本發明屬于有源電力濾波器技術領域，具體涉及一種有源諧波隔離器。

背景技術：

綠色能源和節能環保的迫切需求推動了電力電子技術的發展，電力電子裝置屬于非線性裝置，諧波和功率因數問題在所難免，無源電力濾波器和有源電力濾波器是目前研究最多最成熟且應用最廣的兩種濾波方案。無源濾波器技術成熟，成本低廉，可靠性高，可用于高低壓系統；在實際應用中，無源濾波器有以下不足：

1)濾波效果非常依賴系統的內阻，低壓系統中系統內阻非常小，濾波效果大打折扣；

2)一條lc支路只能補償一定頻率的諧波，無源濾波器設計為了達到需要的濾波效果，需要裝設的濾波支路數很多，加劇了設計難度的同時增加了諧振的風險；

3)系統內阻抗和無源濾波器可能會產生諧振，導致某些諧波放大；

4)一旦裝設在電網上就固定不變，沒法對變化的諧波電流(電壓)進行動態補償；

5)重量與體積較大等。

為了解決無源濾波器的上述缺點，學者們提出了有源電力濾波器的概念，有源電力濾波器能夠同時對不同大小和頻率的諧波進行快速跟蹤補償，可以同時濾除多次諧波，不依賴系統阻抗，不會引起諧振，基本解決了無源濾波器的上述缺點，但是在實際應用中又遇到了下列問題：

1)有源濾波器成本較高，目前主要用于低壓系統；

2)并聯型有源濾波器采用的高頻變換器從本質上來說是一個boost的原理，所以直流母線電壓較高，降低了系統的可靠性；

3)無論是電壓型諧波源還是電流型諧波源，會導致負載電流的放大效應；

4)針對電壓型諧波負載還有可能出現二次波頭的現象。

上述無源濾波器和有源濾波器一般都是并聯在電力系統，并聯型濾波裝置一般只適合于電流源型諧波源的濾波，但無法抑制大電網或者新能源接入系統的背景諧波。從成本和可靠性等因素綜合考慮，有源電力濾波器主要用于低壓系統，而無源濾波器可以用于高壓和低壓系統。一般來說濾除高次諧波可行的方法就是在線路中串聯一個交流電感或者并聯一個濾波電容，上面兩種方案就是構建一個諧波的低通支路，和很多電子設備為了防止電磁兼容串聯一個磁珠的原理一樣。目前有些中小功率的不控整流器就有在線路中串聯4％左右電感來抑制諧波的具體應用，但是串聯電感在線路中隔離了諧波的同時也會有一定的基波壓降，為此我們提出了基于基波磁通補償的思想使其基波壓降非常小，對線路基本沒有影響。但是基于基波磁通補償的有源電力濾波器串聯在線路中，接入線路不方便，因此這里提出一種即插即用的有源諧波隔離器，采用特制互感器(類似于電流互感器)的接入方式，互感器一次側為一匝的電網線路，這樣不改變電網側原有的線路結構，僅改變互感器的鐵芯長度，達到諧波隔離的效果。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種即插即用集成模塊化有源諧波隔離器，旨在解決非線性裝置引起的諧波和低功率因數等問題。

本發明提供了一種即插即用集成模塊化有源串聯補償器，包括：電流檢測模塊，逆變控制模塊和特制互感器；所述電流檢測模塊用于檢測入網電流中的基波電流以及通過逆變器施加電壓在特制互感器二次側后產生的反饋電流；所述特制互感器包括一次側繞組和二次側繞組，其中，一次側繞組作為母排接入電網，二次側繞組沿著軸向方向繞制，并與逆變控制模塊的輸出端連接；所述逆變控制模塊的輸入端連接直流側電壓，所述逆變控制模塊的控制端連接至所述電流檢測模塊的輸出端，所述逆變控制模塊用于根據參考電流信號輸出用于控制所述互感器二次側產生反饋電流的控制電壓。

更進一步地，所述電流檢測模塊包括：基波電流檢測單元、反饋電流檢測單元和加法器；所述基波電流檢測單元的輸入端連接至電網，所述反饋電流檢測單元的輸入端連接至所述互感器二次側，所述加法器的第一輸入端連接至基波電流檢測單元的輸出端，所述加法器的第二輸入端連接至反饋電流檢測單元的輸出端，所述加法器用于將所述基波電流與所述反饋電流相加后輸出所述參考電流信號。

更進一步地，逆變控制模塊包括：逆變器、pwm控制驅動單元和濾波單元；所述pwm控制驅動單元的輸入端連接至所述加法器的輸出端，所述逆變器的輸入連接直流側電壓，所述逆變器的控制端連接至所述pwm控制驅動單元的輸出端，所述濾波單元的輸入端連接至逆變器的輸出端，所述濾波單元的輸出端連接所述互感器二次側；所述pwm控制驅動單元用于根據所述參考電流信號產生用于控制逆變器中開關管導通的pwm波信號；所述逆變器在所述pwm波信號的控制下，將直流側電壓逆變為所述控制電壓。

更進一步地，特制互感器中一次側繞組和二次側繞組的匝數比k＝w1/w2，其中，w1為一次側繞組的匝數，w2為二次側繞組的匝數，w2大于w1。

更進一步地，特制互感器的電感l＝w1²μa/l，μ為鐵芯的磁導率，a為鐵芯截面積，l為平均磁路長度。

更進一步地，特制互感器的鐵芯為細長圓柱狀或長方體狀。

本發明提供的有源諧波隔離器為單相結構，即插即用，采用閉口電流特制互感器式或者開口特制互感器式的接入方式；模塊集成，本方案初定將逆變器的直流母線電壓的整流器和逆變器設計在一起，并和特殊設計的電流互感器做成一個標準化的模塊，如果系統的阻抗不足，可以直接在線路中多串聯幾個。

逆變控制模塊將檢測到的特制互感器一次側基波電流乘以一增益系數后作為其指令電流，然后電力電子逆變器產生一個基波電流施加到特制互感器的二次側，其輸出的電流經過一個lc濾波電路后通過一個特制互感器單元接入系統。

特制互感器特制鐵芯呈細長圓柱狀或長方體狀以減小平均磁路長度、增大磁路截面積，從而增加一次側等效阻抗。常規電流互感器只起檢測電流作用，因此它的鐵芯長度比較短。本方案提出的特制互感器主要起諧波隔離作用，如果采用常規電流互感器結構，將導致互感器一次側等效阻抗過小，起不到諧波隔離的作用，所以本方案采用增加電流互感器的鐵芯的長度獲得一個特制互感器，使電網側等效阻抗滿足要求。在實際應用中，可根據需要濾除的諧波的幅值和次數來具體確定互感器的實際結構尺寸。

工作時，通過調節α，便可改變特制互感器二次側的磁勢，因而改變了特制互感器鐵芯中的主磁通，特制互感器的一次側便會呈現無級可調阻抗。其對基波呈現很小的漏阻抗，基波能夠正常流通，對諧波呈現很大的勵磁阻抗，阻止諧波流入電網側，起到諧波隔離的作用。

本發明所述的即插即用集成模塊化有源諧波隔離器和現有串聯型濾波器相比主要具有如下特點：

(1)即插即用，采用閉口電流互感器式或者開口互感器式的接入方式，接入簡單且對電網本身結構無影響。

(2)特制結構，常規電流互感器主要起電流檢測作用，因此它的鐵芯長度比較短。本方案提出的特制互感器主要起諧波隔離的作用，如果采用常規電流互感器結構，將導致互感器一次側等效阻抗過小，起不到諧波隔離的作用，所以本方案采用增加電流互感器鐵芯的長度來獲得一個特制互感器，使電網側等效阻抗滿足要求。

(3)改進控制，通過在特制電流互感器的二次側采用有源的方式注入一個與一次側電流頻率相同、相位相反的電流，改變特制互感器的二次側注入電流的大小便可實現特制電流主磁通的連續可調，從而實現特制互感器一次側阻抗的連續可調。

(4)模塊集成，本方案初定將逆變器的直流母線電壓的整流器和逆變器設計在一起，并和特殊設計的電流互感器做成一個標準化的模塊，如果諧波隔離器的阻抗不足，可以直接在線路中多串聯幾個一起使用。

(5)實現無線通訊，當模塊用于三相系統時，不同模塊之間相位關系通過無線通訊進行傳遞；當多個模塊用于單相系統時，不同模塊之間的補償量的大小關系通過無線通訊進行傳遞。

(6)高低壓通用，有源濾波器一般用于低壓系統，但是本發明既可用于低壓系統也可用于高壓系統。

附圖說明

圖1本發明提出的有源諧波隔離器通過特制互感器耦合接入電網的單相原理電路；

圖2為特制互感器基波等效電路圖；

圖3為特制互感器諧波等效電路圖；

圖4(a)和(b)分別為本發明提出的閉口柱狀鐵芯特制互感器的一次側、二次側示意圖；其中，(a)為閉口空心圓柱鐵芯特制互感器一次側結構示意圖，(b)為閉口空心柱狀鐵芯特制互感器二次側結構示意圖；

圖5(a)和(b)分別為本發明提出的開口柱狀鐵芯特制互感器的一次側、二次側示意圖；其中，(a)為開口空心柱狀鐵芯特制互感器一次側結構示意圖，(b)為開口空心柱狀鐵芯特制互感器二次側結構示意圖；

圖6(a)和(b)分別為本發明提出的適用于母排的閉口特制互感器的一次側、二次側示意圖；其中，(a)為適用于母排的閉口特制互感器一次側結構示意圖；(b)為適用于母排的閉口特制互感器二次側結構示意圖；

圖7(a)和(b)分別為本發明提出的適用于母排的開口特制互感器的一次側、二次側示意圖；其中，(a)為適用于母排的開口特制互感器一次側結構示意圖；(b)適用于母排的開口特制互感器二次側結構示意圖；

圖8為本發明接入三相系統結構示意圖；

其中，1為電網線，2為圓柱鐵芯，3為二次繞組，4為母排，5為長方體鐵芯。

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，并不用于限定本發明。

本發明基于一種磁通可控的可調電抗器的原理，通過在鐵芯帶氣隙的特制互感器的二次側采用有源的方式注入一個與一次側電流頻率相同、相位相反的電流，改變特制互感器的二次側注入電流的大小便可實現互感器主磁通的連續可調，從而實現互感器一次側阻抗的連續可調。與現有的可調電抗器相比，當互感器鐵芯中帶有氣隙時，該磁通可控的可調電抗器沒有飽和現象，不產生諧波并可以實現電抗值的無級可調。但是當該磁通可控的可調電抗器用作有源諧波隔離器時，其一次側需要串聯接入電網中，需要電網停電并且斷開電網線路，改變了電網本來的結構。

為了有源諧波隔離器易于接入電網且不改變電網本來的結構，本發明提出了一種即插即用模塊化有源諧波隔離器。

本發明提供的單相有源諧波隔離器包括：電流檢測模塊，逆變控制模塊和特制互感器；電流檢測模塊用于檢測入網電流中的基波電流以及通過逆變器施加在特制互感器二次側后產生的反饋電流；特制互感器包括一次側繞組和二次側繞組，其中，一次側繞組作為母排接入電網，二次側繞組沿著軸向方向繞制，并與逆變控制模塊的輸出端連接；逆變控制模塊的輸入端連接直流側電壓，逆變控制模塊的控制端連接至電流檢測模塊的輸出端，逆變控制模塊用于根據參考電流信號輸出用于控制所述互感器二次側產生反饋電流的控制電壓。

電流檢測模塊包括：基波電流檢測單元、反饋電流檢測單元和加法器；基波電流檢測單元的輸入端連接至電網，反饋電流檢測單元的輸入端連接至所述互感器二次側，加法器的第一輸入端連接至基波電流檢測單元的輸出端，加法器的第二輸入端連接至反饋電流檢測單元的輸出端，加法器用于將所述基波電流與所述反饋電流相加后輸出所述參考電流信號。

逆變控制模塊包括：逆變器、pwm控制驅動單元和lc濾波單元；pwm控制驅動單元的輸入端連接至所述加法器的輸出端，逆變器的輸入連接直流側電壓，逆變器的控制端連接至所述pwm控制驅動單元的輸出端，濾波單元的輸入端連接至逆變器的輸出端，濾波單元的輸出端連接所述互感器二次側；pwm控制驅動單元用于根據所述參考電流信號產生用于控制逆變器中開關管導通的pwm波信號；逆變器在所述pwm波信號的控制下，將直流側電壓逆變為所述控制電壓。

特制互感器的一次側即為電網的電力線路，連接在電網和負載之間，二次側連接到逆變控制模塊的輸出端。

基波電流檢測模塊包括：電流互感器ⅰ和基波電流檢測環節。在特制互感器的二次側繞一匝線圈形成電流互感器，電流互感器的輸出與基波電流檢測環節的輸入端連接，基波電流檢測單元將從特制互感器一次側電流中檢測出基波電流信號作為單元輸出信號，送入逆變控制模塊的電流增益電路。

逆變控制模塊將檢測到的特制互感器一次側基波電流乘以一增益系數后作為其指令電流，然后電力電子逆變器產生一個磁通補償電流施加到特制互感器的二次側，其輸出的電流經過一個lc濾波電路后通過一個特制互感器單元接入系統。lc濾波電路用于抑制逆變器產生的高頻紋波。

特制互感器單元用于將逆變器控制模塊輸出的控制電壓通過互感器產生基波補償電流接入到系統中。

直流母線電壓ud的獲取可以通過三種方式：(1)就地感應取電；(2)通過對逆變器的控制來控制有功功率流入逆變器，從而實現對ud的控制；(3)直接用蓄電池接入直流母線側，通過對逆變器控制實現母線電壓的恒定。

本發明的工作原理，通過基波電流檢測單元(設該環節的增益為ki)檢測出變壓器一次側的基波電流將作為參考信號通過電力電子逆變器產生一個電流源(該電流源可以用來表示，α為互感器一次側電流的基波和二次側電流的比例系數)。將經過變壓器串聯在系統和諧波源之間。通過調節α為1，則該串聯變壓器一次側對基波呈現為一次側漏阻抗(該值很小，對系統基本沒有影響)，而對諧波呈現為高阻抗，該高阻抗主要表現為感抗性質，隨著諧波次數的增加而增加。

為了更進一步的說明本發明提供的即插即用集成模塊化有源諧波隔離器，下面結合附圖及具體實例詳細具體地對有源諧波隔離器原理和特制互感器進一步說明：

如圖1所示，設在特制互感器鐵芯上一次側繞組ax的匝數為w1(在這里為1)，二次側繞組ax的匝數為w2，則一次側與二次側的匝比k＝w1/w2。若將此特制互感器的一次側ax串聯接在電網和一個負載之間，則在其一次側便有電流i1流過。通過檢測特制互感器一次側電流i1，并采用一個電壓型逆變器跟蹤此電流從而產生一個電流i2，將i2反相位注入特制互感器的二次側。此特制互感器的t形等效電路如圖2所示(i2折算到特制互感器一次側后為i2′)，其中:z1＝r1+jx1是一次側ax線圈的漏阻抗；z'2＝r'2+jx'2為特制互感器二次側折算到一次側的漏阻抗；zm＝rm+jxm為特制互感器勵磁阻抗。

下面根據疊加原理對于基波和諧波分別討論：

1)對于基波，由于串聯變壓器二次側等效為一受控基波電流源其等效電路如圖2所示。基波的等效阻抗為

當α＝1基波全補償時，該阻抗值為很小的一次側漏抗z1，對系統基本沒有影響，在諧波隔離器正常工作時，α的取值即為1。

2)對于諧波，在變壓器二次側相當于開路(即α＝0的情況)，則有源電力濾波系統對于諧波的等效電路如圖3所示。對于任意的n次諧波，變壓器一次側的諧波等效阻抗為

因為變壓器的勵磁阻抗zm遠大于漏抗z1，所以變壓器一次側對諧波呈現為高阻抗，且隨著諧波次數的增加而增加；有源諧波隔離器串聯在系統與諧波源負載之間，提高了系統對諧波的阻抗，起到了諧波隔離的作用。

由于基于基波磁通補償的有源諧波隔離器串聯在線路中，接入線路不方便，所以提出使用特制的互感器代替串聯變壓器。圖4(a)和(b)為閉口空心圓柱鐵芯特制互感器具體結構圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和電網線示意圖，(b)圖為互感器二次側繞組在鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進行繞制；圖5(a)和(b)為開口空心圓柱鐵芯特制互感器具體結構圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和電網線示意圖，(b)圖為互感器二次側繞組在鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進行繞制；圖6(a)和(b)為適用于母排的閉口特制互感器具體結構圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和母排示意圖，(b)圖為互感器二次側繞組在長方體鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進行繞制；圖7(a)和(b)為適用于母排的開口特制互感器具體結構圖，其中(a)圖為互感器鐵芯和母排示意圖，(b)圖為互感器二次側繞組在長方體鐵芯上的繞制圖，沿鐵芯軸向進行繞制。其中開口式特制互感器，可以以電流鉗的方式接入電網，考慮到電流鉗對本領域的技術人員來說眾所周知，這里對原理圖4(a)和(b)、5(a)和(b)中電流鉗形式的具體結構不再贅述。由于特制互感器的一次側僅有系統線路一匝，電感l＝w1²μa/l，(其中w1為特制互感器一次側匝數，μ為鐵芯的磁導率，a為鐵芯截面積，l為平均磁路長度)如果用普通鐵芯，電網側等效電感太小，所以將圖示特制互感器的鐵芯做成細長圓柱狀或長方體狀以減小磁路長度，增大鐵芯截面積，從而增大電感l。若電感值仍不滿足要求，可將多個即插即用諧波隔離器串聯接入電網。

三相系統下可以參考單相系統，在每一相上使用諧波隔離器進行諧波隔離。如果某一相線電流諧波比較大，單個諧波隔離器濾波效果不好時，可以在該相上多增加幾組這樣的諧波隔離器來達到目的，另外同一線路上多個諧波隔離器之間要做好通訊以保證正常工作。

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，并不用以限制本發明，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范圍之內。