)電壓。

變壓器101一次側(cè)繞組與諧波負載串聯(lián)，接入系統(tǒng)電源us和諧波負載構(gòu)成的回路，流過變壓器一次側(cè)繞組的電流包括一次側(cè)基波電流和一次側(cè)諧波電流k為諧波次數(shù)，k>0，且k≠1。

調(diào)制信號生成模塊103用于生成逆變器102的調(diào)制信號iref，iref由反向放大后的一次側(cè)基波電流和正向放大后的一次側(cè)指定次諧波電流疊加生成，n為指定次諧波次數(shù)，n>0，且n≠1。

逆變器102用于將ud提供的直流信號轉(zhuǎn)變成與iref同頻率的交流電流信號i2并注入變壓器二次側(cè)繞組，以使所述變壓器一次側(cè)基波等效阻抗為z1+(1-α)zm，變壓器一次側(cè)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(cè)漏抗，zm為變壓器的勵磁阻抗，α和β分別為基波控制系數(shù)和指定次諧波控制系數(shù)，其分別通過調(diào)制信號中一次側(cè)基波電流的放大倍數(shù)和一次側(cè)諧波電流的放大倍數(shù)來調(diào)節(jié)。

調(diào)制信號生成模塊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，用于檢測一次側(cè)的基波電流諧波電流檢測單元，用于檢測一次側(cè)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(huán)節(jié)傳遞函數(shù)分別為gfund(s)和ghn(s)，

另外，確定流過變壓器一次側(cè)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(cè)電流后的濾波環(huán)節(jié)。

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(huán)節(jié)，電流互感器串接在給負載供電的系統(tǒng)母線上，感應(yīng)線路電流并將其送入電流檢測環(huán)節(jié)，基波電流檢測環(huán)節(jié)從系統(tǒng)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(huán)節(jié)從系統(tǒng)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，用于對所述一次側(cè)的基波電流進行反向放大；諧波電流放大器，用于對所述一次側(cè)的指定次諧波電流進行正向放大?；ǚ糯笃骱椭C波放大器的放大倍數(shù)(增益)分別為-k1和k2。

疊加單元，用于將反向放大后的一次側(cè)的基波電流和正向放大后的一次側(cè)的指定次諧波電流疊加，生成調(diào)制信號iref，

其中，為變壓器一次側(cè)電流i1中的基波分量，即為一次側(cè)基波電流，為變壓器一次側(cè)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(shù)，k2為指定次諧波電流放大器的放大倍數(shù)。

將逆變器102等效為一階小慣性環(huán)節(jié)，電壓源型逆變器的傳遞函數(shù)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(huán)節(jié)。

變壓器101二次側(cè)的電流i2為：kpwm為逆變器的增益；變壓器二次側(cè)繞組電流等效到變壓器一次側(cè)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(cè)基波等效阻抗和變壓器一次側(cè)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(cè)繞組兩端的電壓，u2′為變壓器二次側(cè)繞組兩端電壓等效到一次側(cè)的電壓，z2′為變壓器二次側(cè)等效到一次側(cè)的漏抗。

從ax端口看見去，變壓器一次側(cè)基波等效阻抗為：

變壓器一次側(cè)第n次諧波等效阻抗為：

為變壓器一次側(cè)繞組兩端的基波電壓，為變壓器一次側(cè)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(cè)繞組電流等效到變壓器一次側(cè)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(cè)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(cè)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(cè)繞組對基波等效短路。

可選地，通過設(shè)置β的取值，使得變壓器一次側(cè)第n次諧波等效阻抗為高阻，此時變壓器一次側(cè)繞組對第n次諧波等效開路。

合理設(shè)置諧波控制系數(shù)β，則變壓器一次側(cè)繞組對指定次諧波等效為高阻，配合無源濾波支路(即應(yīng)用于串聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)中)時，能對指定次諧波起到非常好的衰減作用。此外，相對于基于基波磁通補償?shù)拇?lián)混合型有源電力濾波器(諧波等效阻抗為nz1+nzm)，基于基波和諧波磁通混合補償?shù)拇?lián)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系數(shù)(1+β)，因此在采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)。采用指定次諧波補償，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(jù)具體應(yīng)用場合確定)則采用無源濾波器等更為經(jīng)濟的方式濾波，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性并降低濾波成本。

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(tǒng)電源和諧波負載之間。由于變壓器原、副(一次側(cè)、二次側(cè))方繞組的雙邊勵磁作用，變壓器一次側(cè)繞組對基波和諧波分別等效為兩個控制系數(shù)不同的可調(diào)電抗?？刂品糯笃鲉卧幕ê椭C波增益系數(shù)，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(cè)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，可采用多個指定次諧波電流檢測環(huán)節(jié)并將其集成為一個各次指定諧波電流檢測單元。三相系統(tǒng)下可以參考單相系統(tǒng)，在每一相上單獨使用采用小容量變壓器的指定次諧波補償?shù)挠性措娏V波器。三相線路上各放大器單元單獨控制，發(fā)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(tǒng)的電路示意圖。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。