CN110071507A

CN110071507A - 单相串并联混合有源电力滤波器

Info

Publication number: CN110071507A
Application number: CN201910513373.1A
Authority: CN
Inventors: 张湘; 黄景春; 郭小舟; 董金文; 肖嵩; 郭育华; 卢国涛; 关振宏
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2019-06-14
Publication date: 2019-07-30

Abstract

本发明提供一种单相串并联混合有源电力滤波器，包括无源滤波电路和有源滤波电路。无源滤波电路包括四条单调谐滤波器支路和一条高通滤波器支路，单调谐滤波器支路和高通滤波器支路按并联方式依次连接；有源滤波电路包括一个并联有源滤波器和一个串联有源滤波器，并联有源滤波器和串联有源滤波器直流侧合并，共同使用一个电容C；并联有源滤波器与无源滤波电路串联构成一条支路和负载并联。本发明采用将有源电力滤波器和无源电力滤波器结合的混合电力滤波器能够克服两者的不足和困难，以较低成本获得单独采用有源电力滤波器方案的功效，同时突破了有源电力滤波器不能应用于大容量场合的限制。

Description

单相串并联混合有源电力滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器技术领域，具体涉及一种单相串并联混合有源电力滤波器。

背景技术

现今，电力电子技术和电能变换技术发展迅速，势头强劲，其研究愈发深入，应用领域也日愈广泛。工业、科研、医疗和民用等众多领域大量使用各类电力电子装置和设备，而且设备数量多、容量大。通常，电力电子设备被视作非线性负载，正常工作时会产生谐波电流，污染电网，造成电网的电能质量降低。谐波存在不少危害，带来许多不利影响和问题，如加速绝缘老化、损耗增加、局部过热、电磁骚扰和谐振过电压、过电流等，直接影响、干扰电气、电子和通讯设备的正常工作，严重时会导致设备装置失效，甚至造成损坏。谐波问题日趋突出，治理谐波日显重要。

可以通过两种渠道或途径解决谐波污染问题：其一，从谐波产生源着手，在电力电子装置、设备中加入吸收、消除谐波的功能，使这些装置不产生谐波；另外一种也是目前使用最多的方法，采用补偿装置、设备吸收或补偿谐波，减轻谐波源对电网和相关用电设备的影响。现存谐波补偿装置分为两种：无源电力滤波器和有源电力滤波器。无源电力滤波器由无源器件电感、电容和电阻连接构成。此类滤波器往往采用串、并联谐振结构在电力系统中构建某些特定频次谐波的低阻抗通道，分流、旁路谐波，迫使这些频次谐波的绝大多数成分从滤波通道中流过，进入电网的谐波量大大减少，从而达到谐波抑制的目的。无源电力滤波器的最大优势在于它的结构简单、成本低。然而，此类滤波器也存在一些明显的不足。如果运行中，电网和负载阻抗发生变化，无源电力滤波器结构参数不能随之作出相应改变，无法动态匹配阻抗，导致滤波性能降低。另外，无源电力滤波器与电网、负载可能存在某些特定频次谐波的串、并联谐振，产生谐波放大现象。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，它能够对幅值和频率均变化的谐波以及变化的无功进行补偿。其优势在于可动态滤除通频带内各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收，不会产生谐振。但是，由于造价过高、成本大，用户甚少，无法大范围应用。此外，受设备硬件限制，不能在大容量场合中使用。

综上所述，无源电力滤波器没有动态抑制谐波能力，只能滤除特定频次谐波，滤波范围较小，存在由串、并联谐振引起的谐波放大现象。对于有源电力滤波器而言，则存在成本高、大容量场合应用困难等缺点。

发明内容

因此针对上述不足及问题，本发明提出了一种单相混合有源电力滤波器。该电力滤波器将无源电力滤波器与并联有源电力滤波器串联，同时串联有源电力滤波器与负载串联。这种结构布局可有效解决、克服有源电力滤波器和无源电力滤波器分别单独使用时各自存在的不足、困难。本发明提出的混合有源电力滤波器适用于铁路接触网、照明等单相供电网。

具体的技术方案为：

单相串并联混合有源电力滤波器，包括无源滤波电路和有源滤波电路。

无源滤波电路包括四条单调谐滤波器支路和一条高通滤波器支路，单调谐滤波器支路和高通滤波器支路按并联方式依次连接。

四条单调谐滤波器支路分别为：电感L₃、电容C₃和电阻R₃串联构成3次谐波串联谐振支路，电感L₅、电容C₅和电阻R₅串联构成5次谐波串联谐振支路，电感L₇、电容C₇和电阻R₇串联构成7次谐波串联谐振支路，电感L₉、电容C₉和电阻R₉串联构成9次谐波串联谐振支路，分别分流由非线性负载产生的3次、5次、7次和9次谐波电流，是低频次谐波电流的主要流通通道。

所述的高通滤波器支路，为电感L_h与电阻R_h并联再和电容C_h串联构成一个二阶高通滤波支路，为11次及以上次数谐波电流提供低阻通道。

所述的有源滤波电路包括一个并联有源滤波器和一个串联有源滤波器，并联有源滤波器和串联有源滤波器直流侧合并，共同使用一个电容C。

串联有源滤波器包括变压器T_s、电感L₁、电容C₁、电感L_f、电容C_f、电阻R_f与IGBT管T₅、IGBT管T₆、IGBT管T₇、IGBT管T₈组成的全桥电路；电感L₁和电容C₁构成一个串联单调谐滤波器，其谐振频率为工频基波频率，负载基波电流流过它不会产生电压和能量损失；电感L_f、电容C_f和电阻R_f构成一个二阶最优低通滤波器，用于滤除PWM载波；串联有源滤波器被用作一个谐波阻抗器，与电网阻抗串联，提高电网支路对谐波的阻抗，从而使进入电网的谐波电流大幅减少，达到谐波抑制的目的。

并联有源滤波器包括变压器T_p、电感L与IGBT管T₁、IGBT管T₂、IGBT管T₃、IGBT管T₄组成的全桥电路，并联有源滤波器与无源滤波电路串联构成一条支路和负载并联。并联有源滤波器以整流方式从工频基波中抽取有功能量保持直流侧电容电压稳定，同时以逆变方式为谐波电流提供一个分流通道。

本发明采用将有源电力滤波器和无源电力滤波器结合的混合电力滤波器能够克服无源电力滤波器、有源电力滤波器两者的不足和困难，系统中大部分谐波由无源电力滤波器吸收滤除，使用小容量有源电力滤波器动态调整阻抗，抑制谐波放大。这种方式以较低成本获得单独采用有源电力滤波器方案的功效，同时突破了有源电力滤波器不能应用于大容量场合的限制。

附图说明

图1为本发明串并联混合有源电力滤波器电路拓扑图；

图2为实施例瞬时有功电流、无功电流和谐波电流检测方法；

图3为实施例接入混合有源电力滤波器的电网运行等效电路模型；

图4为图3电路模型的谐波电流激励等效电路图；

图5为实施例并联有源滤波器双闭环控制结构图；

图6为实施例简化的电流控制环结构图；

图7为实施例电压环等效结构图；

图8为实施例接入负载的电网电流；

图9为实施例接入单相串并联混合有源电力滤波器的电网电流。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体技术方案。

如图1所示，单相串并联混合有源电力滤波器由无源滤波电路和有源滤波电路两部分构成。

四条单调谐滤波器支路分别为：电感L₃、电容C₃和电阻R₃串联构成3次谐波串联谐振支路，电感L₅、电容C₅和电阻R₅串联构成5次谐波串联谐振支路，电感L₇、电容C₇和电阻R₇串联构成7次谐波串联谐振支路，电感L₉、电容C₉和电阻R₉串联构成9次谐波串联谐振支路，分别分流由非线性负载产生的3次、5次、7次和9次谐波电流，是低频次谐波电流的主要流通通道；大部分谐波电流从这四条支路流过。

其中，具体的技术设计细节为：

(1)无源滤波电路设计：

根据电容器安装容量最小原则，可得到单调谐滤波支路输出的基波无功功率为：

式中，U₁为n次谐波通道两端间基波电压有效值，I₁为n次谐波通道的基波电流有效值。则单调谐滤波支路中电容的值为：

式中，C_n为n次谐波通道的电容值，Q₁为n次谐波通道发出的基波无功功率，ω为基波角频率。根据串联谐振条件，可求得单调谐滤波支路中电感的值为：

最后，由品质因数Q确定单调谐滤波支路中电阻的值为：

无源电力滤波器中高通滤波支路由一个二阶高通滤波器实现。该滤波器特性可由两个参数f₀和m描述，f₀为滤波器的截止频率，m与滤波器的品质因数直接相关。这两个参数的值分别为：

与单调谐滤波器的电容设计方法相同，按照电容器安装容量最小原则，可得：

式中，k为高通滤波器滤除谐波电流的次数，I_fk为k次谐波电流的有效值。

然后，可按下式确定电阻的值

式中，f₀稍微大于单调谐滤波器组最高谐振频率，选取为10次工频谐波频率，即500Hz。

最后，由电容值和电阻值确定电感值为：

m值一般在0.5～2范围内选取。m值与高通滤波器的损耗相关，该值越小，损耗越小。

(2)有源滤波电路设计

IGBT器件具有开关速度快、工作频率高等优良特性，高次谐波可顺利通过。因此，图1中两个全桥各桥臂开关管均选用IGBT。这些开关管反向耐压值由直流侧电容电压值决定。IGBT的额定电流由最大补偿电流值再加一定裕量确定即可。

桥臂开关管的开关频率由电流纹波和开关损耗综合决定，最终设定为9.7kHz。并联有源滤波器交流侧输出电感L选择需要考虑两个因素：滤波器对指令电流的跟踪能力和跟踪指令电流纹波大小的限制。综合这两方面因素，输出电感和直流侧电容电压可按照以下两式选取：

式中，V_dc为直流侧电容电压，T_s为桥臂开关管开关周期，u_s为交流侧电网电压的幅值，为纹波的限定值，为指令电流。综合考虑其它因素影响，最终确定L的值为1mH；直流侧电压越高，有源滤波器的损耗越大，因此将串并联有源滤波器直流侧电压值设为400V，由此选择4700μF/450V电解电容，采用两串两并型式。

串联有源滤波器的交流输出侧的PWM载波滤波器，其截止频率应远小于PWM载波频率，选取为30次工频谐波频率，即1.5kHz。另外，交流侧的工频频率串联单调谐滤波器的电感L₁和电容C₁的选取方法与无源电力滤波器中的串联单调谐滤波器器件选取方法完全相同，按照式(1)、式(2)和式(3)选取。

(3)单相瞬时有功电流、无功电流和谐波电流检测方法

为了有效补偿和抑制非线性负载产生的谐波电流，首先需要实时、准确地检测出这些谐波电流。瞬时有功电流、无功电流和谐波电流检测方法如图2所示。

图2中，i_L为负载电流，i_p为有功电流，i_q为无功电流，i_h为谐波电流，LPF为低通滤波器。假设负载电流的基波分量为I₁sin(ωt–α)，其中，I₁为基波电流幅值，α为功率因素角。基波电流分别与2sinωt和–2cosωt相乘可得：

I₁sin(ωt-α)·2sinωt＝I₁cosα-I₁cos(2ωt-α) (12)

I₁sin(ωt-α)·(-2cosωt)＝I₁sinα-I₁sin(2ωt-α) (13)

两式结果都由一个直流量和一个频率为2ω交流量构成，如果通过低通滤波器，剩下直流量，分别为有功电流幅值和无功电流幅值，两者分别与sinωt和–cosωt相乘得到瞬时有功电流和无功电流。同样地，假设负载电流的3次谐波分量为I₃sin(3ωt–β)，其中，I₃为3次谐波电流幅值，β为相角。3次谐波电流分别与2sinωt和2cosωt相乘可得：

I₁sin(3ωt-β)·2sinωt＝I₁cos(2ωt-β)-I₁cos(4ωt-β) (14)

I₁sin(3ωt-β)·2cosωt＝I₁sin(2ωt-β)+I₁sin(4ωt-β) (15)

两式结果都由两个交流量构成，其中，差频频率为2ω。由于3次谐波是最低频率的谐波，所以其它频率的谐波与2sinωt和2cosωt相乘也得到两个交流量，这些交流量的频率均大于2ω。由此可见，只要低通滤波器的截止频率低于2ω，就可以滤除谐波与2sinωt和2cosωt相乘得到的交流量。

瞬时谐波电流可由负载电流减去瞬时有功电流和瞬时无功电流得到。

(4)单相串并联混合有源电力滤波器的复合控制

混合有源电力滤波器并入电网正常工作后，电网运行的等效电路模型如图3所示。其中，u_G为电网电压，Z_g为电网阻抗，i_L为负载电流，Z_PF为无源电力滤波器阻抗，v_p为并联有源电力滤波器输出的谐波电压，v_s为串联有源电力滤波器输出的谐波电压。有源滤波电路的并联有源滤波器以受控电压源方式工作，起降低并联滤波支路阻抗的作用，使并联滤波支路从负载吸取更多的谐波电流。有源滤波电路的串联有源滤波器也以受控电压源方式工作，起提高电网支路阻抗的作用，以减少负载向电网注入谐波电流。

图3中，谐波电流的激励等效电路图如图4所示。

串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器都等效为理想的受控电压源，两者输出电压分别与所在支路的电流成正比例关系，比例系数分别为K_s和K_p，都可看作纯电阻。在负载谐波电流激励作用下，进入电网的谐波电流i_sh为：

由上式可见，满足以下条件

K_p＝-Re(Z_PF+Z_L) (17)

及K_s足够大，进入电网的谐波电流非常小并满足性能指标要求。

并联有源滤波器和串联有源滤波器分别检测所在支路的瞬时谐波电流，然后将这两个谐波电流值分别乘上比例系数K_s和K_p，最后与三角波作比较，所得结果控制全桥各桥臂IGBT管闭合断开。

(5)并联有源滤波器控制

有效控制有源滤波电路并联交流侧输出电感的电流和直流侧电容的电压对其稳定工作至关重要。采用双闭环控制结构对上述电流、电压进行控制，如图5所示。

图5中，K_VP为电压环比例控制器的增益，K_CP为电流环PR控制器的比例增益，K_CR为电流环PR控制器的广义积分增益，L为并联有源电力滤波器交流侧输出电感，R_L为并联有源电力滤波器交流侧输出电感的电阻，C为并联有源电力滤波器直流侧电容，C’为无源滤波器的等效电容，R’为无源滤波器的等效电阻。图5中电流环的PWM输出可视为一个延迟环节，延迟时间为T，由于该值非常小，这个延迟环节可以忽略不计。经过简化的电流控制环如图6所示。

如果图6中电流环PR控制器的广义积分增益K_CR足够高，输出电流和设定电流存在下述关系：

i_o≈i+i_ph (18)

从式(18)可见，由于PR控制器的作用，电流环对工频基波而言相当于一个增益为1的比例环节。由此，工频基波激励的电压环可等效为图7所示的结构。

图7所示电压环的闭环传递函数为

由式(19)可见，电压环可等效为一阶系统，其极点为

根据设计性能指标配置系统极点后，由式(20)确定比例增益K_VP。

(6)仿真实例

在MATLAB中，使用Simulink及其SimPowerSystems模型库对串并联混合有源电力滤波器进行仿真验证。其中，电网电压设为交流220V、50Hz，电网阻抗为R_g＝1Ω、L_g＝0.1mH；负载由单相不控整流桥及串联电阻、电感构成，R_L＝4Ω、L_L＝100mH。负载接入电网，电网电流稳定后，其波形如图8所示。

使用SimPowerSystems的THD模块进行检测，上图中电流波形的THD值为40.86％，可见电网电流中谐波含量非常高。

将无源电力滤波器组(L₃＝16.67mH，C₃＝67.55μF，R₃＝0.5Ω；L₅＝10mH，C₅＝40.53μF，R₅＝0.5Ω；L₇＝7.14mH，C₇＝28.95μF，R₇＝0.5Ω；L₉＝5.56mH，C₉＝22.52μF，R₉＝0.5Ω；L_h＝0.796mH，C_h＝127.3μF，R_h＝2.5Ω)和串并联有源滤波器(C＝4700μF，L＝1mH，R_L＝0.1Ω；L₁＝50mH，C₁＝202.64μF)投入电网运行，其正常、稳定工作时的电网电流波形如图9所示。

易见图中的电流波形与正弦(余弦)曲线的形状几乎相同，差异非常小。经过检测，该波形的THD值为2.77％，明显低于规定的指标值，完全达到标准和要求。

本发明提出了单相串并联混合有源电力滤波器，该混合有源电力滤波器综合了无源电力滤波器和有源电力滤波器的优点，弥补两者的不足。该混合有源电力滤波器有效降低了电网中的谐波电流，THD值远小于规定值。

图2给出的谐波电流检测方法比通常应用的谐波电流检测方法简单，检测精度高，实时性和快速性好，易于实现。图8和图9所示的仿真结果充分说明串并联混合有源电力滤波器具有卓越的抑制谐波能力。电网中负载正常工作，未接入任何治理谐波装置时，电网电流波形的THD值为40.86％。接入串并联混合有源电力滤波器后，电网电流波形的THD值下降至2.77％，远低于规定的指标值，而且波形与正弦(余弦)曲线的形状非常接近。从THD的比较结果可见，串并联混合有源电力滤波器几乎将电网中存在的谐波滤除，性能优异。

综上所述，本发明提出的混合有源电力滤波器具有良好的谐波抑制能力，关键性能指标(THD)值非常低，谐波滤除效果显著，有效解决了有源电力滤波器成本高、不能在大容量应用中使用等问题。

Claims

1.单相串并联混合有源电力滤波器，其特征在于，包括无源滤波电路和有源滤波电路；

所述的无源滤波电路包括四条单调谐滤波器支路和一条高通滤波器支路，单调谐滤波器支路和高通滤波器支路按并联方式依次连接；

有源滤波电路包括一个并联有源滤波器和一个串联有源滤波器，并联有源滤波器和串联有源滤波器直流侧合并，共同使用一个电容C；并联有源滤波器与无源滤波电路串联构成一条支路和负载并联。

2.根据权利要求1所述的单相串并联混合有源电力滤波器，其特征在于，所述的四条单调谐滤波器支路分别为：电感L₃、电容C₃和电阻R₃串联构成3次谐波串联谐振支路，电感L₅、电容C₅和电阻R₅串联构成5次谐波串联谐振支路，电感L₇、电容C₇和电阻R₇串联构成7次谐波串联谐振支路，电感L₉、电容C₉和电阻R₉串联构成9次谐波串联谐振支路，分别分流由非线性负载产生的3次、5次、7次和9次谐波电流，是低频次谐波电流的主要流通通道。

3.根据权利要求1或2所述的单相串并联混合有源电力滤波器，其特征在于，所述的高通滤波器支路，为电感L_h与电阻R_h并联再和电容C_h串联构成一个二阶高通滤波支路，为11次及以上次数谐波电流提供低阻通道。

4.根据权利要求1所述的单相串并联混合有源电力滤波器，其特征在于，所述的串联有源滤波器包括变压器T_s、电感L₁、电容C₁、电感L_f、电容C_f、电阻R_f与IGBT管T₅、IGBT管T₆、IGBT管T₇、IGBT管T₈组成的全桥电路；电感L₁和电容C₁构成一个串联单调谐滤波器；

电感L_f、电容C_f和电阻R_f构成一个二阶最优低通滤波器，用于滤除PWM载波；

串联有源滤波器被用作一个谐波阻抗器，与电网阻抗串联，提高电网支路对谐波的阻抗。

5.根据权利要求1或4所述的单相串并联混合有源电力滤波器，其特征在于，所述的并联有源滤波器包括变压器T_p、电感L与IGBT管T₁、IGBT管T₂、IGBT管T₃、IGBT管T₄组成的全桥电路，并联有源滤波器以整流方式从工频基波中抽取有功能量保持直流侧电容电压稳定，同时以逆变方式为谐波电流提供一个分流通道。