CN103746381A - 一种混合型无源电力滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合型无源电力滤波器，包括串联在电力系统与负载或微网之间的串联无源电力滤波单元，以及与负载或微网并联的并联无源电力滤波单元；串联无源电力滤波单元用于使基波通过且对谐波隔离；并联无源电力滤波单元用于滤除谐波并对基波进行无功补偿。串联无源电力滤波单元包括依次串联连接的第一电抗器和第一电容器，并联无源电力滤波单元包括依次串联连接的第二电抗器和第二电容器。第一电抗器和第一电容器设计为对基波串联谐振；第二电抗器和第二电容器设计为对最低次谐波(或者背景谐波)串联谐振；并联无源电力滤波单元对最低次谐波呈极低阻抗、对其他谐波呈现较低阻抗，为谐波提供了通路，实现了对谐波的滤除。

Description

一种混合型无源电力滤波器
技术领域
本发明属于电力滤波技术领域，更具体地，涉及一种混合型无源电力滤波器。
背景技术
电力电子变换装置是目前电力系统中最主要的谐波源，受谐波源和系统阻抗的影响，和谐波源并联的母线和更高电压等级的母线上就会含有一定的背景谐波。新能源接入电网所采用的逆变器也会产生背景谐波，传统电网和分布式电源及微网系统的谐波渗透率越来越高。加装电力滤波器是解决电力系统谐波的有效方法之一，电力滤波器一般分为无源电力滤波器和有源电力滤波器。无源电力滤波器又分为传统的并联无源电力滤波器和串联无源电力滤波器。传统的无源电力滤波器特指由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，是一种并联无源电力滤波器，其典型的代表就是单调谐LC滤波器。该传统并联无源电力滤波器是目前使用最为广泛和成熟的谐波抑制手段。串联无源电力滤波器国际上研究较多的是采用LC并联谐振的串联无源电力滤波器，这种采用LC并联谐振的串联无源电力滤波器是传统并联无源电力滤波器的对偶方式，所以为了隔离谐波要串联多个基于LC并联谐振的无源电力滤波器，系统比较复杂。
在实际中可以将并联无源电力滤波器和串联无源电力滤波器结合起来构成串并联混合型无源电力滤波器。与串并联混合型无源电力滤波器相关的发明主要有两类：(1)“谐波抑制装置(授权公告号为CN1167177C)”和“混合型电力滤波器(授权公告号为CN100555794C)”，这两种谐波抑制装置是在“基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器的方法及系统(发明申请号：99120103.5)”的基础上发展起来的，所以其中必须包含一个变压器来构成所谓的“零磁通变流器”。(2)“一种串并联隔离无源电力滤波器(授权公告号为CN100541967C)”，这个申请文件中并联无源电力滤波器部分第二电容器和第二电抗器对基波谐振，第二电容器和第二电抗器几乎承受全部的基波电压，所以电抗器和电力电容器的容量相对较大。同时由于整个并联无源电力滤波器有两个谐振点，加上电抗器并非理想电感(会含有一定的电阻成分)，调谐起来比较困难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种结构简单的混合型无源电力滤波器，由此解决滤波器系统谐波阻抗很小和无源电力滤波器支路太多的技术问题。
本发明提供了一种混合型无源电力滤波器，包括串联在电力系统与负载或微网之间的串联无源电力滤波单元，以及与所述负载或微网并联的并联无源电力滤波单元；所述串联无源电力滤波单元用于使基波通过且对谐波隔离；所述并联无源电力滤波单元用于滤除谐波并对基波进行无功补偿。
本发明提供了一种混合型无源电力滤波器，包括串联在电力系统与负载或微网之间的串联无源电力滤波单元，以及与所述电力系统并联的并联无源电力滤波单元；所述串联无源电力滤波单元用于使基波通过且对谐波隔离；所述并联无源电力滤波单元用于滤除谐波并对基波进行无功补偿。
其中，所述混合型无源电力滤波器还包括变压器T，所述变压器T的高压侧与所述串联无源电力滤波单元连接，所述变压器T的低压侧与所述并联无源电力滤波单元连接。
其中，所述串联无源电力滤波单元包括依次串联连接的第一电抗器L1和第一电容器C1，所述第一电抗器L1的非串联连接端与所述电力系统连接，所述第一电容器C1的非串联连接端与所述负载或微网连接。
其中，所述串联无源电力滤波单元包括依次串联连接的第一电容器C1和第一电抗器L1，所述第一电容器C1的非串联连接端与所述电力系统连接，所述第一电抗器L1的非串联连接端与所述负载或微网连接。
其中，所述第一电抗器的电感值L1与所述第一电容器的电容值C1满足关系式ωL1=1/(ωC1)，ω为电力系统基波的角频率。
其中，所述并联无源电力滤波单元包括依次串联连接的第二电抗器L2和第二电容器C2，所述第二电抗器L2的非串联连接端连接在所述串联无源电力滤波单元与所述负载或微网的连接端；所述第二电容器C2的非串联连接端接地。
其中，所述并联无源电力滤波单元包括依次串联连接的第二电容器C2和第二电抗器L2，所述第二电容器C2的非串联连接端连接在所述串联无源电力滤波单元与所述负载或微网的连接端；所述第二电抗器L2的非串联连接端接地。
其中，所述第二电抗器的电感值L2与所述第二电容器的电容值C2满足关系式nωL2=1/(nωC2)，n为最低次谐波的谐波次数，ω为电力系统基波的角频率。
本发明中，串联部分提高系统谐波阻抗，并联部分对最低次谐波呈现低阻抗，对其他次谐波也呈现较低阻抗，简化了并联无源电力滤波器的设计。
附图说明
图1为串并联混合型无源电力滤波器的结构示意图；
图2为串并联混合型无源电力滤波器的第二实施结构示意图；
图3为串并联混合型无源电力滤波器的应用到分布式发电或者微网系统时的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例将基于LC串联谐振的串联无源电力滤波器和传统并联无源电力滤波器结合起来，得出另一种串并联混合型无源电力滤波器，其基本电路如图1，包括串联在电力系统1与负载或微网2之间的串联无源电力滤波单元3，以及与所述负载或微网2并联的并联无源电力滤波单元4；串联无源电力滤波单元3用于使基波通过且对谐波隔离；并联无源电力滤波单元4用于滤除谐波并对基波进行无功补偿。
本发明实施例中，串联无源电力滤波单元3串联在电力系统1(包括舰船、航天系统和高低频的供电系统)和谐波负载2、电力系统1和微网2(或者分布式电源)中间，对基波呈现极低阻抗、对谐波呈现较高阻抗，使基波可以基本没有影响顺利通过，对谐波(包括各种背景谐波)起到隔离的作用。并联无源电力滤波单元4对所要滤除的最低次谐波串联谐振，对最低次谐波呈现极低阻抗，对其他次谐波呈较低阻抗，使负载产生的谐波几乎全部流入该并联无源电力滤波单元4，实现了对谐波的滤除，同时还可以对基波进行无功补偿。
其中，串联无源电力滤波单元3包括依次串联连接的第一电抗器L1和第一电容器C1，第一电抗器L1的非串联连接端与电力系统1连接，第一电容器C1的非串联连接端与负载或微网2连接。并联无源电力滤波单元4包括依次串联连接的第二电抗器L2和第二电容器C2，第二电抗器L2的非串联连接端连接在串联无源电力滤波单元3与负载或微网2的连接端；第二电容器C2的非串联连接端接地。
本发明实施例中，第一电抗器L1和第一电容器C1串联联接，第一电抗器L1和第一电容器C1设计为对基波串联谐振，ωL1=1/(ωC1)，其中L1为第一电抗器L1的电感值，C1为第一电容器C1的电容值；第一电容器C1和第一电抗器L1串联在一起构成了串联无源电力滤波单元3，该串联无源电力滤波单元3串联在电力系统1和谐波负载2、电力系统1和微网2(或者分布式电源)中间，起隔离谐波(包括各种背景谐波)的作用。第二电抗器L2和第二电容器C2串联联接，第二电抗器L2和第二电容器C2设计为对谐波源产生的最低次谐波串联谐振，nωL2=1/(nωC2)(式中，n为最低次谐波的谐波次数，ω为电力系统基波的角频率，L2为第二电抗器L2的电感值，C2为第二电容器C2的电容值)。第二电抗器L2和第二电容器C2串联在一起后并联到系统中，构成了并联无源电力滤波单元4。
在本发明实施例中，第一电抗器L1和第一电容器C1对于基波串联谐振，第一电抗器L1和第一电容器C1串联在一起构成了串联无源电力滤波单元3。第二电抗器L2和第二电容器C2设计为对谐波源产生的最低次谐波串联谐振，第二电抗器L2和第二电容器C2串联在一起后并联到系统中，构成了并联无源电力滤波单元4。该串并联混合型无源电力滤波器的串联无源电力滤波单元3不包含所谓的“零磁通变流器”或者其他变压器，其并联无源电力滤波器采用传统的单调谐并联无源电力滤波器。
本发明的串联无源电力滤波单元3对基波呈现极低阻抗、对谐波呈现较高阻抗。并联无源电力滤波单元4对所要滤除的最低次谐波呈极低阻抗、对其他谐波呈现较低阻抗，为谐波提供了通路，实现了对谐波的滤除。并联无源电力滤波单元4可以采用星形接法和三角形接法。
本发明可以应用到高低压单相系统、三相系统、三相四线制或者多相系统中，也可以用于基波频率为工频，中频和高频的供电系统。
本发明可以采用如图2所示的实施方式进行联接，即将串联无源电力滤波单元3接在变压器T的高压侧，而将并联无源电力滤波单元4接在变压器T的低压侧。为了适应传统电网、分布式发电并网逆变器、微网系统中的背景谐波，可以采用如图3所示的实施方式进行联接，即将并联无源电力滤波单元4从谐波源侧移到电力系统侧，实现对电力系统(包括微网和分布式发电等)的背景谐波的抑制。
为了系统稳定，串联无源电力滤波单元3和并联无源电力滤波单元4都可以进行脱谐设计，即让电抗器取值比谐振值稍微大一点点；因为电抗器取值略大于谐振值时，该无源电力滤波器2对基波也为感性阻抗，有利于系统稳定。系统中的串联电抗器单独使用还可以起到限流的作用，即系统起动时，将电容器短路，当启动完毕，再将电容器投入。除此以外，电容器还要增加放电线圈等常规保护元件。为了进行无功补偿在电网侧或者谐波负载侧还可以增加电容器或者其他的LC无源电力滤波器。
作为本发明的优化，上述普通电抗器均可以采用可调的电抗器，以便当系统参数发生改变时进行自动调谐。
本发明与现有技术(一种串并联隔离无源电力滤波器)最大的差别在于并联无源电力滤波器部分，本发明并联无源部分除了具有一种串并联隔离无源电力滤波器(授权公告号为CN100541967C)的滤波功能外，还可以根据实际需要对基波进行无功补偿，同时结构更加简单，调谐方便，减少了一个电抗器，和系统或者谐波负载产生谐振的可能性更小。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的混合型无源电力滤波器，以下结合附图和实例对本发明作进一步的说明。
图1所示，本发明由第一电抗器L1、第二电抗器L2、第一电容器C1和第二电容器C2构成。第一电抗器L1和第一电容器C1串联联接，第一电抗器L1和第一电容器C1设计为对基波串联谐振，ωL1=1/(ωC1)。第一电容器C1和第一电抗器L1串联在一起构成了串联无源电力滤波单元3。该串联无源电力滤波单元3串联在电力系统1和谐波负载2(或者微网，或者分布式电源)中间，对基波呈现极低阻抗、对谐波呈现较高阻抗，起隔离谐波(包括各种背景谐波)的作用。第二电抗器L2和第二电容器C2串联联接，第二电抗器L2和第二电容器C2设计为对谐波源产生的最低次谐波串联谐振，nωL2=1/(nωC2)(式中，n为最低次谐波的谐波次数)。第二电抗器L2和第二电容器C2串联在一起后并联到系统中，构成了并联无源电力滤波单元4。并联无源电力滤波单元4对最低次谐波呈极低阻抗、对其他谐波呈现较低阻抗，为谐波提供了通路，实现了对谐波的滤除，同时还可以对基波进行无功补偿。
本发明可以采用如图2所示的实施方式进行联接，即将串联无源电力滤波单元3接在变压器T的高压侧，而将并联无源电力滤波单元4接在变压器T的低压侧。为了适应传统电网、分布式发电并网逆变器、微网系统中的背景谐波，可以采用如图3所示的实施方式进行联接，即将并联无源电力滤波单元4从谐波源侧移到电力系统侧，实现对电力系统(包括微网和分布式发电等)的背景谐波的抑制。并联无源电力滤波单元4可以采用星形接法和三角形接法。
为了系统稳定，串联无源电力滤波单元3和并联无源电力滤波单元4都可以进行脱谐设计，即让电抗器取值比谐振值稍微大一点点。系统中的串联电抗器单独使用还可以起到限流的作用，即系统起动时，将电容器短路，当启动完毕，再将电容器投入。除此以外，电力电容器还要增加放电线圈等常规保护元件。为了进行无功补偿在电网侧或者谐波负载侧还可以增加电容器或者其他的LC无源电力滤波器。
本发明可以应用到高低压单相系统、三相系统、三相四线制或者多相系统中。也可以用于基波频率为工频，中频和高频的供电系统。
在本发明实施例中，串联无源电力滤波单元3中的第一电抗器L1和第一电容器C1可以互换位置，并联无源电力滤波单元4中的第二电抗器L2和第二电容器C2也可以互换位置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合型无源电力滤波器，其特征在于，包括串联在电力系统(1)与负载或微网(2)之间的串联无源电力滤波单元(3)，以及与所述负载或微网(2)并联的并联无源电力滤波单元(4)；
所述串联无源电力滤波单元(3)用于使基波通过且对谐波隔离；
所述并联无源电力滤波单元(4)用于滤除谐波并对基波进行无功补偿。
2.一种混合型无源电力滤波器，其特征在于，包括串联在电力系统(1)与负载或微网(2)之间的串联无源电力滤波单元(3)，以及与所述电力系统(1)并联的并联无源电力滤波单元(4)；
所述串联无源电力滤波单元(3)用于使基波通过且对谐波隔离；
所述并联无源电力滤波单元(4)用于滤除谐波并对基波进行无功补偿。
3.如权利要求1或2所述的混合型无源电力滤波器，其特征在于，所述混合型无源电力滤波器还包括变压器T，所述变压器T的高压侧与所述串联无源电力滤波单元(3)连接，所述变压器T的低压侧与所述并联无源电力滤波单元(4)连接。
4.如权利要求1-3任一项所述的混合型无源电力滤波器，其特征在于，所述串联无源电力滤波单元(3)包括依次串联连接的第一电抗器L1和第一电容器C1，所述第一电抗器L1的非串联连接端与所述电力系统(1)连接，所述第一电容器C1的非串联连接端与所述负载或微网(2)连接。
5.如权利要求1-3任一项所述的混合型无源电力滤波器，其特征在于，所述串联无源电力滤波单元(3)包括依次串联连接的第一电容器C1和第一电抗器L1，所述第一电容器C1的非串联连接端与所述电力系统(1)连接，所述第一电抗器L1的非串联连接端与所述负载或微网(2)连接。
6.如权利要求4或5所述的混合型无源电力滤波器，其特征在于，所述第一电抗器的电感值L1与所述第一电容器的电容值C1满足关系式ωL1=1/(ωC1)，ω为电力系统基波的角频率。
7.如权利要求1-3任一项所述的混合型无源电力滤波器，其特征在于，所述并联无源电力滤波单元(4)包括依次串联连接的第二电抗器L2和第二电容器C2，所述第二电抗器L2的非串联连接端连接在所述串联无源电力滤波单元(3)与所述负载或微网(2)的连接端；所述第二电容器C2的非串联连接端接地。
8.如权利要求1-3任一项所述的混合型无源电力滤波器，其特征在于，所述并联无源电力滤波单元(4)包括依次串联连接的第二电容器C2和第二电抗器L2，所述第二电容器C2的非串联连接端连接在所述串联无源电力滤波单元(3)与所述负载或微网(2)的连接端；所述第二电抗器L2的非串联连接端接地。
9.如权利要求7或8所述的混合型无源电力滤波器，其特征在于，所述第二电抗器的电感值L2与所述第二电容器的电容值C2满足关系式nωL2=1/(nωC2)，n为最低次谐波的谐波次数，ω为电力系统基波的角频率。
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