CN107230981A - 一种含谐波吸收器的串联混合型有源滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含谐波吸收器的串联混合型有源滤波器，包括有源滤波单元和无源滤波单元，有源滤波单元包括变压器、逆变器和检测控制单元，变压器一次侧AX串联在电网中，二次侧连接逆变器，检测控制单元用于检测一次侧的电压或电流信号，且驱动控制逆变器的开关管通断来产生电压或电流施加至所述变压器的二次侧，使得变压器的一次侧AX对基波呈现低阻抗且对谐波呈现高阻抗；无源滤波单元包括LC串并联支路，并联在谐波源负载的两端；工作时，有源滤波单元对基波表现为低阻抗，对高次谐波表现为高阻抗，无源滤波单元的串联部分在m次谐波频率处发生串联谐振，并吸收m次谐波电流，谐波便从无源滤波单元流通，不会流入电网中，实现滤除谐波的功能。

Description

一种含谐波吸收器的串联混合型有源滤波器
技术领域
本发明属于电力滤波器技术领域，具体涉及一种含谐波吸收器的串联混合型有源滤波器。
背景技术
随着电力电子器件制造技术和变流技术的迅猛发展，电力电子技术已经广泛应用于工业制造、家用电器、大型商场及办公大楼、医疗机构、智能电网等场合。由于电力电子装置为非线性负载，它的大规模应用必将带来谐波干扰和低功率因数的问题，谐波干扰问题可以通过滤波的方式进行解决，无源滤波器是目前应用最多的滤波方式，但要实现很好的滤波效果必然增加无源滤波器的滤波支路数，增大了无源滤波器的体积，同时由于系统的等效阻抗对无源滤波器的滤波效果有很大的影响，系统阻抗和无源滤波器支路的谐振现象也很容易出现，而且无源滤波器对解决低功率因数问题的能力有限。为了克服无源滤波器的这些缺点，人们提出了有源电力滤波器的概念。有源滤波器可以解决上述无源滤波器的问题，但是其成本相对较高，控制复杂，结合实际情况，根据拓扑结构主要研究的有三种有源滤波器：传统的并联型有源电力滤波器，混合型有源电力滤波器和统一电能质量调节器。
在这些有源电力滤波器中，串联混合型有源电力滤波器因成本低、滤波效果好、应用范围广泛、降低了谐振发生的可能性而备受关注。目前研究较多的串联混合型有源电力滤波器主要有以下四种：
(1)并联无源和串联有源的组合系统(SHAPF I)。代表性的论文有：F.Z.Peng，H.Akagi，A.Nabae.A New Approach to Harmonic Compensation in Power System-ACombined System of Shunt Passive and Series Active Filters.IEEETrans.Industry Applications，1990，26(6)：983～990。
(2)基于正弦电流控制的串联型有源滤波器(SHAPF II)。代表性的论文有：J.W.Dixon，G.Venegas，and L.A.Moran.A series active power filter based on asinusoidal current-controlled voltage-source inverter.IEEETrans.Ind.Electron.，vol.44，no.5，pp.612～620，Oct.1997。
(3)基于基波磁通补偿的有源滤波器(SHAPF III)。代表性的论文有：Dayi Li，Qiaofu Chen，Zhengchun Jia，Jianxing Ke.A novel active power filter withfundamental magnetic flux compensation.IEEE Transactions on Power Delivery，19(2):799-805，2004。
(4)一种新型串联混合型有源电力滤波器(SHAPF IV)。代表性的论文有：李达义，杨凯，孙玉鸿，熊博.一种新型串联混合型有源电力滤波器.电力系统自动化，2015，06:82-87。
这些混合型有源电力滤波器采用较小容量的有源滤波器和并联无源滤波器相结合完成大容量的滤波任务；其中的串联型有源滤波器部分不是直接补偿谐波而是起提高系统的谐波阻抗的作用，从而使谐波流入无源支路。
上述第一种和第二种串联混合型滤波器的串联部分等效为一个固定值K，因此无法保证在高次谐波时串联部分的阻抗远大于无源滤波器的等效阻抗，所以无源滤波器不仅需要设计5、7次(对三相系统而言)滤波支路，还需要设计高通滤波支路。而第三种和第四种串联混合型有源电力滤波器(SHAPF III和SHAPF IV)的串联部分的等效阻抗非常大，而且与谐波次数和频率成正比，所以系统等效谐波阻抗大大增加了，在这种情况下，系统的无源滤波器部分就可以考虑重新设计，而且根据这个特点系统的无源滤波器部分可以大为简化。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种含谐波吸收器的串联混合型滤波器，旨在解决普通的串联混合型有源滤波器的无源滤波单元数量多且参数设计复杂的问题，同时能够达到很好的滤波效果。
本发明提供了一种串联混合型滤波器，包括：有源滤波单元和无源滤波单元，有源滤波单元包括：变压器、逆变器和检测控制单元，变压器一次侧AX串联在电网中，二次侧连接逆变器，检测控制单元用于检测一次侧的电压或电流信号，且驱动控制所述逆变器的开关管通断来产生相应的电压或电流施加至所述变压器的二次侧，使得所述变压器的一次侧AX对基波呈现低阻抗且对谐波呈现高阻抗；无源滤波单元包括：LC串并联支路，所述LC串并联支路的并联部分由L和C构成，该并联部分再与L串联后即得电路拓扑的串联部分，所述LC串并联支路并联在谐波源负载的两端；工作时，有源滤波单元对基波表现为低阻抗，无源滤波单元的并联部分的L和C在基波频率处发生并联谐振，即对基波相当于开路，基波等效阻抗无穷大使得基波能顺利流过有源滤波单元，而其对高次谐波表现为高阻抗，无源滤波单元的串联部分在m次谐波频率处发生串联谐振，即对m次谐波相当于短路，m次谐波阻抗接近为零，起到吸收m次谐波电流的作用，此时无源滤波单元对谐波表现为低阻抗，谐波便从无源滤波单元流通，不会流入电网中，实现滤除谐波的功能，m为谐波次数，m≥3，m为整数。
更进一步地，对于谐波所述无源滤波单元的阻抗远小于同频率下所述有源滤波单元的阻抗。
更进一步地，无源滤波单元的并联部分包括：电感l1和电容c1，用于阻止基波流通。
更进一步地，串联部分包括：电感l2和并联部分的电感l1和电容c1，用于滤除m次谐波。
更进一步地，检测控制单元包括：电流互感器检测电路和驱动信号生成电路；电流互感器用于检测变压器一次侧和二次侧的电流信号，通过处理生成驱动信号并经过驱动电路驱动逆变器工作。
本发明还提供了一种三相电力系统，包括三套单相的串联混合型滤波器，每套单相的串联混合型滤波器为上述的串联混合型滤波器。
本发明所述的新型的无源滤波器部分和现有无源滤波器相比主要具有如下特点：
(1)设计简便，经过简化设计的无源滤波器部分只含有LC串并联无源滤波支路，参数设计简单。
(2)降低了成本，因为无源部分大大简化，所以成本会相应降低。
(3)滤波效果好，虽然无源滤波器部分只含LC串并联无源滤波支路，但是能达到含多个无源LC支路同样的滤波效果。
附图说明
图1本发明使用的串联混合型有源滤波器接入电网的单相原理电路；
图2为系统的基波等效电路图；
图3为系统的谐波等效电路图；
图4为本发明新型的无源滤波支路；
图5为本发明接入三相系统结构示意图。
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。
本发明是在上述提到的第三种和第四种串联混合型有源电力滤波器的串联部分的等效阻抗非常大的情况下，提出一种简化设计其无源滤波器部分的方案，本发明提出的这种方案可以解决无源滤波器设计的问题，使得无源滤波器的设计变得简单，同时又能够保证滤除负载侧高次谐波，防止负载谐波流入电网。
在本发明实施例提供的串联型混合滤波器中，串联混合型有源滤波器的等效阻抗远远大于系统内阻时可以采用仅含LC串并联无源滤波支路的无源滤波方式。
本发明实施例中，无源滤波器还可以由三套单相结构构成三相系统，应用于三相电力系统，具体如图5所示。
以下结合附图和实例对本发明所述的新型无源滤波器及其工作原理作进一步的说明。
本发明提供的串联混合型滤波器包括：有源滤波单元1和无源滤波单元2，有源滤波单元1包括变压器和逆变器以及检测控制单元，变压器一次侧AX串联在电网中，二次侧连接一个逆变器，检测控制单元用于检测一次侧的电压或电流信号，来驱动控制逆变器的开关管通断产生相应的电压或电流施加到变压器的二次侧，从而使得变压器的一次侧AX对基波呈现低阻抗，而对谐波呈现高阻抗；无源滤波单元2包括并联LC支路l1、c1和串联支路l2，串并联支路构成谐波吸收器并联在谐波源负载两端；整个串联混合型滤波器在工作时，有源滤波单元对基波表现为很低的阻抗，无源滤波单元的并联部分的L和C在基波频率处发生并联谐振，即对基波相当于开路，基波等效阻抗无穷大使得基波能顺利流过有源滤波单元；而其对高次谐波表现为高阻抗，无源滤波单元的串联部分在m次谐波频率处发生串联谐振，即对m此谐波相当于短路，m次谐波阻抗接近为零，起到吸收m次谐波电流的作用，此时无源滤波单元对谐波表现为低阻抗，谐波便从无源滤波单元流通，不会流入电网中，实现滤除谐波的功能。
一般情况下，无源滤波器的一条LC滤波支路是根据需要滤除的谐波次数进行设计电感L和电容C的值，当需要滤除所有的谐波时，需要针对不同次数的谐波分别设计LC滤波支路，才能达到很好的滤波效果，这样不但增加了无源滤波器中LC滤波支路的数量，增加成本，而且对各个滤波支路中电感L和电容C的值也需要分别设计，整个无源滤波单元的等效阻抗还可能和系统阻抗产生谐振。为了解决这个问题，本发明采用串联混合型滤波器，通过控制其有源滤波单元部分，使得有源滤波单元对基波表现为很低的阻抗，对谐波表现为很高的阻抗，这样谐波源负载的谐波电流就从对谐波表现为低阻抗的无源滤波单元流通，达到滤波效果。因为有源滤波单元对高次谐波的高阻抗作用，使得无源滤波单元的LC滤波支路不需要针对各次谐波进行设计，只需要针对低次谐波进行设计，使得无源滤波单元阻抗远小于同频率下有源滤波单元的阻抗，即可实现很好的滤除该次谐波的作用，也使得无源滤波单元得到应有的简化。
本发明的串联混合型有源滤波器接入电网的单相原理图如图1所示。其中和分别等效为电源电压Us的基波分量和背景谐波分量。Zs等效为系统内阻，ZF无源滤波支路阻抗。选取谐波电流源作为谐波负载，产生的谐波电流为IL，可以分解为基波分量和谐波分量
根据电路叠加原理，可以得出图1的系统基波及谐波等效电路，分别如图2、图3所示。其中和分别为电源电流Is的基波分量和谐波分量。IF为流经无源滤波器支路的电流，即基波分量和n次谐波分量之和。系统内阻Zs也可分解为系统基波阻抗和n次谐波阻抗串联变压器对应的基波和谐波原边等效阻抗分别为Z1+Z2和相应的无源滤波支路阻抗为ZF，其中基波和谐波阻抗分别为和
在负载谐波电流和电源背景谐波的共同作用下，图3中的谐波电流流入电网，可被写为：
通常在式(1)中有因此几乎为0。串联变压器对基波等效阻抗较低，而对谐波等效阻抗很高，从而起到隔离谐波和抑制无源滤波支路和系统内阻的并联谐振的作用。当其用于具有高背景谐波及高谐波渗透率的电力系统时，它同时可以起到隔离电网及负载谐波的作用，两侧谐波电流流向无源滤波支路。
正因为在SHAPF IV中串联有源滤波器部分对谐波呈现非常高的感性阻抗，才可以对无源滤波支路进行简化。这时，可以省略高次谐振滤波器及高通电力滤波器支路。基于此，本发明提出了一种新型的无源滤波器设计方案，一种串并联的无源滤波支路的无源滤波方式，如图4所示。图4中并联部分的电容和电感分别为c1和l1，且满足1/ωc1＝ωl1，串联部分电感为l2。因为串联部分在m次谐波频率处发生谐振，因此有：
因为这种新型的无源滤波器对基波等效阻抗无穷大，对m此谐波等效阻抗为0，起到吸收m次谐波电流的作用，因此可以称作一种新型的谐波电流吸收器。该谐波电流吸收器对n次谐波的等效阻抗为：
由式(3)可知，由于m是一个设计时已经确定好的值，随着谐波次数n的增加，逐渐接近于nωl2，当时，即由式(1)知很显然，通过参数设计是很容易实现的。这样，在串联混合型有源滤波器的等效阻抗远远大于系统内阻时可以采用新型的串并联谐波吸收器的无源滤波方式，可实现很好的滤波效果，同时简化了无源滤波器的设计。
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 (6)

1.一种串联混合型滤波器，其特征在于，包括：有源滤波单元(1)和无源滤波单元(2)，
所述有源滤波单元(1)包括：变压器、逆变器和检测控制单元，变压器一次侧AX串联在电网中，二次侧连接逆变器，检测控制单元用于检测一次侧的电压或电流信号，且驱动控制所述逆变器的开关管通断来产生相应的电压或电流施加至所述变压器的二次侧，使得所述变压器的一次侧AX对基波呈现低阻抗且对谐波呈现高阻抗；
所述无源滤波单元(2)包括：LC串并联支路，所述LC串并联支路的并联部分由L和C构成，该并联部分再与L串联后即得电路拓扑的串联部分，所述LC串并联支路并联在谐波源负载的两端；
工作时，有源滤波单元对基波表现为低阻抗，无源滤波单元的并联部分的L和C在基波频率处发生并联谐振，基波等效阻抗无穷大使得基波能顺利流过有源滤波单元，有源滤波单元对高次谐波表现为高阻抗，无源滤波单元的串联部分在m次谐波频率处发生串联谐振，吸收m次谐波电流，无源滤波单元对谐波表现为低阻抗，谐波便从无源滤波单元流通，不会流入电网中，实现滤除谐波的功能，其中，m为谐波的次数，m≥3，m为整数。
2.如权利要求1所述的串联混合型滤波器，其特征在于，对于谐波所述无源滤波单元(2)的阻抗远小于同频率下所述有源滤波单元(1)的阻抗。
3.如权利要求1或2所述的串联混合型滤波器，其特征在于，所述无源滤波单元的并联部分包括：电感l1和电容c1，用于阻止基波流通。
4.如权利要求1-3任一项所述的串联混合型滤波器，其特征在于，所述串联部分包括：电感l2和并联部分的电感l1和电容c1，用于滤除m次谐波。
5.如权利要求1-4任一项所述的串联混合型滤波器，其特征在于，所述检测控制单元包括：电流互感器检测电路和驱动信号生成电路；电流互感器用于检测变压器一次侧和二次侧的电流信号，通过处理生成驱动信号并经过驱动电路驱动逆变器工作。
6.一种三相电力系统，包括三套单相的串联混合型滤波器，其特征在于，每套单相的串联混合型滤波器为权利要求1-5任一项所述的串联混合型滤波器。
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