一種與電網連接的三相低通濾波器的製作方法
2023-11-10 06:54:37 1
專利名稱：一種與電網連接的三相低通濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種與電網連接的三相低通濾波器，屬於電力系統中電能質量綜合治理領域。
背景技術：
電力系統中大量非線性和不平衡負荷的大量使用，使得系統電流和電壓波形發生畸變。為抑制諧波電流在系統中的進一步擴散，供電部門或電力用戶往往裝設並聯型有源電力濾波器。並聯型有源電力濾波器是為解決電網中由非線性負荷所產生諧波電流引起的電能質量問題而設計的一種電力電子設備，其通過檢測負荷側電流，提取畸變電流分量，再利用PWM逆變器產生脈寬調製波，經低通濾波器(簡稱LPF)濾除開關紋波後併入電網中，從而產生與負荷諧波電流大小相等且相位相反的補償電流注入電網，從而抵消負荷諧波電流，使電源側電流接近正弦波，以達到改善電網電能質量的目的。
並聯型有源電力濾波器一般都是用電壓型逆變器實現的，通過控制電力電子器件的開關，使實際輸出電流(或電壓)波形跟蹤上需補償的參考電流(或電壓)波形。而裝置工作中電壓逆變器輸出的是PWM開關波形，而電網中需要補償的諧波是連續波形，根據傅立葉分析可知，PWM開關波形中含有高次諧波需要通過並聯型有源電力濾波器和電網間連接的低通濾波器來濾除。
目前並聯型有源濾波器的輸出濾波一般採用簡單的二階LC濾波器，濾波效果不甚理想。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足和存在的問題，提出應用在有源濾波領域的具有較好濾波效果的與電網連接的三相低通濾波器。
本發明提供的技術方案是一種與電網連接的三相低通濾波器，包括電感和電容，其中每相設有電容C和兩個相互串聯的電感L1、L2，電感L1、L2的連接端與電容C的一端連接，電容C另一端連接在電網的中線端，電感L1另一端連接在並聯型有源濾波器的輸出端，電感L2的另一端連接到電網側。
上述電感L1和/或電感L2為可調電感。
上述電感L1和/或電感L2為空心電感，電容為無感電容。
上述電容C、電感L1、L2的參數由巴特沃斯濾波器為原則確定；其中各項給定指標採用如下要求選取1.輸出電流只含有應補償25次及以下的諧波電流，對於開25次以上的諧波分量應有效的濾除；2.通帶截止頻率fc＝1500Hz，通帶最大衰耗為Ap＝3dB；
3.阻帶截止頻率fr＝4500Hz，阻帶最小衰耗為Ar＝23dB。
本發明的三相低通濾波器應用在有源電力濾波器和電網之間可以起到良好的阻隔高頻諧波注入電網的作用，在線形相位、衰減斜率和加載特性三個方面具有特性均衡的優點；能確保有源電力濾波器的補償效果；保證配電系統工作的可靠性和準確性。對於配電網絡的電能質量治理具有重要意義，因此具有廣泛的推廣應用價值。
圖1為本發明三相低通濾波器的電路結構示意圖；圖2為本發明在有源電力濾波器和電網之間應用的結構示意圖；圖3為本發明單相諧波電壓源等效電路；圖4為本發明單相諧波電流源等效電路。
具體的實施方式參見圖1，本發明的三相低通濾波器包括電感和電容，三相電路中每相設有電容C和兩個相互串聯的電感L1、L2，電感L1、L2的連接端與電容C的一端連接，電容C另一端連接在電網的中線端，電感L1另一端連接在並聯型有源濾波器的輸出端，電感L2的另一端連接到電網側。
為了使本發明的三相低通濾波器隨著外界電網參數條件的改變而可以調節，即有多級可調接頭，上述電感L1和/或電感L2最好採用可調電感。
考慮到該濾波器工作在高電壓，大電流和高頻率的工作狀態，對器件的選擇最好有一定的裕量，因此上述電感L1和/或電感L2建議選用空心電感，電容C建議選用進口無感電容。
電容C、電感L1、L2的參數可由巴特沃斯濾波器為原則確定一.低通濾波器的理論推導按給定的指標設計一個低通濾波器，其中心是尋找一個恰當的近似函數來逼近理想特性。這種基於不同類似近似函數的綜合方法，長期以來得到廣泛應用的已有許多，其中具有優良性能的濾波器，如巴特沃思、切比雪夫和橢圓濾波器。而在這三種濾波器當中，巴特沃斯濾波器在線形相位、衰減斜率和加載特性三個方面具有特性均衡的優點。特別是隨著階數的增加，濾波器的衰減斜率會逐步增加，而且具有「最大平坦」的特性。因此該設計中，巴特沃斯濾波器被列為首選。
所謂巴特沃思濾波器就是以巴特沃思近似函數作為濾波器的系統函數，該函數以最高階臺勞級數的形式來逼近理想矩形特性，式(1)即為其通用模方函數表達式|H|2=11+2(c)2N,N=1,2,3....(1)]]>二.低通濾波器的參數推導過程低通濾波器階數N對通帶特性，過渡帶寬、窄以及阻帶衰耗大小影響很大。因此如何根據給定的通、阻帶指標，恰當地選擇濾波器的階數N是首先需要考慮的問題。
設計APF與電網連接處濾波電感和濾波電容的參數按照巴特沃斯低通濾波器逼近原則統一的設計，各項給定指標如下1)輸出電流只含有應補償25次及以下的諧波電流，對於開25次以上的諧波分量應有效的濾除；2)通帶截止頻率fc＝1500Hz，通帶最大衰耗為Ap＝3dB；3)阻帶截止頻率fr＝4500Hz，阻帶最小衰耗為Ar＝23dB。
按巴特沃斯逼近方法，首先需要確定低通濾波器的階數N。由已知條件，可得歸一化頻率fr/fc＝3=100.1Ar-1=14.09]]>階數Nlg14.09lg3=2.4]]>取階數N＝3階。查巴特沃思多項式可以得到3階低通濾波器歸一化傳遞函數為H(S)=1S3+2S2+2S+1---(2)]]>歸一化參考角頻率即截止角頻率ωc＝2×π×1250Hz＝9424rad/s，將ωc帶入(2)式進行反歸一化可得巴特沃思系統函數H(S)=11.194810-12S3+2.210-8S2+2.122210-4S+1--(3)]]>上式即為所需設計低通濾波器的實際傳遞函數。
根據巴特沃思濾波器設計原則以及APF對低通濾波器的設計要求得出LPF的傳遞函數式(3)，在接下來就要根據低通濾波器的實際結構確定其具體參數。
根據前面的計算，可選用三階巴特沃思低通濾波器，那麼實際的電路結構如圖2所示，其中，Ls為系統等效內電感；本發明的低通濾波器傳遞函數如(2)式所示；R為逆變環節等效電阻。
圖2中的虛線框內為本發明的三相低通濾波器，電阻R包括開關元件的等效電阻和電感線圈電阻在內。三相低通濾波器的三相輸入(即各相中的電感L1與有源電力濾波器的連接端)分別接並聯型有源濾波器的三相輸出端，三相低通濾波器的三相輸出分別接電網的A、B、C三相，三相低通濾波器的電容的輸出接電網的中線N。
考慮系統是線性對稱的，可以採用疊加原理進行分析。且認為系統三相電壓對稱正弦，其單相諧波等效電路如圖3、4所示。
圖3中，L＝L2+Ls，uh為諧波電壓源，即有源濾波器逆變器輸出的一系列等幅不等寬的方波電壓，其波形頻譜包括用於補償作用的低次諧波分量和高頻開關諧波。其中uh可以用一個電流源ih來等效如圖4所示。低通濾波器的作用就是把ih中的高頻分量濾除，因此根據圖3、圖4可以得到傳遞函數如下
Ish(S)Ih(s)=1LL1CRS3+CLS2+(L1+L)RS+1--(4)]]>對比(3)式和(4)式可得LL1CR=1.194810-12]]>CL＝2.2×10-8L1+LR=2.122210-4]]>其中R主要是逆變器等效內阻，這個阻值比較小，在這裡我們假設其為0.8歐姆(該電阻大小可根據IGBT的伏安特性來確定)，這樣可以計算得到L1＝0.42×10-4H，L＝1.28×10-4H，C＝174×10-6F。
以上數值是根據巴特沃思低通濾波器的設計原理和有源電力濾波器的結構給出的低通濾波器參數，在實際裝置中該參數還要依據現場情況和其他因素給予適當的調整和優化，從而令有源電力濾波器處於最佳工作狀態。
三、選擇器件的具體安裝方式本發明安裝在有源電力濾波器和電網之間，有源濾波器出口處首先安裝電感L1，隨後是安裝電容C，電容C與並聯型有源電力濾波器並聯，其中一端連接在中線上。隨後安裝電感L2，電感L2與電感L2為串聯形式。
通過仿真和實際裝置的驗證，本發明的三相低通濾波器在有源電力濾波器和電網之間可以起到良好的阻隔高頻諧波注入電網的作用，並可以根據實際運行工況進行調節，能確保有源電力濾波器的補償效果。對PWM逆變器發出的高頻電流加以抑制，阻止其進入電網中幹擾電能質量。對於配電網絡的電能質量治理具有重要意義，因此具有廣泛的推廣應用價值。
權利要求
1.一種與電網連接的三相低通濾波器，包括電感和電容，其特徵是其中每相設有電容C和兩個相互串聯的電感L1、L2，電感L1、L2的連接端與電容C的一端連接，電容C另一端連接在電網的中線端，電感L1另一端連接在並聯型有源濾波器的輸出端，電感L2的另一端連接到電網側。
2.根據權利要求1所述的三相低通濾波器，其特徵是電感L1和/或電感L2為可調電感。
3.根據權利要求1或2所述的三相低通濾波器，其特徵是電感L1和/或電感L2為空心電感，電容為無感電容。
4.根據權利要求1或2所述的三相低通濾波器，其特徵是電容C、電感L1、L2的參數由巴特沃斯濾波器為原則確定；其中各項給定指標採用如下要求選取1)輸出電流只含有應補償25次及以下的諧波電流，對於開25次以上的諧波分量應有效的濾除；2)通帶截止頻率fc＝1500Hz，通帶最大衰耗為Ap＝3dB；
3)阻帶截止頻率fr＝4500Hz，阻帶最小衰耗為Ar＝23dB。
全文摘要
本發明公開了一種與電網連接的三相低通濾波器，包括電感和電容，其中每相設有電容C和兩個相互串聯的電感L
文檔編號H02J3/01GK1595756SQ200410013459
公開日2005年3月16日 申請日期2004年7月13日 優先權日2004年7月13日
發明者陳允平, 孫建軍, 丁凱 申請人:武漢大學