一種僅含單無源濾波支路的串聯混合型濾波器的製作方法

2023-11-02 22:01:43 3

本發明屬於電力濾波器技術領域，更具體地，涉及一種僅含單無源濾波支路的串聯混合型濾波器。

背景技術：

迄今為止，電力電子技術已經廣泛應用於工業製造、家用電器、交通系統，分布式發電變換器、手持設備等。電力電子裝置為非線性負載，將導致諧波幹擾和低功率因數問題，無源調諧濾波器是目前應用最多的濾波方式，由於系統的等效阻抗對無源濾波器的濾波效果有很大的影響，無源濾波器的濾波支路數較多，諧振現象很容易出現，而且無源濾波器體積大。為了克服無源濾波器的這些缺點，人們提出了有源電力濾波器的概念。根據拓撲結構主要有三種有源濾波器：傳統的並聯型有源電力濾波器，混合型有源電力濾波器和統一電能質量調節器。

在這些有源電力濾波器中，串聯混合型有源電力濾波器成本低、濾波效果好，降低了諧振發生的可能性而備受關注。目前研究較多的串聯混合型有源電力濾波器主要有四種：

(1)並聯無源和串聯有源的組合系統(shapfi)。代表性的論文有：f.z.peng，h.akagi，a.nabae.anewapproachtoharmoniccompensationinpowersystem-acombinedsystemofshuntpassiveandseriesactivefilters.ieeetrans.industryapplications，1990，26(6)：983～990。

(2)基於正弦電流控制的串聯型有源濾波器(shapfii)。代表性的論文有：j.w.dixon，g.venegas，andl.a.moran.aseriesactivepowerfilterbasedonasinusoidalcurrent-controlledvoltage-sourceinverter.ieeetrans.ind.electron.，vol.44，no.5，pp.612～620，oct.1997。

(3)基於基波磁通補償的有源濾波器(shapfiii)。代表性的論文有：dayili，qiaofuchen，zhengchunjia，jianxingke.anovelactivepowerfilterwithfundamentalmagneticfluxcompensation.ieeetransactionsonpowerdelivery，19(2):799-805，2004。

(4)一種新型串聯混合型有源電力濾波器(shapfiv)。代表性的論文有：李達義，楊凱，孫玉鴻，熊博.一種新型串聯混合型有源電力濾波器.電力系統自動化，2015，06:82-87。

這些混合型有源電力濾波器採用較小容量的有源濾波器和並聯無源濾波器相結合完成大容量的濾波任務；其中的串聯型有源濾波器部分不是直接補償諧波而是起提高系統的諧波阻抗的作用，從而使諧波流入無源支路。

上述第一種和第二種串聯混合型濾波器的串聯部分等效為一個固定值k，因此無法保證在高次諧波時串聯部分的阻抗遠大於無源濾波器的等效阻抗，所以無源濾波器不僅需要設計5、7次(對三相系統而言)濾波支路，還需要設計高通濾波支路。而第三種和第四種串聯混合型有源電力濾波器(shapfiii和shapfiv)的串聯部分的等效阻抗非常大，而且與諧波次數和頻率成正比，所以系統等效諧波阻抗大大增加了，在這種情況下，系統的無源濾波器部分就可以考慮重新設計，而且根據這個特點系統的無源濾波器部分可以大為簡化。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種串聯混合型濾波器，旨在解決普通的串聯混合型有源濾波器的無源濾波單元數量多且參數設計複雜的問題，同時能夠達到很好的濾波效果。

本發明提供了一種串聯混合型濾波器，包括：有源濾波單元和無源濾波單元，有源濾波單元包括：變壓器、逆變器和檢測控制單元，變壓器一次側ax串聯在電網中，二次側連接逆變器，檢測控制單元用於檢測一次側的電壓或電流信號，且驅動控制所述逆變器的開關管通斷來產生相應的電壓或電流施加至所述變壓器的二次側，使得所述變壓器的一次側ax對基波呈現低阻抗且對諧波呈現高阻抗；無源濾波單元用於濾除高次諧波，包括：並聯在諧波源負載兩端的lc無源濾波支路，工作時，有源濾波單元對基波表現為低阻抗，使得基波能順利流過有源濾波單元，而其對高次諧波表現為高阻抗，此時無源濾波單元對諧波表現為低阻抗，諧波便從無源濾波單元流通，不會流入電網中，實現濾除諧波的功能。

更進一步地，對於諧波所述無源濾波單元的阻抗遠小於同頻率下所述有源濾波單元的阻抗。

更進一步地，lc支路包括：依次串聯連接的電感l3和電容c3，用於濾除3次諧波。

更進一步地，檢測控制單元包括：電流互感器檢測電路和驅動信號生成電路；電流互感器用於檢測變壓器一次側和二次側的電流信號，通過處理生成驅動信號並經過驅動電路驅動逆變器工作。

本發明還提供了一種三相電力系統，包括三套單相的串聯混合型濾波器，每套單相的串聯混合型濾波器為上述的串聯混合型濾波器。

本發明所述的經過簡化設計的無源濾波器部分和現有無源濾波器相比主要具有如下優點：

(1)設計簡便，經過簡化設計的無源濾波器部分只含有3次無源濾波lc支路，參數設計簡單。

(2)降低了成本，因為無源部分大大簡化，所以成本會相應降低。

(3)濾波效果好，雖然無源濾波器部分只含3次無源lc支路(三相系統為5次)，但是能達到含多個無源lc支路同樣的濾波效果。

附圖說明

圖1本發明使用的串聯混合型有源濾波器接入電網的單相原理電路；

圖2為系統的基波等效電路圖；

圖3為系統的諧波等效電路圖；

圖4為本發明簡化設計的無源lc濾波支路；

圖5為本發明接入三相系統結構示意圖。

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，並不用於限定本發明。

本發明是在上述提到的第三種和第四種串聯混合型有源電力濾波器的串聯部分的等效阻抗非常大的情況下，提出一種簡化設計其無源濾波器部分的方案，本發明提出的這種方案可以解決無源濾波器設計的問題，使得無源濾波器的設計變得簡單，同時又能夠保證濾除負載側高次諧波，防止負載諧波流入電網。

在本發明實施例提供的串聯型混合濾波器中，串聯混合型有源濾波器的等效阻抗遠遠大於系統內阻時可以採用僅含3次無源濾波支路的無源濾波方式(三相系統為5次無源濾波器)，也就是採用僅僅有最低次特徵諧波的無源濾波器方式。

本發明實施例中，無源濾波器還可以由三套單相結構構成三相系統，應用於三相電力系統，具體如圖5所示。

以下結合附圖和實例對本發明所述的無源濾波器簡化設計及其工作原理作進一步的說明。

本發明提供的串聯混合型濾波器包括：有源濾波單元1和無源濾波單元2，有源濾波單元1包括變壓器和逆變器以及檢測控制單元，變壓器一次側ax串聯在電網中，二次側連接一個逆變器，檢測控制單元用於檢測一次側的電壓或電流信號，來驅動控制逆變器的開關管通斷產生相應的電壓或電流施加到變壓器的二次側，從而使得變壓器的一次側ax對基波呈現低阻抗，而對諧波呈現高阻抗；無源濾波單元2包括3次lc支路l3、c3，無源支路並聯在諧波源負載兩端；整個串聯混合型濾波器在工作時，有源濾波單元對基波表現為很低的阻抗，使得基波能順利流過有源單元；而其對高次諧波表現為很高的阻抗，此時無源濾波單元對諧波表現為很低的阻抗，這樣諧波便從無源濾波單元流通，不會流入電網中，實現濾除諧波的功能。

一般情況下，無源濾波器的一條lc濾波支路是根據需要濾除的諧波次數進行設計電感l和電容c的值，當需要濾除所有的諧波時，需要針對不同次數的諧波分別設計lc濾波支路，才能達到很好的濾波效果，這樣不但增加了無源濾波器中lc濾波支路的數量，增加成本，而且對各個濾波支路中電感l和電容c的值也需要分別設計，整個無源濾波單元的等效阻抗還不能和系統阻抗產生諧振。為了解決這個問題，本發明採用串聯混合型濾波器，通過控制其有源濾波單元部分，使得有源濾波單元對基波表現為很低的阻抗，對諧波表現為很高的阻抗，這樣諧波源負載的諧波電流就從對諧波表現為低阻抗的無源濾波單元流通，達到濾波效果。因為有源濾波單元對高次諧波的高阻抗作用，使得無源濾波單元的lc濾波支路不需要針對各次諧波進行設計，只需要針對低次諧波進行設計，使得無源濾波單元阻抗遠小於同頻率下有源濾波單元的阻抗，即可實現很好的濾除該次諧波的作用，也使得無源濾波單元得到應有的簡化。

本發明的串聯混合型有源濾波器接入電網的單相原理圖如圖1所示。其中和分別等效為電源電壓us的基波分量和背景諧波分量。zs等效為系統內阻，zf無源濾波支路阻抗。選取諧波電流源作為諧波負載，產生的諧波電流為il，可以分解為基波分量和諧波分量

根據電路疊加原理，可以得出圖1的系統基波及諧波等效電路，分別如圖2、圖3所示。其中和分別為電源電流is的基波分量和諧波分量。if為流經無源濾波器支路的電流，即基波分量和n次諧波分量之和。系統內阻zs也可分解為系統基波阻抗和n次諧波阻抗串聯變壓器對應的基波和諧波原邊等效阻抗分別為z1+z2和相應的無源濾波支路阻抗為zf，其中基波和諧波阻抗分別為和

在負載諧波電流和電源背景諧波的共同作用下，圖3中的諧波電流流入電網，可被寫為：通常在式(1)中有因此幾乎為0。串聯變壓器對基波等效阻抗較低，而對諧波等效阻抗很高，從而起到隔離諧波和抑制無源濾波支路和系統內阻的並聯諧振的作用。當其用於具有高背景諧波及高諧波滲透率的電力系統時，它同時可以起到隔離電網及負載諧波的作用，兩側諧波電流流向無源濾波支路。

正因為串聯有源濾波器部分對諧波呈現非常高的感性阻抗，才可以對無源濾波支路進行簡化。這時，可以省略高次諧振濾波器及高通電力濾波器支路。基於此，本發明提出了無源濾波器的簡化設計方案，僅含三次無源濾波支路的無源濾波方式(三相系統為5次無源濾波器)，如圖4所示。圖4中三次lc濾波支路的電容和電感分別為c3和l3，且滿足1/ωc3＝9ωl3，忽略電感線圈的電阻和電源內阻zs，可得三次lc濾波支路的n次諧波等效阻抗為：由式(2)可知，隨著諧波次數的增加，逐漸接近於nωl3，當時，即由式(1)知很顯然，通過參數設計是很容易實現的。這樣，在串聯混合型有源濾波器的等效阻抗遠遠大於系統內阻時可以採用僅含三次無源濾波支路的無源濾波方式(三相系統為5次無源濾波器)，也就是採用僅僅有最低次特徵諧波的無源濾波器方式，即可實現很好的濾波效果，同時簡化了無源濾波器的設計。

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，並不用以限制本發明，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範圍之內。