第３８卷第７期电力系统保护与控羽Ｖｏｉ．３８Ｎｏ．７１１１Ｑ生！旦！旦１２１鲨！兰ｚ！！！翌￡竺！！！！！竺望呈翌垒兰竺里塑！垒竖！：！Ｑ！Ｑ 李阳春
（浙江创维自动化工程有限公司，浙江杭州３１００１２）
摘要：针对ｚｉｇｚａｇ变压器治理零序电流所存在的缺陷，提出了一种新型的零序电流治理方案。该方案采用了ｚｉｇｚａｇ变压器与有源电力滤波器相结合的方式．电力有源滤波器能提高配电变压器的零序等效阻抗，而ｚｉｇｚａｇ变压器能降低有源电力滤波器所承受的电压．该方案极大改善了Ｚｉｇｚａｇ变压器滤除零序电流的性能，减少了Ｚｉｇｚａｇ变压器对配电变压器零序阻抗的依赖，同时也降低了Ｚｉｇｚａｇ变压器和有源电力滤波器的容量与成本，具有较高的性价比和广阔的市场应用前景．仿真与试验的结果表明，该方案是解决目前日益严重的零序电流问题的一种切实可行的方案． 关键词：三相四线制；零序电流；Ｚｉｇｚａｇ变压器；有源电力滤波器；滤波效果 Ｓｔｕｄｙｏｎａｎｅｗｆｉｌｔｅｒｔｏｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｚｅｒｏ—ｓｅｑｕｅｎｃｅｃ
ｕｒｒｅｎｔ
ＬＩＹａｎｇ－ｃｈｕｎ
（ＺｈｅｊｉａｎｇＣｒｅａｗａｙＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｚｅｒｏ．ｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔ．ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎＺｉｇｚａｇｔｌ＇ａｎ．‘；ｆｏｒｍｅｒａｎｄａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｉＳｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｚｉｇｚａｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｃａｒｔｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｔｏｌｅｒａｔｅｄｖｏｌｔａｇｅｏｆｔｈｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｗｈｉｌｅｔｈｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ
ｉｓｕｓｅｄｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄａｔｔｈｅｓｓ／ｎｅｔｉｍｅｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｃｏｓｔｏｆＺｉｇｚａｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｓｈｏｗｓｈｉｇｔｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ－ｐｒｉｃｅ
ｒａｔｉｏａｎｄｂｒｉｇｈｔｍａｒｋｅｔｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｄｔｈａｔｉｔｉｓａｆｅａｓｉｂｌｅｍｅｔｈｏｄｔｏｄｅａｌｗｉｔｈｔｈｅｚｅｒｏ—ｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｆｏｕｒ－ｗｉｒｅｓｙｓｔｅｍ；ｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔ；Ｚｉｇｚａｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ：ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ；ｆｉｌｔｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
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中图分类号：ＴＭ７１４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—３４１５（２０１０）０７—００９１．０３
导布辊０引言
三相四线制是低压配电网中最主要的供电方式，在工业现场和民用建筑中得到广泛应用。在三相四线制系统中，因三相元件的不对称而产生的不平衡电流，尤其是零序电流，将对电网造成极大的影响。电网中的零序电流会增加线路及变压器的铜损，会增加变压器的铁损，降低变压器的出力，甚至会影响变压器的安全运行。
现有的１０／０．４ｋＶ低压配电变压器多为Ｙｙｎ０接法。由于该类型变压器的一次侧无中点引出线，当二次侧存在零序电流时，将无法达到安匝平衡，从而导致中性点偏移。对于三相三柱的铁芯而言，零序磁通无法在铁芯内形成回路，而必须通过油箱壁等，从而产生较大的涡流损耗，因而铁损较大ｉｌｌ。
目前抑制零序电流的主要方法是采用Ｚｉｇｚａｇ变压器，该方法具有接线简单、不会与系统产生谐振，无需复杂的控制等优点，但是也存在着一些固有的缺陷。本文采用Ｚｉｇｚａｇ变压器与有源电力滤波装置相结合的结构，这种结构充分发挥了Ｚｉｇｚａｇ变压器在治理零序电流方面的独特优势，同时降低了有源电力滤波装置的容量，使得整套装置具有较高的性价比和广阔的市场应用前景。
１Ｚｉｇｚａｇ变压器的工作原理
Ｚｉｇｚａｇ变压器是一种特殊接线结构的变压器，其基本原理图如图１所示。
图１Ｚｉｇｚａｇ变压器基本原理图
Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅＺｉｇｚａｇｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
图１中，变压器变比设置为ｌ：１，即原、副边
利路防水接头．９２．
电力系统保护与控制
无镍电镀绕组的匝数相同。
由于在电网的零序网络中，‘ｌ＝乇ｌ＝Ｉ。ｃｌ，由此
可得：
由式（１）可知，Ｚｉｇｚａｇ变压器的原副边电流相等，各自产生的磁通相互抵消，从而使得Ｚｉｇｚａｇ变压器在零序网络中呈现低阻抗。
而在电网的正序／负序网络中，Ｚｉｇｚａｇ变压器的原副边电流产生的磁通无法相互抵消，从而使得Ｚｉｇｚａｇ变压器在正序／负序网络中呈现高阻抗。
故利用此原理，将Ｚｉｇｚａｇ变压器并联接入电网中，可使得零序电流经过Ｚｉｇｚａｇ变压器而不再通过中性线，从而起到抑制零序电流的作用。
采用Ｚｉｇｚａｇ变压器治理零序电流是一种比较理想的方法，但单独使用会存在一些固有的缺陷。如Ｚｉｇｚａｇ变压器的滤波效果强烈地依赖于Ｚｉｇｚａｇ变压器支路和电网支路的阻抗比；当电网中存在背景零序电压时，会在电网侧中性线和相线之间产生较大的零序电流，从而导致中性线电流过载、变压器发热等等。
２新型滤波方案的工作原理
为了克服单独使用Ｚｉｇｚａｇ变压器所存在的问题，本文提出了一种Ｚｉｇｚａｇ变压器与有源电力滤波装置（ＡＰＦ）相结合的方案，其拓扑结构如图２所示。
ＡＰＦ宵游滤渡器
图２装置应用的拓扑结构图
Ｆｉｇ．２Ｎｅｔｗｏｒｋ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｆｏｒｔｈｅｄｅｖｉｃｅ
由图２可见，Ｚｉｇｚａｇ变压器与ＡＰＦ串联后与负载并联。其中，ＡＰＦ装置被控制成一个电压源。
下面将对该装置的工作原理进行详细分析。根
据对称分量法，我们可以绘制出该装置应用时的零序网络单线图（图３）。
＾
图３装置应用时的零序网络单线图
Ｆｉｇ．３Ｓｉｎｇｌｅ—ｌｉｎｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｚｅｒｏ－ｓｅｑｕｅｎｃｅ
ｎｅｔｗｏｒｋ
图中：玑为ＡＰＦ装置作为电压源输出的电压，Ｕｆ＝Ｋ／ｓ；丘为负载等效的零序电流源；Ｚｆ为
Ｚｉｇｚａｇ变压器的零序阻抗，主要体现为该变压器的漏抗；五为电网侧的短路阻抗。
根据图３可列出如下方程：
Ｕｔ＝Ｉｔｚｆ—Ｉｓｚｓ
（２、）Ｉｆ＝１Ｌ一‘（３）珥＝ｒ／，
（４）
将式（３）、式（４）代入式（２），可得：
尺Ｌ＝（ｔ一‘）Ｚｆ—ｔＺｓ
（５）
推导可得：
‘＝乏矗Ｌ
㈤
由式（６）可知，该装置的控制作用相当于在零线的电网侧串入了一个阻值为Ｋ的电阻，如图４所示。
图４装置控制作用等效图
Ｆｉｇ．４Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ
ｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅ
该电阻的存在，一方面增加了电源回路对零序电流的阻抗，迫使零序电流尽量流入无源滤波器，从而极大地改善了Ｚｉｇｚａｇ变压器滤除零序电流的效果，另一方面还能抑制电网中存在的零序电压产
生的零序电流。
在这种结构中，由于ＡＰＦ迫使更多的零序电流
．ｋ．．也
Ｉｌ
＝
＝
李阳春一种新型零序电流滤波装置的研究．９３．
流过Ｚｉｇｚａｇ变压器，使得对Ｚｉｇｚａｇ变压器的设计
不再那么苛刻，使其在体积和重量方面都会有所下
降。而且Ｚｉｇｚａｇ变压器的存在，也使得ＡＰＦ装置
只需要承受零序电压，从而降低了对ＡＰＦ容量的要
求。
３新型滤波方案的算法仿真
为了验证本装置所采用的方案及控制方法的正
确性，本文利用Ｍａｔｌａｂ软件对本装置的滤波效果进
行仿真分析。仿真效果如图５所示。
图５所示分别为在未投入滤波装置、仅投入Ｚｉｇｚａｇ变压器、同时投入Ｚｉｇｚａｇ与ＡＰＦ三种情况下的系统中线电流。
（ａ）未投入滤波装置
（ｂ）仅投入Ｚｉｇｚａｇ变压器
（ｃ）投入Ｚｉ犯，ａｇ变压嚣与＾阡
图５Ｍａｔ．Ｉａｂ仿真
Ｆｉｇ．５Ｍａｔｌａｂｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
由图５可知，在未投入滤波装置时，系统的中线电流幅值在１００Ａ左右。在投入Ｚｉｇｚａｇ变压器后，中线电流幅值降到１８Ａ左右，这说明了Ｚｉｇｚａｇ变压器能对部分零序电流进行分流。而在投入ＡＰＦ后，此时的中线电流的幅值不到１０Ａ，由此验证了本装置所采用的方案及控制方法的正确性。
４结论
Ｚｉｇｚａｇ变压器与ＡＰＦ的结合，使装置具有较高的性价比和更为理想的零序电流抑制与补偿效果。本文所提出的方案以其治理效果好、性价比高必将在中线零序电流治理中得到成功应用。
参考文献
zn21［１］单铁铭，杨仁刚．不平衡电流无功补偿方法研究【Ｊ】．电力自动化设备，２００４，２４（１２）：２６—２９．
ＳＨＡＮＴｉｅ－ｍｉｎｇ，ＹＡＮＧＲｅｎ—ｇａｎｇ．ＲｅａｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒ
ＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｏｒＵｎｂａｌａｎｃｅｄＣｕｒｒｅｍ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，２００４，２４（１２）：２６—２９．
收稿日期ｌ２００９－０５－１４；修回日期ｌ２００９－０６－１３
作者简介：
李阳春（１９７７－），男，硕士，工程师，从事电能质量治理产品的研究工作．Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇｃｈｕｎ＿ｌｉ＠１６３．ｃｏｒｎ
一种新型零序电流滤波装置的研究
作者：李阳春， LI Yang-chun
作者单位：浙江创维自动化工程有限公司，浙江，杭州,310012
刊名：
电力系统保护与控制
英文刊名：POWER SYSTEM PROTECTION AND CONTROL
年，卷(期)：2010，38(7)
被引用次数：0次
参考文献(1条)
1.单铁铭.杨仁刚不平衡电流无功补偿方法研究[期刊论文]-电力自动化设备 2004(12)
相似文献(10条)
1.期刊论文周林.易强.秦梅.周小军.叶一麟不对称三相四线制系统有害电流的检测方法-重庆大学学报(自然科
学版)2002,25(10)
ip-iq法能准确、实时地检测不对称三相系统中的有害电流，被广泛应用于三相电力有源滤波器.目前，在检测不对称三相四线系统的有害电流时，均事先剔除零序电流，然后再采用ip-iq法.通过理论分析证明,ip-iq法经过3/2变换后iα、iβ中都不含零序电流分量，并且基波正序分量不会受到影响，因此含有3/2变换的p-q法、d-q法、ip-iq法都不会受到零序电流的影响，所以这些检测方法都不用先剔除零序电流而直接用于不对称三相四线系统有害电流检测.理论和仿真结果表明这种方法能正确检测出基波零序、负序及谐波分量，从而改变了长期以来认为ip-iq不能直接用于三相四线系统的观点.
2.期刊论文周林.秦梅.易强.叶一麟.ZHOU Lin.QIN Mei.YI Qiang.YE Yi-lin三相四线制并联有源电力滤波器-
重庆大学学报（自然科学版）2000,23(6)
大量关于有源电力滤波器的研究仅限于三相三线制系统，而没有考虑三相四线制系统 .针对不对称三相四线制系统中零序电流的补偿，提出采用三相四线制并联有源电力滤波器来滤除其中的零序电流.详细阐述了这种三相四线制并联有源电力滤波器的主电路结构、工作原理、数学模型和检测方法，并提出了一种不经过坐标变换的滞环控制法.仿真结果表明这种有源电力滤波器能有效滤除三相四线制系统中的基波零序、基波负序和谐波等有害电流.
3.期刊论文卓放.杨君.胡军飞.王兆安.ZHOU Fang.YANG Jun.HU Jun-fei.WANG Zhao-an三相四线制有源电力滤波
器主电路的结构形式与控制-电工电能新技术2000,19(2)
三相四线制系统中如何使用有源电力滤波器来抑制线路中的谐波，这一问题越来越被人们所重视.本文介绍了在实现三相四线制有源电力滤波器时所采用的两种不同的主电路结构及其控制方法.实验和仿真结果表明，这两种不同形式的主电路有着各自的特点，均可对三相四线制系统中的谐波、负序及零序电流进行补偿.
4.期刊论文张继红防范零序故障浅析-机电信息2010,""(12)
拉丝模不对称运行和单相运行是零序电流产生的主要原因.零序电流会引起三相对称电压产生的瞬时或连续性损耗，包括变压器绕组与铁心上的损耗，另外通过中点的电流，会使电压的稳定性受到影响，如电压不对称、中点电压偏移，影响设备稳定运行，在变压器中会产生漏磁及使铁心励磁，降低供电质量，甚至会影响电能表的准确性.通过分析零序电流产生的原因及危害，阐述了一些防止零序故障的方法.
5.会议论文卓放.杨君.胡军飞.王兆安三相四线制系统有源电力滤波器的研究1999
如何在三相四线制电路中使用有源电力滤波器滤除电网中的谐波一直是人们关心的问题。该文提出了一种采用零序电流分离法来实现有源电力滤波器在三相四线制系统中方法的应用。仿真结果表明，采用这种方法，可以对三相四线制系统中的谐波、负序、零序等电流分量进行补偿。
6.期刊论文郑康.石新春.ZHENG Kang.SHI Xin-chun三相四线制有源电力滤波器的设计与仿真-通信电源技术
2008,25(6)
三相四线制有源电力滤波器能够很好地提高滤波器的滤波性能，实现在大功率场合下的谐波抑制和无功补偿.通过研究主电路拓扑结构，给出了主电路设计方法，包括触发电路的设计,IPM驱动电路的设计
和同步信号电路的设计.综合运用瞬时无功理论中的p-q法和ip-iq法，提出了一种新的基于瞬时无功理论的有效的三相四线制谐波检测新方法，此方法能将三相电流中的零序电流剔除.最后文章利用Matlab/Simulink构建了仿真模型，设定了仿真模型中各部分的参数，仿真结果验证了该方法的准确性和有效性.
7.学位论文陈伟强三相四线制有源电力滤波器的单周期控制研究2004
目前，三相三线有源电力滤波器(APF)已有工业产品应用于实际系统，但三相四线APF还处于研究阶段。有源电力滤波器普遍使用的方法是：检测谐波电流，对电流进行跟踪控制，再驱动主电路逆变器。其中所采用的方法需要一定的变换，需要快速、实时运算，计算量较大，因此必须使用高速的数字处理器和A/D转换器，导致系统的成本高，电路结构复杂，降低系统的稳定性，而且控制精度也受到一定影响。单周期控制法是一种非线性控制，它应用开关变换器的脉冲和非线性特点，来实现对开关变量的平均值的瞬时动态控制，即在暂态发生后的一个开关周期内，可使开关变量的平均值达到新的稳态，它有快速的动态响应。
本文研究三相四线APF单周期控制的理论和装置，用结构简单但控制性能优良的单周期控制器来控制上述APF，以求实现对三相四线制电力系统中的谐波电流、零序电流和无功电流进行有效的补偿，达到提高配电线路功率因素和传输效率以及消除电网谐波污染的目的。所设计的样机采用单周期控制技术，工作于恒定开关频率，易于工业应用。
本文介绍单周期控制三相四线APF的原理和结构，阐述了单周期控制三相四线APF的主电路设计问题，重点研究了三相四线APF的单周期控制器的理论和装置，以及三相四线APF中零序补偿电流的控制策略。同时，还给出了样机设计仿真、制作和实验结果。
8.期刊论文周虎.潘迪夫.ZHOU Hu.PAN Difu基于改进P-q-r法的三相四线制系统谐波电流检测方法的研究-低压
电器2009,""(8)
针对传统p-q-r理论不适用于三相电压发生畸变或不平衡等情况的缺陷，提出了改进的p-q-r法.该方法采用三相单佗对称正弦信号代替三相电压.通过理论分析及仿真，证明改进的p-q-r法算法清晰，没有增加电路复杂性，且不需要锁相环，在三相电压发生可变或不对称时，能够实时检测谐波电流及基波负序、零序电流.
9.学位论文王晓燕三相四线制有源电力滤波器检测技术的研究2007
非线性负载会导致电力线路中出现谐波，功率因数降低，因此，由电力电子设备的广泛应用而引发的电能质量问题受到越来越多地关注。谐波电流和无功功率是危及电网安全运行的两大因素。系统无功会增加输电网及配电网的线路损耗，增加设备容量；谐波电流会增加用电设备损耗，甚至损坏用电设备，并带来多种不利的信号干扰。
并联有源电力滤波器(SAPF)是一种解决电能质量问题的有效方法，因为它能同步补偿电路中的谐波电流及无功功率。在设计并联有源电力滤波器时，参考电流的生成是非常关键的，它决定了注入公共接点的实际电流的精度, 常用瞬时无功理论(p-q法)来计算SAPF的参考电流。该法由日本学者Akage at al.在1983年提出。根据该理论，三相三线系统中的电压、电流被变换到相互垂直的p-q坐标系中，并在p-q坐标系中计算瞬时的有功及无功功率。尽管瞬时无功理论有其理论局限，譬如它只能应用于不含零序电流、电压的三相系统，但它的提出引发了一系列基于瞬时无功理论的新方法，有助于认识理解SAPF。
由．Ferrero、Superti-Furga提出的0-α-β坐标下的瞬时功率定义和由Akagi、Nabae提出的Nabae功率理论考虑了零序分量。很明显，零序电流、电压能产生有功，但是否产生无功是这两种理论的主要分歧。Nabae认为0轴与α、β坐标轴地位等价，有功功率与无功功率分别为0、α、β轴电流和电压分量的点乘积与叉乘积。而Ferrero和Superti-Furga则认为0轴与α、β轴是相互独立的，零序分量仅产生有功功率。这两种定义方法的共同缺点是它们均不能与单相功率理论相统一。
1999年，韩国学者Hyosung Kim提出了一种新的三相系统功率补偿方法，被称为p-q-r法。该法先将a-b-c坐标下的电流、电压转换到0-α-β坐标下，再通过旋转0-α-β坐标得到p-q-r坐标下的电流、电压形式。由于是沿电压轴旋转，因此，最终仅有一个电压分量e<,p>不为零，另两个分量
e<,q>e<,r>都等于零。由于有功功率和无功功率分别定义为电压与电流的点乘积与叉乘积，因此存在一个瞬时有功功率p与两个瞬时无功功率q<,q>和
q<,e>。在该方法中，有功功率和无功功率都定义在含零序分量的三相四线制系统中。虽然计算复杂，但其定义可以认为是单相功率理论的延伸。正交坐标法中的功率定义可与单相功率理论相统一，且其计算简便。该法在a-b-c坐标系下给出功率定义，有功功率为电压、电流信号的点乘积，无功功率为电压、电流的叉乘积。该方法中，有功和无功的物理意义与p-q法相同，符合我们对功率定义的一般理解。传统的正交坐标法不能滤除零序电压的干扰，本文给出一种新的正交坐标法，此方法在电压及电流中含有零序分量时，也可以补偿无功、抑制谐波。
10.期刊论文刘宏超.彭建春.LIU Hong-chao.PENG Jian-chun三相四线有源电力滤波器的产品实现及其应用-电
力电子技术2009,43(6)
阐述了基于FBD法的三相四线制并联型有源电力滤波器(APF)电流检测算法，对三相四线制系统中的无功电流、谐波电流、零序电流分别进行了检测
.分析了三相四线制APF的主电路拓扑结构、控制系统硬件原理及算法的软件实现流程.现场工程应用案例证明了该系统的可行性和有效性.
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下载时间：2010年8月23日
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