CN109815524B - 一种超高次谐波矩阵滤波器的设计方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种超高次谐波矩阵滤波器的设计方法和装置，本发明的方法和装置能够简单、快捷的获得矩阵滤波器的关键参数，使得其能够滤除超高次谐波的情况下可有效抑制谐振放大，并消除超高次谐波在配网系统内的传播与交互影响。
Description
技术领域
本申请属于电力系统谐波滤波技术领域，尤其是涉及一种超高次谐波矩阵滤波器的设计方法和装置。
背景技术
随着配电网智能化建设的深入和新能源的广泛接入，配电网的电力电子化趋势不可逆转，配网中光伏和储能逆变器、电动汽车充电桩等电力电子设备的渗透率越来越高，特别是开关频率更高的第三代功率半导体技术的快速发展，直接导致电力电子装置注入电网的谐波逐渐向着高频化方向延伸。同时，配电网中普遍存在的含整流器的照明设备也是典型的超高次谐波源，如LED灯、高压钠灯、紧凑型节能灯等。超高次谐波源实际已广泛分布在配电网中，其具有频谱跨度宽、起因多样的特征，而且超高次谐波极易在邻近设备之间传播并交互作用，诱发其它设备产生次生发射，给配电网中的电气设备运行和载波通信带来诸多不利的影响，由超高次谐波引起的电能质量问题将越来越多，其危害势必会越来越严重。
针对超高次谐波源在配电网中分布的广泛性、传播的邻近性，可通过加装滤波器进行有效抑制，但传统的滤波器由于自身结构问题会衍生出谐振问题，进而导致部分频段谐波放大，反而加剧了谐波的危害，通过现有技术也没有行之有效的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，该方法能够简单、快捷的获得矩阵滤波器的关键器件参数，使得其能够滤除超高次谐波的情况下可有效抑制谐振放大，并消除超高次谐波在配网系统内的传播与交互影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，
S1、根据设备是单相或三相的用电类型选定滤波器拓扑，并确认加装矩阵滤波器设备的额定电压UN和额定电流或最大运行电流IN，三相系统中额定电压为线电压，
单相滤波器拓扑为火线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，火线与零线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，火线与零线之间的并联导线与火线的连接点位于第一电感和第二电感之间，火线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻，
三相滤波器拓扑为每根相线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，每根相线与中性线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，每根相线与中性线之间的并联导线与相应相线的连接点位于第一电感和第二电感之间，每根相线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，每个并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻；
S2、确定网侧电抗的电感值L1和设备侧电抗的电感值L2，
L1＝0.8L0、L2＝0.2L0，
单相矩阵滤波器时
三相矩阵滤波器时
其中：IN为设备的额定电流或最大运行电流；L0为单相串联总电抗的电感值；f1为系统工频；
其中Ud＝(2％～4％)UN，Ud为滤波器串联电抗器两端基波压降；UN为设备的额定电压，在三相系统中该电压为线电压；
S3、确定滤波器并联支路的电容值C和电抗的电感值L3，
三相时
fres为滤波器设备侧谐振频率；
S4、确定滤波器电阻值为：
R1＝(5～10)·2πf1(L1+L3)；
R2＝(5～10)·2πf1L3。
优选地，本发明的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，fres的取值范围为fL<fres＝≤fU，fL为谐振频率的下限值，fU为谐振频率的上限值。
优选地，本发明的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，fL为1.25kHz，fU为2kHz。
优选地，本发明的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，系统工频f1为50Hz。
一种超高次谐波矩阵滤波器的设计装置，包括：
选定模块，根据设备是单相或三相的用电类型选定滤波器拓扑，并确认加装矩阵滤波器设备的额定电压UN和额定电流或最大运行电流IN，三相系统中额定电压为线电压，单相滤波器拓扑为火线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，火线与零线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，火线与零线之间的并联导线与火线的连接点位于第一电感和第二电感之间，火线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻，三相滤波器拓扑为每根相线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，每根相线与中性线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，每根相线与中性线之间的并联导线与相应相线的连接点位于第一电感和第二电感之间，每根相线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，每个并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻；
第一计算模块，用于确定网侧电抗的电感值L1和设备侧电抗的电感值L2，其中L1＝0.8L0、L2＝0.2L0，单相矩阵滤波器时
三相矩阵滤波器时
其中：IN为设备的额定电流或最大运行电流；L0为单相串联总电抗的电感值；f1为系统工频；其中Ud＝(2％～4％)UN，Ud为滤波器串联电抗器两端基波压降；UN为设备的额定电压，在三相系统中该电压为线电压；
第二计算模块，确定滤波器并联支路的电容值C和电抗的电感值L3，
第三计算模块，用于确定滤波器电阻值，电阻值：R1＝(5～10)·2πf1(L1+L3)；R2＝(5～10)·2πf1L3。
优选地，本发明的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，第二计算模块中fres的取值范围为fL<fres＝≤fU，fL为谐振频率的下限值，fU为谐振频率的上限值。
优选地，本发明的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，第二计算模块中fL为1.25kHz，fU为2kHz。
优选地，本发明的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，第一计算模块中系统工频f1为50Hz。
本发明的有益效果是：
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法和装置能够简单、快捷的获得矩阵滤波器的关键参数，使得其能够滤除超高次谐波的情况下可有效抑制谐振放大，并消除超高次谐波在配网系统内的传播与交互影响。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法流程示意图；
图2a为本发明实施例所提供的单相时矩阵滤波器拓扑图；
图2b为本发明实施例所提供的三相时矩阵滤波器拓扑图；
图3a为本发明实施例所举示例中仿真得到的矩阵滤波器电压传递特性图(设备向系统或邻近其它设备传播)；
图3b为本发明实施例所举示例中仿真得到的矩阵滤波器电压传递特性图(邻近设备向该设备传播传播)；
图4为本发明实施例所举示例中仿真得到的矩阵滤波器滤波效果图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。实施例
本实施例提供一种超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，如图1所示，包括：
S1、根据设备是单相或三相的用电类型选定滤波器拓扑，并确认加装矩阵滤波器设备的额定电压UN和额定电流或最大运行电流IN，三相系统中额定电压为线电压，
单相滤波器拓扑为火线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，火线与零线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，火线与零线之间的并联导线与火线的连接点位于第一电感和第二电感之间，火线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻，
三相滤波器拓扑为每根相线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，每根相线与中性线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，每根相线与中性线之间的并联导线与相应相线的连接点位于第一电感和第二电感之间，每根相线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，每个并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻；
S2、确定网侧电抗的电感值L1和设备侧电抗的电感值L2，
L1＝0.8L0、L2＝0.2L0，
单相矩阵滤波器时
三相矩阵滤波器时
其中：IN为设备的额定电流或最大运行电流；L0为单相串联总电抗的电感值；f1为系统工频；
其中Ud＝(2％～4％)UN，Ud为滤波器串联电抗器两端基波压降；UN为设备的额定电压，在三相系统中该电压为线电压；
S3、确定滤波器并联支路的电容值C和电抗的电感值L3，
三相时
fres为滤波器设备侧谐振频率；
S4、确定滤波器电阻值为：
R1＝(5～10)·2πf1(L1+L3)；
R2＝(5～10)·2πf1L3。
优选地，fres的取值范围为fL<fres＝≤fU，fL为谐振频率的下限值，fU为谐振频率的上限值。
优选地，fL为1.25kHz，fU为2kHz。
优选地，系统工频f1为50Hz。
本实施还提供一种超高次谐波矩阵滤波器的设计装置，其特征在于，包括：
选定模块，根据设备是单相或三相的用电类型选定滤波器拓扑，并确认加装矩阵滤波器设备的额定电压UN和额定电流或最大运行电流IN，三相系统中额定电压为线电压，单相滤波器拓扑为火线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，火线与零线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，火线与零线之间的并联导线与火线的连接点位于第一电感和第二电感之间，火线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻，三相滤波器拓扑为每根相线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，每根相线与中性线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，每根相线与中性线之间的并联导线与相应相线的连接点位于第一电感和第二电感之间，每根相线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，每个并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻；
第一计算模块，用于确定网侧电抗的电感值L1和设备侧电抗的电感值L2，其中L1＝0.8L0、L2＝0.2L0，单相矩阵滤波器时
三相矩阵滤波器时
其中：IN为设备的额定电流或最大运行电流；L0为单相串联总电抗的电感值；f1为系统工频；其中
Ud＝(2％～4％)UN，Ud为滤波器串联电抗器两端基波压降；UN为设备的额定电压，在三相系统中该电压为线电压；
第二计算模块，确定滤波器并联支路的电容值C和电抗的电感值L3，
其中，单相时
三相时
fres为滤波器设备侧谐振频率；
第三计算模块，用于确定滤波器电阻值，电阻值：R1＝(5～10)·2πf1(L1+L3)；R2＝(5～10)·2πf1L3。
优选地，第二计算模块中fres的取值范围为fL<fres＝≤fU，fL为谐振频率的下限值，fU为谐振频率的上限值。
优选地，第二计算模块中fL为1.25kHz，fU为2kHz。
优选地，第一计算模块中系统工频f1为50Hz。
以下以具体数值进行举例：
步骤1、首先根据设备的用电类型(单相或三相)选定滤波器拓扑，并确认加装矩阵滤波器设备的额定电压和电流。
本发明提出的超高次谐波矩阵滤波器的拓扑如图2所示，具体实现中，如果是单相用电设备则选择单相矩阵滤波器，若是三相用电设备则选择三相矩阵滤波器。对于无法直接获得设备的额定电流的情况，例如设备铭牌已无法查询该信息或者多个(数量未知)超高次谐波源设备集中滤波，可以测量其运行时的最大电流代替额定电流。
步骤2、按照串联滤波器造成压降允许范围求解出串联支路总电抗的电感值，并根据网侧电感大于负荷侧电感的原则进行分配；
该步骤的过程具体为：
一般情况下，为保证滤波器后端设备正常工作不受影响，矩阵滤波器的串联总电抗造成的基波压降需满足下列条件：
Ud＝(2％～4％)UN
其中：Ud为滤波器串联电抗器两端基波压降；UN为设备的额定电压，在三相系统中该电压为线电压。
根据欧姆定律进一步求得矩阵滤波器的串联总电抗的电感值：
单相矩阵滤波器：
三相矩阵滤波器：
其中：IN为设备的额定电流或最大运行电流；L0为单相串联总电抗的电感值；f1为系统工频(50Hz)。
一般按照下列比例将串联总电抗的电感值分配到网侧和设备侧，保证网侧电感大于设备侧电感。
L1＝0.8L0、L2＝0.2L0
其中：L1为网侧电抗的电感值；L2为设备侧电抗的电感值。
步骤3、基于配电网高功率因数运行特征，使滤波器感性无功等于容性无功，并结合矩阵滤波器谐振频率范围，分别求解出滤波器并联支路电感和电容的值。
该步骤的过程具体为：
实际上配电网的运行功率因数一直很高，无需矩阵滤波器提供额外的无功补偿能力，故滤波器要满足感性无功等于容性无功的要求，即
QF＝QL+QC＝QS+QP＝0
其中：QF为滤波器无功功率；QL为滤波器感性无功功率；QC为滤波器容性无功功率；QS为滤波器串联支路无功功率；QP为滤波器并联支路无功功率。
滤波器串联支路的无功功率为：
单相：
三相：
滤波器并联支路的无功功率为：
其中：L3为滤波器并联支路电抗的电感值；C为滤波器并联支路电容值。
为滤除超高次谐波，需要将滤波器的设备侧谐振频率规定在1.25～2kHz次以内,即：
其中：fL为谐振频率的下限值，1.25kHz；fU为谐振频率的上限值，2kHz。
进一步求得矩阵滤波器并联支路电抗的电感值表示为：
单相：
三相：
以及滤波器并联支路的电容值为：
步骤4、为抑制滤波器谐振放大，增大谐振阻尼，要根据电抗器的感抗值确认其并联无感电阻的阻值。
该步骤的过程具体为：
有效增大滤波器谐振阻尼，防止滤波器在低频段出现谐振放大现象，保证矩阵滤波器低频和高频滤波效果，同时兼顾滤波器的基波损耗，一般电阻值取其并联电抗器感抗值的5～10倍左右，此时电阻必须为无感电阻。求得滤波器电阻值为：
R1＝(5～10)·2πf1(L1+L3)
R2＝(5～10)·2πf1L3
下面结合具体示例对上述过程进行详细说明，本示例中所用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改，在本示例中，仅对单相超高次谐波矩阵滤波器进行设计，三相超高次谐波矩阵滤波器进行设计方法与此一致。
低压单相光伏逆变器额定容量为3kW，其额定电压为230V，额定电流为13A，规定串联滤波器压降为2％，根据上述方法求得滤波器串联支路电抗的电感值为：
本次滤波器设备侧谐振频率设置在1.75kHz处，进一步求出滤波器并联支路电感和电容值值为：
电阻值取并联电抗器感抗值的5倍，求得滤波器电阻值为：
R1＝5×2π×50×(0.902+1.98)×10-3＝4.53Ω
R2＝5×2π×50×1.98×10-3＝3.12Ω
将上述计算得到的矩阵滤波器参数代入单相拓扑中进行仿真，得到如图3所示的本发明实施例所举示例中矩阵滤波器电压传递特性图。当设备产生的超高次谐波向系统或邻近的其它设备传播时，被矩阵滤波器有效抑制，如图3(a)所示，其幅频特性衰减系数总小于0，滤波器的实际滤波效果可见图4，高次谐波基本被滤除，已经无法向系统或其它邻近设备传播；当超高次谐波由邻近设备向该设备传播时，也被矩阵滤波器有效抑制，且低频段不存在谐振放大问题，如图3(b)所示，此时幅频特性衰减系数总小于0，说明按照本发明方法设计得到的矩阵滤波器滤波性能卓越。
以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (8)
1.一种超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，其特征在于，
S1、根据设备是单相或三相的用电类型选定滤波器拓扑，并确认加装矩阵滤波器设备的额定电压UN和额定电流或最大运行电流IN，三相系统中额定电压为线电压，
单相滤波器拓扑为火线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，火线与零线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，火线与零线之间并联的导线与火线的连接点位于第一电感和第二电感之间，火线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，并联支路上的第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻，
三相滤波器拓扑为每根相线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，每根相线与中性线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，每根相线与中性线之间的并联导线与相应相线的连接点位于第一电感和第二电感之间，每根相线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，每个并联支路上的第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻；
S2、确定网侧电抗的电感值L1和设备侧电抗的电感值L2，
L1＝0.8L0、L2＝0.2L0，
单相矩阵滤波器时
三相矩阵滤波器时
其中：IN为设备的额定电流或最大运行电流；L0为单相串联总电抗的电感值；f1为系统工频；
其中Ud＝(2％～4％)UN，Ud为滤波器串联电抗器两端基波压降；UN为设备的额定电压，在三相系统中该电压为线电压；
S3、确定滤波器并联支路的电容值C和电抗的电感值L3，
三相时
fres为滤波器设备侧谐振频率；
S4、确定滤波器电阻值为：
R1＝(5～10)·2πf1(L1+L3)；
R2＝(5～10)·2πf1L3。
2.根据权利要求1所述的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，其特征在于，fres的取值范围为fL<fres≤fU，fL为谐振频率的下限值，fU为谐振频率的上限值。
3.根据权利要求2所述的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，其特征在于，fL为1.25kHz，fU为2kHz。
4.根据权利要求1-3任一项所述的超高次谐波矩阵滤波器的设计方法，其特征在于，系统工频f1为50Hz。
5.一种超高次谐波矩阵滤波器的设计装置，其特征在于，包括：
选定模块，根据设备是单相或三相的用电类型选定滤波器拓扑，并确认加装矩阵滤波器设备的额定电压UN和额定电流或最大运行电流IN，三相系统中额定电压为线电压，单相滤波器拓扑为火线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，火线与零线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，火线与零线之间的并联导线与火线的连接点位于第一电感和第二电感之间，火线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻，三相滤波器拓扑为每根相线上从网侧到设备侧依次连接的电感值为L1的第一电感和电感值为L2的第二电感，每根相线与中性线之间的并联支路依次连接有电感值为L3第三电感和电容值C的电容，每根相线与中性线之间的并联导线与相应相线的连接点位于第一电感和第二电感之间，每根相线上网侧与第三电感之间跨接电阻值为R1的电阻，每个并联支路上第三电感两端跨接电阻值为R2的电阻；
第一计算模块，用于确定网侧电抗的电感值L1和设备侧电抗的电感值L2，其中L1＝0.8L0、L2＝0.2L0，单相矩阵滤波器时
三相矩阵滤波器时
其中：IN为设备的额定电流或最大运行电流；L0为单相串联总电抗的电感值；f1为系统工频；其中Ud＝(2％～4％)UN，Ud为滤波器串联电抗器两端基波压降；UN为设备的额定电压，在三相系统中该电压为线电压；
第二计算模块，确定滤波器并联支路的电容值C和电抗的电感值L3，
其中，单相时
三相时
fres为滤波器设备侧谐振频率；
第三计算模块，用于确定滤波器电阻值，电阻值：R1＝(5～10)·2πf1(L1+L3)；R2＝(5～10)·2πf1L3。
6.根据权利要求5所述的超高次谐波矩阵滤波器的设计装置，其特征在于，第二计算模块中fres的取值范围为fL<fres≤fU，fL为谐振频率的下限值，fU为谐振频率的上限值。
7.根据权利要求6所述的超高次谐波矩阵滤波器的设计装置，其特征在于，第二计算模块中fL为1.25kHz，fU为2kHz。
8.根据权利要求5-7任一项所述的超高次谐波矩阵滤波器的设计装置，其特征在于，第一计算模块中系统工频f1为50Hz。
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