CN105703366A - 同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法及装置，方法包括如下步骤：1）采用多个电力有源滤波器分别跨接接入各条供电母线与中性线之间，同时，在各条供电母线上布置电流传感器，各个电流传感器分别与跨界在对应供电母线与中性线之间的电力有源滤波器连接；2）各个电流传感器监测各条供电母线上的谐波干扰电流；3）各个电力有源滤波器基于反馈控制原理工作，使各个对应的电流传感器监测的供电母线上的谐波干扰电流达到最小，同时使中性线的谐波电流最小。本发明以双电力有源滤波器对地线连接方式，向供电母线注入一定的补偿谐波电流，同时消除供电母线上的差模及共模干扰，有效控制电网长输电缆的低频干扰传导及辐射发射量。

Description

同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法及装置

技术领域

本发明属于电磁兼容性领域，具体涉及一种同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法及装置。

背景技术

在输电电网中，发电机除了向电网以差模方式输出电能外，还将同时输出差模与共模干扰。差模干扰的特征是两根供电母线之间的干扰信号相位相反，此类干扰信号在设备内部不能相互抵消，因此是用电设备被干扰的主要原因。共模干扰的特征是两根供电母线之间的干扰信号相位相同，它通常不会以传导方式使设备被干扰，然而它是辐射发射超标的主要原因，超标的共模辐射信号极可能以缆线耦合等方式在其它设备的两根供电母线上感应出大小不等的干扰电流，从而使其它设备造成干扰。某发电机组－负载之间的电网干扰模型可由如附图1所示的模型表示。

该模型包括发电机绕组1、发电机机壳地2、第一绕组对地电容3、第二绕组对地电容4、差模电阻5、共模电阻6、第一供电母线7、地线8、第二供电母线9，负载10、第一负载对地电容11、第二负载对地电容12、负载机壳地13。第一供电母线7流过差模电阻5的电流I₇、第二供电母线9流过电流I₉、地线8流过共模电阻6的电流I₈，按照图1所示电流参考方向，由基尔霍夫定律，下式成立：

I₇+I₉-I₈＝0

设第一供电母线7、第二供电母线9上流过的有用电流为I₀，流过的差模干扰电流为I_dm，流过的共模干扰电流为I_cm，按照图1所示电流正方向，有

$\left\{\begin{array}{c}{I}_7=I_{cm}+I_{dm}+I_0\\ I_9=I_{cm}-I_{dm}-I_0\end{array}\right.$

可计算地线8流过电流I₈为

I₈＝2I_cm

可见地线电流只与共模干扰电流相关。

目前一般采用在设备供电端串入由安规电容(如X电容与Y电容)、共模扼流圈等元件构成EMI无源滤波器，抑制来自供电电缆的差模、共模干扰。同时也采用对线缆或设备追加屏蔽措施的方法，抑制共模辐射所带来的干扰。然而，某些电网具有如下不利于使用EMI无源滤波方法抑制干扰的特征：

(1)发电机组的输出母线对地分布电容难以精确控制，其交流谐波干扰能量同时以差模与共模形式存在，且干扰电流与上千安培的供电电流共存，若使用EMI无源滤波器方案，难以制作满足容量要求的电阻、线圈、电容器等无源器件；

(2)在DC～10kHz频率范围内，若共模干扰能量较大，则共模扼流线圈难以抑制该频率范围内的共模干扰；

(3)电网供电线缆及用电设备空间要求严格，因此供电电缆与某些敏感设备的信号电缆距离过近甚至成束捆扎，共模辐射引起的缆线间耦合干扰问题严重，对敏感设备造成干扰威胁，而在用电设备部位统一追加EMI滤波器或变更现行缆线布置成本很高，且效果难以保证。

目前电力有源滤波器已获得越来越广泛的应用，在附图1所示电网中，常规的电力有源滤波器并联式接入方式如附图2所示。

在此接法中，电力有源滤波器14跨接于第一供电母线7、第二供电母线9之间，与其相连的电流传感器15监测第一供电母线7的AD区间电流，根据电力有源滤波器的工作原理，电力有源滤波器14将以母线7上AD区间的干扰电流为0为目标，以反馈控制方式自动调节其所在支路输出的电流I₁₄，由反馈控制原理，理想状况下，电力有源滤波器14达到稳态后，向第一供电母线7提供的电流I₁₄为

I₁₄＝-(I_cm+I_dm)

此时第一供电母线7上AD区间的电流I_AD为

I_AD＝I₇+I₁₄＝I₀

即此时AD区间干扰电流为0，仅留有用电流I₀。

此时第二供电母线9上CF区间的电流I_CF为

I_CF＝I₉-I₁₄＝2I_cm-I₀

重新评估此时的差模及共模干扰电流状况，其共模干扰I_cm'为

I_cm'＝(I_AD+I_CF)/2＝I_cm

差模干扰I_dm'变为

I_dm'＝(I_AD-I_CF)/2-I₀＝-I_cm

可见此种方法接入电力有源滤波器，无法对共模干扰电流进行有效抑制，仅能改变差模干扰的量，当电网初始干扰I_cm＞I_dm时，不仅不能抑制干扰，甚至会加大差模干扰。

发明内容

本发明要解决的问题是，针对现有有源滤波器抑制干扰存在的上述不足，提供一种同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法及装置，主要用于抑制供电网络特别是整流发电机输出的直流电网中同时出现的DC～10k频率范围内的电网差模及共模谐波干扰，有效控制电网长输电缆的低频干扰传导及辐射发射量。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：

同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法，包括如下步骤：

1)采用多个电力有源滤波器分别跨接接入各条供电母线与中性线(地线)之间，同时，在各条供电母线上布置电流传感器，各个电流传感器分别与跨界在对应供电母线与中性线之间的电力有源滤波器连接；

2)各个电流传感器监测各条供电母线上的谐波干扰电流；

3)各个电力有源滤波器基于反馈控制原理工作，使各个对应的电流传感器监测的供电母线上的谐波干扰电流达到最小，同时使中性线的谐波电流最小。

按上述方案，步骤1)中，各个电力有源滤波器靠近发电机组布置，使发电机与用电设备之间的供电母线及中性线长输电缆的谐波干扰都达到最小。

本发明还提供了一种适用于上述同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法的同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波装置，包括：发电机绕组、发电机机壳地、第一绕组对地电容、第二绕组对地电容、第一供电母线、地线、第二供电母线、负载、第一负载对地电容、第二负载对地电容、负载机壳地，发电机绕组、发电机机壳地、第一绕组对地电容、第二绕组对地电容构成发电机，负载、第一负载对地电容、第二负载对地电容、负载机壳地构成用电设备，发电机与用电设备之间通过第一供电母线、地线、第二供电母线连接，第一供电母线上设置差模电阻，地线上设置共模电阻，还包括第一电力有源滤波器、第一电流传感器、第二电力有源滤波器、第二电流传感器，第一电力有源滤波器跨接于第一供电母线、地线之间，第一电流传感器布置于第一供电母线上并与第一电力有源滤波器相连；第二电力有源滤波器跨接于第二供电母线、地线之间，第二电流传感器布置于第二供电母线上并与第二电力有源滤波器相连。

本发明的工作原理是：经由统计，交流电源整流及谐波的传导干扰发射能量主要集中在DC～10kHz频率范围内，例如CE101标准，正是针对该类干扰，本发明提出的同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法，以双电力有源滤波器对地线连接的方式，分别测量不同供电母线的电流，并向供电母线注入一定的补偿谐波电流，达到将供电母线上的差模及共模干扰同时消除的目的，有效控制电网长输电缆的低频干扰传导及辐射发射量，克服传统的单有源电力滤波装置接入造成干扰“此消彼长”的问题。

本发明的有益效果为：以双电力有源滤波器对地线连接的方式，消除供电母线上的差模及共模干扰，有效控制电网长输电缆的低频干扰传导及辐射发射量，克服传统单有源电力滤波装置接入造成干扰“此消彼长”的问题。基于该需求制作相应的有源滤波装置，可同时抑制DC～10kHz频率范围内的电网差模及共模干扰。

附图说明

图1是发电机组－负载之间的电网干扰模型图；

图2是常规的单电力有源滤波器并联式接入模型图；

图3是本发明的双电力有源滤波器并联式接入模型图；

图4是未使用本发明时第一极母线20的电流时域波形图；

图5是未使用本发明时第一极母线20的电流频域波形图；

图6是未使用本发明时第二极母线21的电流时域波形图；

图7是未使用本发明时第二极母线21的电流频域波形图；

图8是未使用本发明时地线22的电流时域波形图；

图9是未使用本发明时地线22的电流频域波形图；

图10是实施例中本发明接入电网的示意图；

图11是使用本发明后第一极母线20的电流时域波形图；

图12是使用本发明后第一极母线20的电流频域波形图；

图13是使用本发明后第二极母线21的电流时域波形图；

图14是使用本发明后第二极母线21的电流频域波形图；

图15是使用本发明后地线22的电流时域波形图；

图16是使用本发明后地线22的电流频域波形图；

图中，1-发电机绕组，2-发电机机壳地，3-第一绕组对地电容，4-第二绕组对地电容，5-，6-共模电阻，7-第一供电母线，8-地线，9-第二供电母线，10-负载，11-第一负载对地电容，12-第二负载对地电容，13-负载机壳地，14-电力有源滤波器，15-电流传感器，16-第一电力有源滤波器，17-第一电流传感器，18-第二电力有源滤波器，19-第二电流传感器，20-第一极母线，21-第二极母线，22-地线，23-GH电力有源滤波器，24-JI电力有源滤波器，25-第一罗氏线圈，26-第二罗氏线圈，27-阻感负载，28-十二脉波整流发电机组。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参照图3所示，本发明实施例中同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波装置包括：发电机绕组1、发电机机壳地2、第一绕组对地电容3、第二绕组对地电容4、第一供电母线7、地线8、第二供电母线9、负载10、第一负载对地电容11、第二负载对地电容12、负载机壳地13，发电机绕组1、发电机机壳地2、第一绕组对地电容3、第二绕组对地电容4构成发电机，负载10、第一负载对地电容11、第二负载对地电容12、负载机壳地13构成用电设备，发电机与用电设备之间通过第一供电母线7、地线8、第二供电母线9连接，第一供电母线7上设置差模电阻5，地线8上设置共模电阻6，还包括第一电力有源滤波器16、第一电流传感器17、第二电力有源滤波器18、第二电流传感器19，第一电力有源滤波器16跨接于第一供电母线7、地线8之间，与其相连的第一电流传感器17布置于第一供电母线7的AD区间，用于监测第一供电母线7的AD区间电流；第二电力有源滤波器18跨接于第二供电母线9、地线8之间，与其相连的第二电流传感器19布置于第二供电母线9的CF区间，用于监测第二供电母线9的CF区间电流。

图3中，同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法，包括如下步骤：

1)采用双电力有源滤波器接入电网：分别在第一供电母线7、地线8、第二供电母线9上选择接入点A、B、C，其中A、B、C三点根据现场情况尽量靠近发电机侧；将第一电力有源滤波器16跨接于A、B之间，与之相连的第一电流传感器17布置于第一供电母线7的AD区间，获取实时电流监测值I_AD，其中第一电流传感器17根据现场情况尽量靠近A点布置；将第二电力有源滤波器18跨接于B、C之间，与之相连的第二电流传感器19布置于第二供电母线9的CF区间，获取实时电流监测值I_CF，其中第二电流传感器19应根据现场情况尽量靠近C点布置；

2)各个电力有源滤波器基于反馈控制原理工作，第一电力有源滤波器16力图使第一供电母线7的AD区间干扰电流最小，当达到稳态时，第一电力有源滤波器16通过节点A向第一供电母线7注入电流I₁₆＝-(I_cm+I_dm)；同理，第二电力有源滤波器18力图使第二供电母线9的CF区间干扰电流最小，达到稳态时，第二电力有源滤波器18通过节点C向第二供电母线9注入电流I₁₈＝-(I_cm-I_dm)；

此时，第一供电母线7上的AD区间电流I_AD为

I_AD＝I₇+I₁₆＝+I₀；

第二供电母线9上的CF区间电流I_CF为

I_CF＝I₉+I₁₈＝-I₀；

重新评估此时的差模及共模干扰电流状况，其共模干扰I_cm'变为

I_cm'＝(I_AD+I_CF)/2＝0；

差模干扰I_dm'变为

I_dm'＝(I_AD-I_CF)/2-I₀＝0。

显然本发明提出的有源滤波方法，理论上可完全消除母线AD及CF区间的差模干扰与共模干扰，仅保留有用的电流成分。

下面通过实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图10所示，该实施例包括一个由十二脉波整流发电机组28输出的直流电网，发电机基波频率为60Hz，其直流电压为1200V，根据十二脉波整流电路的谐波分析理论，其谐波包括以720Hz为基频的各次谐波频率成分。该频率范围内的谐波能量主要通过电缆传导方式及地电流辐射发射方式，对挂接于该电网的用电负载产生潜在干扰威胁。

当电网挂接电阻为0.3Ω,电感为0.1mH的阻感负载27且无任何滤波措施时，第一极母线20的电流时域、频域波形分别如图4、图5所示，第二极母线21的电流时域、频域波形分别如图6、图7所示，其地线22的时域、频域波形分别如图8、图9所示。

GH电力有源滤波器23、IJ电力有源滤波器24的谐波电流传感器为开合式第一罗氏线圈25、第二罗氏线圈26，GH电力有源滤波器23的两个补偿电流输出端分别为G、H，IJ电力有源滤波器24的两个补偿电流输出端分别为I、J。

为了抑制十二脉波整流发电机组28至用电设备(阻感负载27)中第一极母线20、第二极母线21、地线22三条长输电缆中的谐波干扰，采用GH电力有源滤波器23、IJ电力有源滤波器24靠近整流发电机组一侧布置的方案，连接图如附图10所示，其步骤为：

(1)将GH电力有源滤波器23的输出端G搭接至第一极母线20并保持良好电气连接，G搭接点可选的一个典型位置为发电机后第一个配电板处；在G搭接点之后至少1m电缆长度处，将第一极母线20穿过第一罗氏线圈25的中心孔并固定；将GH电力有源滤波器23的输出端H搭接至发电机机壳接地线22端子并保持良好电气连接；

(2)将IJ电力有源滤波器24的输出端I搭接至第二极母线21并保持良好电气连接，I搭接点可选的一个典型位置为发电机后第一个配电板处；在I搭接点之后至少1m电缆长度处，将第二极母线21穿过第二罗氏线圈26的中心孔并固定；将GH电力有源滤波器23的输出端J搭接至发电机机壳接地线22端子并保持良好电气连接；

(3)GH电力有源滤波器23、IJ电力有源滤波器24基于反馈控制原理工作，使对应的第一极母线20、第二极母线21上的谐波干扰电流达到最小，同时使地线22(中性线)的谐波电流最小：当GH电力有源滤波器23、IJ电力有源滤波器24正常工作时，其第一极母线20上测点K处的电流时域波形如图11所示、频域波形如图12所示，其第二极母线21上测点M处的电流时域波形如图13所示、频域波形如图14所示，其地线22上测点L处的时域波形如图15所示、频域波形如图16所示。

为定量描述本发明的谐波抑制效果，在720Hz～9360Hz频率范围内，本发明应用前后的谐波状况如表1和表2所示：

表1720Hz～5040Hz频率范围内谐波抑制效果

频率(Hz)	720	1440	2160	2880	3600	4320	5040
								本发明应用前第一极母线20的谐波电流(A)	33.07	4.96	1.68	1.15	0.75	0.42	0.22
本发明应用后第一极母线20的谐波电流(A)	0.14	0.20	0.10	0.07	0.03	0.03	0.01
								第一极母线20谐波电流衰减(dB)	-47.56	-28.08	-24.22	-24.87	-27.92	-22.56	-23.55
本发明应用前第二极母线21的谐波电流(A)	33.33	5.12	1.81	1.32	0.95	0.60	0.40
								本发明应用后第二极母线21的谐波电流(A)	0.08	0.17	0.10	0.07	0.04	0.04	0.03
第二极母线21谐波电流衰减(dB)	-52.21	-29.63	-25.43	-24.97	-28.37	-22.90	-22.98
								本发明应用前地线22的谐波电流(A)	0.32	0.17	0.14	0.18	0.20	0.19	0.18
本发明应用后地线22的谐波电流(A)	0.09	0.06	0.03	0.01	0.01	0.01	0.01
								地线22谐波电流衰减(dB)	-11.41	-9.17	-14.60	-21.73	-30.26	-23.67	-22.40

表25760Hz～9360Hz频率范围内谐波抑制效果

频率(Hz)	5760	6480	7200	7920	8640	9360
							本发明应用前第一极母线20的谐波电流(A)	0.14	0.07	0.02	0.07	0.12	0.20
本发明应用后第一极母线20的谐波电流(A)	0.01	0.01	0.00	0.01	0.02	0.06
							第一极母线20谐波电流衰减(dB)	-22.57	-17.91	-26.14	-14.71	-14.06	-10.91
本发明应用前第二极母线21的谐波电流(A)	0.34	0.30	0.24	0.19	0.17	0.17
							本发明应用后第二极母线21的谐波电流(A)	0.03	0.04	0.05	0.04	0.04	0.05
第二极母线21谐波电流衰减(dB)	-21.05	-18.10	-13.45	-14.33	-13.90	-10.98
							本发明应用前地线22的谐波电流(A)	0.20	0.24	0.25	0.25	0.30	0.38
本发明应用后地线22的谐波电流(A)	0.02	0.03	0.05	0.05	0.06	0.11
							地线22谐波电流衰减(dB)	-20.23	-18.33	-13.58	-14.37	-13.94	-10.92

可见使用本发明提供的方法后，极母线及地线上频率10kHz以下各次谐波均有不同程度的衰减。

以上所述为本发明的较佳实施例，旨在阐述本发明的典型实现方案及控制流程，然而由于电力电子器件及现场条件的多样性，因此本发明的实现方法具有较大灵活性，因此本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，例如，将实施例中的两台电力有源滤波器整合入一个机柜、采用多台电力有源滤波器增强其谐波抑制效果、对某模块进行局部改动以增强其功能，或者改变电力有源滤波器的接入工艺、搭接位置等措施，都落入本发明保护的范围。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (3)

1.同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）采用多个电力有源滤波器分别跨接接入各条供电母线与中性线之间，同时，在各条供电母线上布置电流传感器，各个电流传感器分别与跨界在对应供电母线与中性线之间的电力有源滤波器连接；

2）各个电流传感器监测各条供电母线上的谐波干扰电流；

3）各个电力有源滤波器基于反馈控制原理工作，使各个对应的电流传感器监测的供电母线上的谐波干扰电流达到最小，同时使中性线的谐波电流最小。

2.根据权利要求1所述的同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法，其特征在于，步骤1）中，各个电力有源滤波器靠近发电机组布置，使发电机与用电设备之间的供电母线及中性线长输电缆的谐波干扰都达到最小。

3.适用于上述权利要求1~2任一项所述的同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波方法的同时抑制差共模谐波干扰的有源滤波装置，包括：发电机绕组、发电机机壳地、第一绕组对地电容、第二绕组对地电容、第一供电母线、地线、第二供电母线、负载、第一负载对地电容、第二负载对地电容、负载机壳地，发电机绕组、发电机机壳地、第一绕组对地电容、第二绕组对地电容构成发电机，负载、第一负载对地电容、第二负载对地电容、负载机壳地构成用电设备，发电机与用电设备之间通过第一供电母线、地线、第二供电母线连接，第一供电母线上设置差模电阻，地线上设置共模电阻，其特征在于，还包括第一电力有源滤波器、第一电流传感器、第二电力有源滤波器、第二电流传感器，第一电力有源滤波器跨接于第一供电母线、地线之间，第一电流传感器布置于第一供电母线上并与第一电力有源滤波器相连；第二电力有源滤波器跨接于第二供电母线、地线之间，第二电流传感器布置于第二供电母线上并与第二电力有源滤波器相连。