CN111769564B - 一种有源电力滤波器及差模与共模输出信号的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器及差模与共模输出信号的合成方法，属于电力系统电磁兼容领域，采用一个副边带中心抽头的变压器实现差模信号的前后级隔离及差模、共模信号的合成，使有源电力滤波器输出信号同时包含差模(极母线间)和共模(对地)的补偿信号，从而实现差模和共模干扰的同时抑制；采用另一个变压器实现共模信号的前后级隔离，从而避免差模、共模信号产生单元之间相互耦合造成的有源电力滤波器失稳问题；避免差模、共模信号产生单元之间因存在电气连接造成的功率损失问题；由于变压器的隔离作用，差模信号产生单元与共模信号产生单元可共用一组功率电源而不需要独立供电，有利于降低硬件成本，缩小体积。

Description

一种有源电力滤波器及差模与共模输出信号的合成方法
技术领域
本发明属于电力系统电磁兼容领域，更具体地，涉及一种将有源电力滤波器输出的差模和共模信号合成，使有源电力滤波器同时具备差模和共模干扰抑制能力的方法。
背景技术
在电力系统尤其是船舶电力系统中，发电机机座和用电设备壳体通常与金属船体连接，形成壳体地。通常，发电机及各类电能变换器是主要的差模和共模干扰源，因此传送电力能量的载流电缆(即极母线)间存在差模干扰；因电网上的分布电容原因，干扰源和用电设备之间亦存在对壳体地的交流耦合通道，因此从电网取电的电子设备不仅可能受到来自载流电缆回路间的差模干扰，还受到载流电缆与壳体地回路间的共模干扰，如图1所示，差模干扰电流IDF与共模干扰电流ICM在两根供电极母线上叠加，最终极母线+的干扰电流为I1＝IDF+ICM，极母线-的干扰电流为I2＝IDF-ICM，此时两根极母线上电流并不相等，上述关系也可变形为：
IDF＝(I1+I2)/2 (1)
ICM＝(I1-I2)/2 (2)
作为近年来发展起来的电磁干扰抑制新技术，有源电力滤波技术采用反馈控制方法，通过对电网上干扰电流的实时监测及后续信号处理、功率放大，产生与干扰电流幅值相等，方向相反的电流注入电力网络，达到实时“抵消”谐波的目的。也可认为是有源电力滤波器为干扰源产生的谐波干扰提供了一条远比敏感设备输入阻抗更低的低阻抗通路，将干扰在敏感设备之前“短路”掉。
对于同时存在差模和共模干扰的电网，一种有源电力滤波器的接入方法如图2所示，当有源电力滤波器工作时，干扰源产生的差模和共模干扰被限制在干扰源与有源电力滤波器之间的电网范围内，从而使敏感电子设备不受干扰。
然而通常电力系统内差模干扰量与共模干扰量是独立的变量，因此使用有源电力滤波器进行干扰抑制时，需要两套独立的子单元分别对差模干扰量与共模干扰量进行监测、补偿量计算以及补偿电流注入。在有源电力滤波器内部电路的物理实现中，差模干扰的补偿电流与共模干扰的补偿电流需要合成后注入电网，达到将差模干扰与共模干扰同时进行抑制的目的，因此差模补偿信号与共模补偿信号的合成方法成为有源电力滤波器研制的关键技术之一。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种有源电力滤波器及差模与共模输出信号的合成方法，用于使有源电力滤波器输出信号同时包含差模(极母线间)和共模(对地)的补偿信号，从而实现差模和共模干扰的同时抑制。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种有源电力滤波器，包括：差模信号产生单元U1、共模信号产生单元U2、电源U3、差模信号变压器T1、共模信号变压器T2、信号注入电容C1及信号注入电容C2；
其中，所述差模信号产生单元U1的第一输入端用于输入差模干扰电流IDF，所述差模信号产生单元U1的第二输入端与所述电源U3的第一输出端连接，所述差模信号产生单元U1的第一输出端与所述差模信号变压器T1原边的第一端连接，所述差模信号产生单元U1的第二输出端与所述差模信号变压器T1原边的第二端连接，且接有源电力滤波器内部地；
所述差模信号产生单元U2的第一输入端用于输入共模干扰电流ICM，所述差模信号产生单元U2的第二输入端与所述电源U3的第二输出端连接，所述电源U3接有源电力滤波器内部地，所述差模信号产生单元U2的第一输出端与所述差模信号变压器T2原边的第一端连接，所述差模信号产生单元U2的第二输出端与所述差模信号变压器T2原边的第二端连接，且接有源电力滤波器内部地；
所述差模信号变压器T1的副边抽头a与所述信号注入电容C1的第一端连接，所述差模信号变压器T1的副边抽头b与所述差模信号变压器T2的副边抽头d连接，所述差模信号变压器T1的副边抽头c与所述信号注入电容C2的第一端连接；所述差模信号变压器T2的副边抽头e连接壳体地。
优选地，所述信号注入电容C1的第二端用于连接极母线+。
优选地，所述信号注入电容C2的第二端用于连接极母线-。
优选地，所述信号注入电容C1的第二端用于与干扰源的第一输出端连接，所述信号注入电容C2的第二端用于与干扰源的第二输出端连接。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于上述有源电力滤波器的差模与共模输出信号的合成方法，包括：
由差模信号产生单元U1产生的信号在差模信号变压器T1副边抽头a、b两端感应出电压V1；
由共模信号产生单元U2产生的信号在共模信号变压器T2副边抽头d、e两端感应出电压V2，其中，所述差模信号变压器T1副边抽头b处的电位为V2；
根据V1、V2、信号注入电容C1及信号注入电容C2实现差模与共模输出信号的合成。
优选地，调节输出量V1和V2使V1/Zc＝IDF＝(I1+I2)/2及V2/(Zc＇+ZCM)＝ICM＝(I1-I2)/2成立，从而达到将差模、共模干扰同时抑制的目的，其中，Zc表示信号注入电容C1与信号注入电容C2的串联阻抗，Zc＇表示信号注入电容C1与信号注入电容C2的并联阻抗，ZCM表示电力系统固有分布电容决定的共模阻抗，I1表示极母线+的干扰电流，I2表示极母线-的干扰电流。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)采用一个副边带中心抽头的变压器实现差模信号的前后级隔离及差模、共模信号的合成，使有源电力滤波器输出信号同时包含差模(极母线间)和共模(对地)的补偿信号，从而实现差模和共模干扰的同时抑制。
(2)采用另一个变压器实现共模信号的前后级隔离，从而避免差模、共模信号产生单元之间相互耦合造成的有源电力滤波器失稳问题；避免差模、共模信号产生单元之间因存在电气连接造成的功率损失问题；
(3)由于变压器的隔离作用，差模信号产生单元与共模信号产生单元可共用一组功率电源而不需要独立供电，有利于降低硬件成本，缩小体积。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种差模与共模干扰产生原因的示意图；
图2是本发明实施例提供的一种同时抑制差模和共模干扰的有源电力滤波器接入电网的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种有源电力滤波器的组成结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种电网的结构框图；
图5是本发明实施例提供的一种未使用有源电力滤波器前差模干扰频谱图；
图6是本发明实施例提供的一种未使用有源电力滤波器前共模干扰频谱图；
图7是本发明实施例提供的一种使用有源电力滤波器后差模干扰频谱图；
图8是本发明实施例提供的一种使用有源电力滤波器后共模干扰频谱图。
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。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
实施例一
如图3所示，公开了一种有源电力滤波器的组成结构示意图，包括：差模信号产生单元U1、共模信号产生单元U2、电源U3、差模信号变压器T1、共模信号变压器T2、信号注入电容C1、信号注入电容C2；
其中，差模信号产生单元U1的第一输入端用于输入差模干扰电流IDF，差模信号产生单元U1的第二输入端与电源U3的第一输出端连接，差模信号产生单元U1的第一输出端与差模信号变压器T1原边的第一端连接，差模信号产生单元U1的第二输出端与差模信号变压器T1原边的第二端连接，且接有源电力滤波器内部地；
差模信号产生单元U2的第一输入端用于输入共模干扰电流ICM，差模信号产生单元U2的第二输入端与电源U3的第二输出端连接，电源U3接有源电力滤波器内部地，差模信号产生单元U2的第一输出端与差模信号变压器T2原边的第一端连接，差模信号产生单元U2的第二输出端与差模信号变压器T2原边的第二端连接，且接有源电力滤波器内部地；
差模信号变压器T1的副边抽头a与信号注入电容C1的第一端连接，信号注入电容C1的第二端连接极母线+，差模信号变压器T1的副边抽头b与差模信号变压器T2的副边抽头d连接，差模信号变压器T1的副边抽头c与信号注入电容C2的第一端连接，信号注入电容C2的第二端连接极母线-；差模信号变压器T2的副边抽头e连接壳体地。
图3的有源电力滤波器的工作原理为：
由U1产生的信号在T1副边抽头a、b两端感应出电压V1，由U2产生的信号在T2副边抽头d、e两端感应出电压V2。根据图3中的连接关系，抽头e与壳体地相连，因此V2的参考电位为壳体地；又因抽头d与T1的中心抽头b相连，因此相对于壳体地，抽头b处的电位为V2。将C1与C2的串联阻抗记为Zc，将C1与C2的并联阻抗记为Zc＇，将电力系统固有分布电容决定的共模阻抗记为ZCM，在一定频率下，Zc、Zc＇、ZCM均为常数。根据有源电力滤波器的工作原理，若以下关系式成立：
V1/Zc＝IDF＝(I1+I2)/2 (3)
V2/(Zc＇+ZCM)＝ICM＝(I1-I2)/2 (4)
则有源电力滤波器可同时抑制差模和共模干扰，此时V1、V2分别与IDF、ICM成正比关系。如前所述，IDF与ICM两个变量是独立的，说明附图3所示输出结构使U1、U2单元可以互不干扰，根据IDF和ICM的实时监测结果，调节其输出量V1和V2，使等式(3)与等式(4)成立，从而达到将差模、共模干扰同时抑制的目的。
此时抽头a和抽头c之间没有交流耦合通路，因此不会导致功率损失。最后，由于T1和T2两个变压器的原边和副边之间电气绝缘，因此U1、U2可采用同一组电源U3供电。
采用本发明实施例中的有源电力滤波器具有以下特点：
(1)差模信号产生单元、共模信号产生单元分别采用变压器实现信号隔离输出；
(2)差模信号产生单元的输出变压器为副边带有中心抽头的变压器；
(3)共模信号产生单元的输出变压器副边的一端与差模信号产生单元的输出变压器副边的中心抽头相连接；
(4)共模信号产生单元的输出变压器副边的另一端与壳体地相连接；
(5)差模、共模信号合成后，通过电容与电网连接。
实施例二
在本发明实施例中，电网由干扰源和电网负载组成，如图4所示，其中干扰源由差模干扰电压源VDF、差模干扰电压源电阻RDF、共模干扰电压源VCM、共模干扰电压源电阻RCM、以及对地电容C3、C4组成；电网负载由负载电阻RLOAD、对地电容C5、C6组成。
本发明实施例的图4中的参数如下：
VDF和VCM均为峰值为50V，2400Hz交流电压源。
RDF＝0.1Ω，RCM＝0.001Ω，RLOAD＝0.5Ω。
C3＝C4＝C5＝C6＝10μF。
在点f、g测量干扰电流并通过公式(1)、(2)进行计算后，其差模干扰频谱和共模干扰频谱分别如图5及图6所示。其中2400Hz差模干扰的幅值为153.2dBuA，共模干扰的幅值为125.5dBuA。
参照图3，使用铁氧体磁芯制作了副边带中心抽头，输出电压比为1:1的差模信号变压器T1和输出电压比为1:1的共模信号变压器T2；参照图3，电网与变压器之间的两只隔离电容C1和C2均为470μF；参照图3，其引出的极母线输出端子m、n分别与图4中的p、r点连接，地线输出端子k与图4中的q点连接。参照图3，有源电力滤波器内的差模信号产生单元U1与共模信号产生单元U2共用同一个电源U3，差模信号变压器T1与共模信号变压器T2的原边任一端子与电源U3的地端子相连。
上述准备工作完成后，有源电力滤波器开机工作，此时在点f、g测量干扰电流并通过公式(1)、(2)进行计算，2400Hz差模干扰的幅值降低为105.1dBuA，共模干扰的幅值降低为74.0dBuA，如图7及图8所示。
可见使用本发明后，电网中流入负载侧的差模和共模干扰均得到了较好的抑制。
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工作流程，然而由于电力电子器件及现场条件的多样性，本发明的实现方法亦具有较大灵活性，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，将实施例中的示例频率进行变更、或者由频点变更为某频段、或者对某些器件进行置换、或者更改变压器的磁芯材料或变压比、更改功能单元的供电方式或内部接地状况、对功能单元进行合并或拆分以及其它增强功能的措施，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种有源电力滤波器，其特征在于，包括：差模信号产生单元U1、共模信号产生单元U2、电源U3、差模信号变压器T1、共模信号变压器T2、信号注入电容C1及信号注入电容C2；
其中，所述差模信号产生单元U1的第一输入端用于输入差模干扰电流IDF，所述差模信号产生单元U1的第二输入端与所述电源U3的第一输出端连接，所述差模信号产生单元U1的第一输出端与所述差模信号变压器T1原边的第一端连接，所述差模信号产生单元U1的第二输出端与所述差模信号变压器T1原边的第二端连接，且接有源电力滤波器内部地；
所述共模信号产生单元U2的第一输入端用于输入共模干扰电流ICM，所述共模信号产生单元U2的第二输入端与所述电源U3的第二输出端连接，所述电源U3接有源电力滤波器内部地，所述共模信号产生单元U2的第一输出端与所述共模信号变压器T2原边的第一端连接，所述共模信号产生单元U2的第二输出端与所述共模信号变压器T2原边的第二端连接，且接有源电力滤波器内部地；
所述差模信号变压器T1的副边抽头a与所述信号注入电容C1的第一端连接，所述差模信号变压器T1的副边抽头b与所述共模信号变压器T2的副边抽头d连接，所述差模信号变压器T1的副边抽头c与所述信号注入电容C2的第一端连接；所述共模信号变压器T2的副边抽头e连接壳体地，其中，所述信号注入电容C1的第二端用于与干扰源的第一输出端连接，所述信号注入电容C2的第二端用于与干扰源的第二输出端连接。
2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述信号注入电容C1的第二端用于连接极母线+。
3.根据权利要求2所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述信号注入电容C2的第二端用于连接极母线-。
4.一种基于权利要求1至3任意一项所述有源电力滤波器的差模与共模输出信号的合成方法，其特征在于，包括：
由差模信号产生单元U1产生的信号在差模信号变压器T1副边抽头a、b两端感应出电压V1；
由共模信号产生单元U2产生的信号在共模信号变压器T2副边抽头d、e两端感应出电压V2，其中，所述差模信号变压器T1副边抽头b处的电位为V2；
根据V1、V2、信号注入电容C1及信号注入电容C2实现差模与共模输出信号的合成。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，调节输出量V1和V2使V1/Zc＝IDF＝(I1+I2)/2及V2/(Zc＇+ZCM)＝ICM＝(I1-I2)/2成立，从而达到将差模、共模干扰同时抑制的目的，其中，Zc表示信号注入电容C1与信号注入电容C2的串联阻抗，Zc＇表示信号注入电容C1与信号注入电容C2的并联阻抗，ZCM表示电力系统固有分布电容决定的共模阻抗，I1表示极母线+的干扰电流，I2表示极母线-的干扰电流。
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A Novel Active Differential/Common-Mode Load for True Mixed-Mode Load-Pull Systems;Andrea Ferrero等;《2006 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest》;20061120;第1456-1459页 *
基于合成扼流圈的开关电源EMI滤波器设计;柳春等;《电气传动》;20080131;第27-30页 *

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