CN102222910A - 滤波系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种滤波系统，包括一个无源滤波器、一个有源滤波器与一个耦合变压器，其中，所述有源滤波器连接在所述耦合变压器的初级，所述耦合变压器的次级与所述无源滤波器的电感元件并联。利用本发明所提供的滤波系统，可以处理的谐波频率更广，充分地利用有源滤波器的优点，无需附加电感设计，成本也更为低廉。

Description

滤波系统

技术领域

本发明涉及一种滤波系统，尤其涉及一种混合型滤波系统。

背景技术

电力系统经常会出现由于非线性负载造成的谐波电流，谐波电流会干扰临近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行，造成电力系统元器件的故障。为了减轻由谐波电流造成的此种影响，电力系统中一般会普遍使用谐波滤波器。

现有的谐波滤波器主要有三种类型：一种是无源滤波器，第二种是有源滤波器，还有一种混合型滤波器。

无源滤波器又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要谐波(3、5、7次谐波)构成低电抗旁路。但是，本领域技术人员都了解此类设备有着诸多不足，例如成本较高、在低压系统中效率较差、易造成系统在超前功率因数下工作，而且可能因为超载而损坏。

有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高，而且受硬件限制，在大容量场合无法使用。

混合型滤波器则是无源滤波器和有源滤波器的组合，既保留了这两种设备的优点，同时还克服了单独使用一种设备时的主要缺点。

美国专利申请US 2005/0083627A1中公开了一种如图1所示的电气化铁道用并联混合型电力滤波器，其有源滤波器通过一耦合变压器和一附加电感并联，再和无源滤波器串联接入电网，在该电力滤波器中使用了附加电感，作为有源滤波器和无源滤波器的耦合连接部件，由于附加电感的使用，需要进行额外的无源调谐电路支路设计。

在中国专利申请200510031832.0中，提供了一种谐振阻抗型混合有源电力滤波器及控制方法，该谐振阻抗型混合有源电力滤波器包括有源电力滤波器、无源电力滤波器，有源电力滤波器的输出接隔离变压器的原边，隔离变压器的副边与串联谐振电路并联后再与无源滤波器串联，然后通过无源滤波器并入电网，在该方案中也使用了附加电感作为有源滤波器和无源滤波器的耦合连接部件。

但是，发明人发现，现有技术中的混合型滤波器在有源电力滤波器和无源电力滤波器并联时多使用附加电感作耦合连接元件，会同时涉及多种参数，而这些参数都会明显影响到该设备的正常工作。首先，需要设计调谐电路支路；第二，调谐电路支路不能处理“计划外”的谐波，而由于整流器故障等原因常会在实际的波形中出现这种“计划外”的谐波，所以现有技术无法对此进行处理；第三，在前述的电力系统中如果使用附加电感，则会改变先前安装的无源滤波器的特征参数，所以需要额外的无源调谐电路支路设计，而这样会降低混合滤波器的通用性。

发明内容

本发明旨在提供一种滤波系统，无需使用附加电感，并且可以有着更好的滤波效果。

为实现上述目的，本发明提出了一种滤波系统，包括一个无源滤波器、一个有源滤波器与一个耦合变压器，其中，所述有源滤波器连接在所述耦合变压器的初级，所述耦合变压器的次级与所述无源滤波器的电感元件并联。

优选地，所述无源滤波器还包括一个电容元件，通过所述电容元件接入电网。

优选地，所述无源滤波器的电感元件一端连接所述电容元件，另一端接地。

优选地，所述无源滤波器的电抗率为6％。

本发明实施例所提供的滤波系统有着更佳的滤波效果，可以处理的谐波频率更广，可以充分地利用有源滤波器的优点。由于有源滤波器是与无源滤波器现有的电感元件直接并联，无需任何附加电感设计，所以电路设计更为简单，成本也更为低廉。其滤波效果与无源滤波器电路是否进行了调谐无关，所以，无需再根据特定的非线性负载单独设计无源滤波器电路。当非线性负载所产生的谐波电流比较强时，有源滤波器上的电压(包括基波电压和谐波电压)会比较低，这样一来，有源滤波器对容量的要求也就比较低。由于无需为无源滤波器电路进行单独设计，也无需技术人员的专门服务，所以更易于在电力系统中实施。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1是现有技术中的一种混合型滤波系统；

图2是图1的等效电路图；

图3a是本发明提供的一种滤波系统的实施例；

图3b是本发明提供的另外一种滤波系统的实施例；

图4是图3a中实施例的等效电路图；

图5是图3a中实施例的一种实验结果波形图；

图6是图1所示系统的一种实验结果波形图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

图3a示出了本发明的一种实施例，其中，电源12通过电力线16连接非线性负载14，电力线16包括电抗元件18，用来模拟电源12对谐波的电抗。无源滤波器2包括一个电容元件4和与其串联的一个电感元件6。有源滤波器8控制成电流源，通过耦合变压器10直接与无源滤波器2的电感元件6并联，而无源滤波器2则通过电容元件4接入电网，另一端则通过电感元件6接地。

不仅如此，本发明实施例还提供了一种在三相电力系统中使用的滤波系统，如图3b所示。在该实施例中，三相电源12a、12b、12c通过电力线16a、16b、16c连接非线性负载14，三条电力线(16a、16b、16c)分别包括电抗元件18a、18b和18c，用来模拟三相电源12a、12b、12c对谐波的电抗。电容元件4a和与其串联的一个电感元件6a组成一个无源滤波器，电容元件4b和与其串联的一个电感元件6b组成一个无源滤波器，电容元件4c和与其串联的一个电感元件6c组成一个无源滤波器。有源滤波器8控制成电流源，通过耦合变压器10a、10b、10c直接与电感元件6a、6b、6c并联，而无源滤波器则通过电容元件4a、4b、4c接入电网，另一端则通过电感元件6a、6b、6c接地。

可以看出，在上述两个实施例中，与电容元件串联的电感既可以当作无源滤波器的感抗元件，配合电容元件实现无源滤波器的滤波功能，又可以当作附加电感，实现无源滤波器和有源滤波器在并联时的耦合连接。

在有源滤波器8的主电路中，可以采用现有技术中的单相或者三相桥式结构，而且，可以使用IGBT作为开关器件，通过驱动电路提供控制信号。利用前馈控制、反馈控制或者综合反馈控制来控制有源滤波器。

有源滤波器的谐波检测单元采用现有技术中的自适应噪声抵消(adaptivenoise cancellation)原理来检测各谐波分量。为了提高控制的稳定性，有源滤波器还采用滤波增益在线调节(filter gain online adjusting)技术，并且可以采用分频移相(frequency division phase shift)技术来提高动态响应能力。

图4所示为图3a中的实施例的等效电路图，其中：

z_ch为h次谐波时无源滤波器的电容电抗，

z_lh为h次谐波时无源滤波器的电感电抗，

i_sh为h次谐波时电网侧电流的谐波分量，

i_lh为h次谐波时非线性负载侧电流的谐波分量，

i_fh为h次谐波时流入滤波系统的电流，

v_sh为h次谐波时电网谐波电压，

z_sh为h次谐波时电网对谐波的电抗，

i_APF为h次谐波时有源滤波器的输出电流。

将有源滤波器控制为一个受控电流源，假设

i_APF＝k_s·i_sh                          (1)

根据公式(1)，将无源滤波器控制为一个受控电流源，根据图4，可以得到以下公式

$i_{\mathrm{sh}}=\frac{1}{z_{\mathrm{sh}}+z_{\mathrm{ch}}+(1+k_s)z_{\mathrm{lh}}}{v}_{\mathrm{sh}}+\frac{z_{\mathrm{ch}}+z_{\mathrm{lh}}}{z_{\mathrm{sh}}+z_{\mathrm{ch}}+(1+k_s)z_{\mathrm{lh}}}{i}_{\mathrm{lh}}---\left(2\right)$

已知

z_lh＝hz_l1

$z_{\mathrm{ch}}=\frac{z_{c1}}{h}---\left(3\right)$

其中，

z_l1为无源滤波器电感元件的基波电抗，z_c1为无源滤波器电容元件的基波电抗。

将公式(3)代入公式(2)，可以得到

$i_{\mathrm{sh}}=\frac{1}{z_{\mathrm{sh}}+\frac{z_{c1}}{h}+h(1+k_s)z_{l1}}{v}_{\mathrm{sh}}+\frac{\frac{z_{c1}}{h}+{\mathrm{hz}}_{l1}}{z_{\mathrm{sh}}+\frac{z_{c1}}{h}+h(1+k_s)z_{l1}}{i}_{\mathrm{lh}}---\left(4\right)$

实际上，一般用无源滤波器的基波感抗与基波容抗之比来表示其电抗率，电抗率一般取4％至6％。在本实施例中，无源滤波器的电抗率取

$\frac{z_{l1}}{z_{c1}}=6\%---\left(5\right)$

另外，一般情况下电源电抗非常小，比如|z_s|≈0。考虑到z_sh≈0，结合公式(5)，公式(4)可以表示为

$i_{\mathrm{sh}}=\frac{1}{\frac{17z_{l1}}{h}+h(1+k_s)z_{l1}}{v}_{\mathrm{sh}}+\frac{\frac{17}{h}+h}{\frac{17}{h}+h(1+k_s)}{i}_{\mathrm{lh}}---\left(6\right)$

交流电流的谐波分量与负载侧谐波分量之比为滤波系统的滤波效果，对公式(6)进行整理后，该比值为

$\frac{i_{\mathrm{sh}}}{i_{\mathrm{lh}}}=\frac{\frac{17}{h}+h}{\frac{17}{h}+h(1+k_s)}---\left(7\right)$

可以看到，本实施例的滤波效果仅仅取决于谐波次数h和增益系数k_s，与无源滤波器是否调谐无关。在将增益系数k_s取较大的值时，本发明实施例可以显然取得非常好的滤波效果。

另外一方面，有源滤波器上的基波电压可以表示为

$v_{\mathrm{ah}}=\frac{z_{\mathrm{lh}}}{z_{\mathrm{ch}}+z_{\mathrm{lh}}}{v}_{\mathrm{sh}}---\left(8\right)$

根据公式(8)，由于电感元件的电抗实际上要远远小于电容电抗，所以，本发明实施例对有源滤波器的电容也只做很小的要求。

滤波系统对非线性负载所产生的谐波电流的滤波率可以定义为

$F_{\mathrm{sl}}=1-\frac{i_{\mathrm{sh}}}{i_{\mathrm{lh}}}=1-G_{\mathrm{sl}}---\left(9\right)$

其中，G_sl为系统谐波电流与负载谐波电流之比。可以看出，滤波率越高，则滤波设备的滤波效果越好。

发明人为本发明实施例进行了实验模拟，以验证本发明实施例的效果。

根据公式(2)和公式(9)可以得到以下公式：

$G_{\mathrm{sl}}=\frac{i_{\mathrm{sh}}}{i_{\mathrm{lh}}}=\frac{z_{\mathrm{ch}}+z_{\mathrm{lh}}}{z_{\mathrm{sh}}+z_{\mathrm{ch}}+(1+k_s)z_{\mathrm{lh}}}=\frac{\frac{1}{\mathrm{hj}{\mathrm{\ω}}_0{C}_c}+(\mathrm{hj}{\mathrm{\ω}}_0{L}_l+R_l)}{(\mathrm{hj}{\mathrm{\ω}}_0{L}_s+R_s)+\frac{1}{\mathrm{hj}{\mathrm{\ω}}_0{C}_c}+(1+k_s)(\mathrm{hj}{\mathrm{\ω}}_0{L}_l+R_l)}---\left(10\right)$

其中，

z_lh＝hjω₀L_l+R_l+R_APF

z_sh＝hjω₀L_s+R_s，

$z_{\mathrm{ch}}=\frac{1}{{\mathrm{hj\ω}}_0{C}_c},$

ω₀为电力系统的基波频率。

一般情况下，可以认为电感器包括一个电感元件和一个小的电阻元件。R_APF为与无源滤波器电感元件耦合的有源滤波器的电抗。以上参数假设为下：

L_l＝4.6mH   R_l＝0.144Ω         R_APF＝0.721Ω

C_c＝132μF

L_s＝4.6×10^-2mH  R_s＝1.44×10^-3Ω

ω₀＝50Hz

无源滤波器的电抗率等于

$\frac{{\mathrm{\ω}}_0{L}_l}{\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_0{C}_c}}=6\%---\left(11\right)$

图5示出了G_sl与电源频率在不同的增益系数下的曲线图。可以看出，本发明实施例对于200Hz以上的谐波电流有着比较好的滤波效果。此外，随着反馈的增益系数的增加，滤波设备的滤波效果越好。

表1示出了在不同次数的谐波在不同反馈的增益系数(k_s＝1，5，10)下的滤波率(F_sl)。可以明显看到，如果反馈的增益系数大于5，则本发明实施例对于200Hz以上的谐波电流有着非常好的滤波效果。此外，本发明实施例的滤波率随着谐波频率的增加而缓慢降低，也就是说，本发明实施例充分利用了有源滤波器的优点。

表1

假设负载所产生的谐波电流的第5、7、11、13、17和19次谐波振幅等于0.2，0.143，0.091，0.077，0.059和0.053pu，如果本发明滤波系统与电力系统并联，便可以确定流入电源侧的谐波电流的振幅，如表2所示。同样，根据得到的总谐波失真(THD)值，可以证明各次谐波的振幅明显得以降低。

表2

现有技术中有一种混合型滤波系统(如图1所示)，该滤波系统使用了附加电感，如图2所示的该混合滤波系统的等效电路图，除以上所述的其他参数外，z_fh为h次谐波时无源滤波器的电抗，z_ah为h次谐波时附加电感的电抗。

将有源滤波器控制为一个受控电流源，同样根据公式(1)，则可以得到如下公式：

$i_{\mathrm{sh}}=\frac{1}{z_{\mathrm{sh}}+z_{\mathrm{fh}}+(1+k_s)z_{\mathrm{ah}}}{v}_{\mathrm{sh}}+\frac{z_{\mathrm{fh}}+z_{\mathrm{ah}}}{z_{\mathrm{sh}}+z_{\mathrm{fh}}(1+k_s)z_{\mathrm{ah}}}{i}_{\mathrm{lh}}---\left(12\right)$

其中，k_s是有源滤波器反馈的增益系数。

公式(12)中

表示电网侧的谐波电流，而

表示负载侧的谐波电流，一般情况下，电网侧的谐波电流要小于负载侧的谐波电流。

在公式(12)中，无源滤波器通常会调谐在谐振频率附近，所以z_fh在谐振频率时非常小，接近为0。当z_fh≈0时，如果将k_s取较大的值，理论上讲，混合型滤波系统可以在谐振频率获得一个比较好的滤波效果。

而且，从图2中还可以得知以下公式

$v_{\mathrm{ah}}\≈\frac{z_{\mathrm{ah}}}{z_{f_h}+z_{\mathrm{ah}}}{v}_{\mathrm{sh}}---\left(13\right)$

可以看出，施加于有源滤波器上的电压值可以小于电源电压。对比公式(8)和(13)，当由非线性负载所产生的谐波电流比较大时，本发明实施例中对有源滤波器的总功率(包括基波容量和谐波容量)要求也要比现有技术中的要小。

在现有技术中，因为无源滤波器和有源滤波器均属于成熟产品，而在组合成并联混合型滤波系统时需要进行耦合连接，所以，现有技术中存在这样的通用做法，即增加一个附加电感作为二者的耦合连接元件(如背景技术部分的美国专利申请US 2005/0083627A1和中国专利申请200510031832.0等等)，这样可以在逻辑上简单地形成一个混合型滤波器。

但是，现有技术中的该混合型滤波器的设计涉及多种参数，而这些参数都会明显影响到该设备的正常工作。首先，问题在于需要设计调谐电路支路，以便对于交流电源侧所允许的频率变化范围提供适当的衰减。因为当电源频率变化加大时，或者当温度变化导致电容变化时，预设的谐振频率波动也会变大，各调谐电路支路中特定的元器件的值也会变得不切合实际。第二，调谐电路支路不能处理“计划外”的谐波，而由于整流器故障等原因常会在实际的波形中出现这种“计划外”的谐波，而现有技术则无法对此进行处理。第三，在前述的电力系统中使用附加电感会改变先前安装的无源滤波器的特征参数，所以需要额外的无源调谐电路支路设计，而这样会降低混合滤波器的通用性。

在现有技术中的滤波系统中，根据公式(12)和(9)，假定增益系数k_l同样设为1，可以得到以下公式

$k_{\mathrm{sl}}=\frac{z_{\mathrm{fh}}+z_{\mathrm{ah}}}{z_{\mathrm{sh}}+z_{f_h}+(1+k_s)z_{\mathrm{ah}}}=\frac{({\mathrm{hj\ω}}_0{L}_f+R_f+\frac{1}{{\mathrm{hj\ω}}_0{C}_f})+({\mathrm{hj\ω}}_0{L}_a+R_a)}{({\mathrm{hj\ω}}_0{L}_s+R_s)+({\mathrm{hj\ω}}_0{L}_f+R_f+\frac{1}{\mathrm{hj}{\mathrm{\ω}}_0{C}_f})+(1+k_s)({\mathrm{hj\ω}}_0{L}_a+R_a)}---\left(14\right)$

其中，

$z_{\mathrm{fh}}={\mathrm{hj\ω}}_0{L}_f+R_f+\frac{1}{\mathrm{hj}{\mathrm{\ω}}_0{C}_f}$

z_sh＝hjω₀L_s+R_s

z_ah＝hjω₀L_a+R_a

参数如下：

L_f＝3.07mH    R_f＝0.0964Ω

L_a＝1.535mH   R_a＝0.0482Ω      R_APF＝0.721Ω

C_f＝132μF

L_s＝4.6×10^-2mH     R_s＝1.44×10^-3Ω

ω₀＝50Hz

类似地，R_APF为与附加电感耦合的有源滤波器的电抗，无源滤波器支路的电感元件与附加电感的电抗率为4％和2％，也就是说，根据公式(11)，无源滤波器支路的总电抗率为6％。根据模拟中所选择的参数，可以对现有技术中的滤波器与本发明实施例所提供的滤波系统进行对比，参见图6。根据参数L_f和C_f’可以看出，无源滤波器调谐至250Hz。

表3示出了在不同次数的谐波在不同反馈的增益系数(k_s＝1，5，10)下的滤波率(F_sl)。可以明显看到，由于使用了附加电感，改变了无源滤波器支路的调谐频率，所以现有技术中此种类型的混合型滤波器需要对无源滤波器支路进行必要的设计。在表3中同样可以看出，随着谐波频率的增加，滤波率急剧降低，也就是说，这样的滤波器无法处理无源滤波器调谐范围外的谐波电流。所以，无法有效利用有源滤波器可以处理各次谐波电流的优点。

表3

与表2类似地，可以得到表4。

表4

对比可以明显看出，与现有技术相比，本发明实施例所提供的滤波系统有着更佳的滤波效果，可以处理的谐波频率更广，可以充分地利用有源滤波器的优点。由于有源滤波器是与无源滤波器现有的电感元件直接并联，无需任何附加电感设计，所以电路设计更为简单，成本也更为低廉。本发明实施例的滤波效果与无源滤波器电路是否进行了调谐无关，所以，无需再根据特定的非线性负载单独设计无源滤波器电路。当非线性负载所产生的谐波电流比较强时，有源滤波器上的电压(包括基波电压和谐波电压)会比较低，这样一来，有源滤波器对容量的要求也就比较低。由于无需为无源滤波器电路进行单独设计，也无需技术人员的专门服务，所以更易于在电力系统中实施。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种滤波系统，其特征在于，包括一个无源滤波器(2)、一个有源滤波器(8)与一个耦合变压器(10)，其中，所述有源滤波器(8)连接在所述耦合变压器(10)的初级，所述耦合变压器(10)的次级与所述无源滤波器(2)的电感元件(6)并联。

2.如权利要求1所述的滤波系统，其特征在于，所述无源滤波器(2)还包括一个电容元件(4)，通过所述电容元件(4)接入电网。

3.如权利要求2所述的滤波系统，其特征在于，所述无源滤波器(2)的电感元件(6)一端连接所述电容元件(4)，另一端接地。

4.如权利要求1-3任意一项所述的滤波系统，其特征在于，所述无源滤波器(2)的电抗率为6％。

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