CN115065056B - 一种电网谐波滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电网谐波滤波器，包括进线端、出线端、交流母线、第一无源滤波网络、第二无源滤波网络和有源滤波网络，本发明的第一无源滤波保证陷波效果的同时，能够对高频谐振尖峰进行有效抑制，消除了高频谐振尖峰对滤波器高频谐波衰减特性的影响，通过第一无源滤波网络和第二无源滤波网络的变压器相结合，滤波提取电网中的谐波能量，将提取到的谐波能量经过整流模块整流成直流电源，供给有源滤波网络进行使用，因此虽然有源滤波网络需要电源进行供电，但实际上不需要外接电源，在最后通过有源滤波网络再次对谐波进行补偿，配合第一无源滤波网络、第二无源滤波网络，大大提高了电网谐波滤波的效果。

Description

一种电网谐波滤波器

技术领域

本发明涉及电网滤波技术领域，具体为一种电网谐波滤波器。

背景技术

电网的谐波主要指的是指任何与工频不同的信号成分，近年来随着各种由于各种风力发电、太阳能发电等新能源并入电网，以及各种非线性设备的广泛使用，在电网中产生了大量谐波，对电网造成了非常大的污染，影响了电能质量，对用电设备、变电站设备和电力系统的安全运行也构成了巨大威胁，如何降低电网中的谐波含量，减轻谐波的危害是目前非常重视的一个问题，人们也逐渐意识到净化电力系统环境的必要性，也开始不断研究电能质量问题，在电网污染日益严重的今天，对电网中的谐波进行检测和治理是十分重要和有意义的。

公开号为CN205377287U提供的一种电网谐波滤波器，其通过能够实时对电网谐波进行采样分析，并根据谐波频率产生相应的抑制电流，但是该因此其滤波效果对谐波电流检测、无功功率计算及控制器算法的精度及延时非常敏感，且对于高次谐波的补偿效果较差，造成整体的滤波器的补偿效果较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电网谐波滤波器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电网谐波滤波器，包括进线端、出线端、交流母线、第一无源滤波网络、第二无源滤波网络和有源滤波网络，其中：

所述进线端和出线端之间通过交流母线电性连接,所述交流母线从前端到后端上依次电性连接有第一无源滤波网络、第二无源滤波网络和有源滤波网络；

所述第一无源滤波网络包括电容C1、C2、C3、电感L1和电阻R1，所述电感L1和电容C1串联，所述电容C3和电阻R1串联，所述电感L1和电容C1的串联电路、电容C3和电阻R1串联电路及电感L1三部分相并联，且并联的一端和交流母线电性连接，另一端接地；

所述第二无源滤波网络包括电容C4、C5、电感L2、L3和变压器T1，所述电容C5和电感L3串联后与变压器T1的一次绕组并联，并联的一端与电感L2的一端电性连接，另一端接地，所述电感L2的另一端与电容C4一端电性连接，电容C4另一端与交流母线电性连接，所述变压器T1的二次绕组与整流模块的输入端电性连接，所述整流模块的输出端与直流母线电性连接；

所述有源滤波网络包括电压传感器、电流传感器、电压调理模块、电流调理模块、A/D转换模块、控制模块、驱动模块和IGBT模块，所述电压传感器、电流传感器与第二无源滤波网络后端的交流母线电性连接，用于采集交流母线的电压信号和电流信号，所述电压调理模块的输入端和电压传感器的二次侧电性连接，所述流调理模块的输入端和电流传感器的二次侧电性连接，所述电压调理模块、电流调理模块用于调整采集的电压信号和电流信号的幅值，满足A/D转换的需求，所述电压调理模块和电流调理模块的输出端与A/D转换模块的模拟量输入端电性连接，A/D转换模块的模拟量输出端与控制模块电性连接；

所述控制模块和驱动模块电性连接，用于分析压信号和电流信号分离出谐波电流分量，并向驱动模块发出产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流信号，所述驱动模块和IGBT模块的控制端电性连接，所述IGBT模块的输出端与交流母线电性连接，所述驱动模块用于控制IGBT模块产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流，所述IGBT模块将补偿电流注入到交流母线内抵消谐波电流，所述直流母线和控制模块、驱动模块、IGBT模块电性连接，用于为控制模块、驱动模块和IGBT模块的工作提供电源。

优选的，所述第一无源滤波网络和第二无源滤波网络之间的交流母线上串联有补偿模块，所述补偿模块包块电感L4、电容C6和变压器T2，所述变压器T2的一次绕组串联在交流母线上，所述电感L4和电容C6串联，并电性连接在变压器T2的二次绕组上。

优选的，所述有源滤波网络还包括有过零检测模块，所述过零检测模块一端与电压传感器电性连接，另一端与控制模块电性连接，用于将电压信号变成方波信号。

优选的，所述电压传感器和电流传感器分别采用霍尔式电压传感器和霍尔式电流传感器，所述霍尔式电流传感器的副边连接有一个负载电阻，所述电压传感器和电流传感器套在交流母线上。

优选的，所述电压调理模块和电流调理模块均采用两个双输入双输出的运算放大器串联构成，且在输出端电性连接有二极管钳位电路。

优选的，所述电压调理模块和电流调理模块相连接的A/D转换模块相互独立。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明设置了独立的第一无源滤波网络、第二无源滤波网络和有源滤波网络，第一无源滤波网络本质上是通过对LLCL型滤波器的进行的改进，在LLCL型滤波器上并联电感和电容，保证陷波效果的同时，能够对高频谐振尖峰进行有效抑制，既保证了并网系统的稳定运行，也消除了高频谐振尖峰对滤波器高频谐波衰减特性的影响，通过第一无源滤波网络和第二无源滤波网络的变压器相结合，滤波提取电网中的谐波能量，将提取到的谐波能量经过整流模块整流成直流电源，供给有源滤波网络进行使用，因此虽然有源滤波网络需要电源进行供电，但实际上不需要外接电源，让整个滤波器不仅能够滤除谐波，还能够利用谐波的能量，并在最后通过有源滤波网络再次对谐波进行补偿，配合第一无源滤波网络、第二无源滤波网络，大大提高了电网谐波滤波的效果。

附图说明

图1为本发明整体系统结构示意图。

图中：1进线端、2出线端、3交流母线、4第一无源滤波网络、5第二无源滤波网络、6有源滤波网络、7整流模块、8直流母线、9补偿模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：

一种电网谐波滤波器，包括进线端1、出线端2、交流母线3、第一无源滤波网络4、第二无源滤波网络5和有源滤波网络6，其中：

所述进线端1和出线端2之间通过交流母线3电性连接,所述交流母线3从前端到后端上依次电性连接有第一无源滤波网络4、第二无源滤波网络5和有源滤波网络6，进线端1和出线端2用于方便连接在电网中。

所述第一无源滤波网络4包括电容C1、C2、C3、电感L1和电阻R1，所述电感L1和电容C1串联，所述电容C3和电阻R1串联，所述电感L1和电容C1的串联电路、电容C3和电阻R1串联电路及电感L1三部分相并联，且并联的一端和交流母线3电性连接，另一端接地，第一无源网络4本质上是对LLCL型滤波器的改进，由于LLCL型滤波器固有谐振尖峰会导致并网逆变器处于无阻尼不稳定状态，因此添加电阻R1作为无源阻尼，添加无源阻尼后，陷波的作用下将，因此添加并联电感L1和电容C1，保证陷波效果的同时，能够对高频谐振尖峰进行有效抑制，既保证了并网系统的稳定运行，也消除了高频谐振尖峰对滤波器高频谐波衰减特性的影响。

所述第二无源滤波网络5包括电容C4、C5、电感L2、L3和变压器T1，所述电容C5和电感L3串联后与变压器T1的一次绕组并联，并联的一端与电感L2的一端电性连接，另一端接地，所述电感L2的另一端与电容C4一端电性连接，电容C4另一端与交流母线3电性连接，电感L2和电容C4构成单调谐滤波电路，与变压器T1串联组成对谐波调谐的滤波电路，从而可以滤除电网中的谐波电流，同时构成的电路呈容性，为电网提供一定的无功补偿效果，电容C5和电感L3构成基波调谐电路，并并联在变压器T1的一次侧，基波调谐电路调谐于基波频率，对基波呈零阻抗，流过滤波电路电感L2和电容C4的容性基波电流由电容C5和电感L3进行分流，加在变压器T1一次侧绕组的基波电压为零，从而能够在变压器T1二次侧提取谐波电能。

所述变压器T1的二次绕组与整流模块7的输入端电性连接，所述整流模块7的输出端与直流母线8电性连接，所述整流模块7采用桥式整流单元，直流母线8为本事实例中所有用电设备的供电母线，通过第二无源滤波网络5的变压器T1，滤波提取电网中的谐波能量，将提取到的谐波能量经过整流模块7整流成直流电源，供给有源滤波网络6进行使用，因此虽然有源滤波网络6需要电源进行供电，但实际上不需要外接电源，让整个滤波器不仅能够滤除谐波，还能够利用谐波的能量。

所述第一无源滤波网络4和第二无源滤波网络5之间的交流母线3上串联有补偿模块9，所述补偿模块9包块电感L4、电容C6和变压器T2，所述变压器T2的一次绕组串联在交流母线3上，所述电感L4和电容C6串联，并电性连接在变压器T2的二次绕组上，补偿模块9相当于一个具有基波磁通补偿的变压器单元，变压器T2二次侧流过的电流与一次侧基波电流幅值相等、相位相反，因此变压器T2对基波呈低阻抗，使基波电流可以顺利通过，对谐波呈数倍的励磁阻抗，从而提高电网对谐波的阻抗，阻止谐波电流流向电网，强迫大量谐波流入第一无源滤波网络4和第二无源滤波网络5，提高滤波的效果。

所述有源滤波网络6包括电压传感器、电流传感器、电压调理模块、电流调理模块、A/D转换模块、控制模块、驱动模块和IGBT模块，所述电压传感器、电流传感器与第二无源滤波网络5后端的交流母线3电性连接，用于采集交流母线3的电压信号和电流信号，所述电压传感器和电流传感器分别采用霍尔式电压传感器和霍尔式电流传感器，所述电压传感器采用VSM025A霍尔电压传感器，所述电流传感器采用CSM025A霍尔电流传感器，所述霍尔式电流传感器的副边连接有一个负载电阻，将电流信号转换为电压信号，所述电压传感器和电流传感器套在交流母线3上。

所述电压调理模块的输入端和电压传感器的二次侧电性连接，所述流调理模块的输入端和电流传感器的二次侧电性连接，所述电压调理模块、电流调理模块用于调整采集的电压信号和电流信号的幅值，满足A/D转换的需求，所述电压调理模块和电流调理模块均采用两个双输入双输出的运算放大器串联构成，且在输出端电性连接有二极管钳位电路，所述运算放大器采用LM358运算放大器，由于电压传感器、电流传感器采集的数据信号值仍旧过大，因此采用电压调理模块、电流调理模块将采集的电流信号和电压信号进行幅值调整，以满足A/D采样的要求，所述电压调理模块和电流调理模块的输出端与A/D转换模块的模拟量输入端电性连接，A/D转换模块的模拟量输出端与控制模块电性连接，A/D转换模块基于AD9446芯片构成，电源可从直流母线8取电，能够将电流信号和电压信号的模拟量转化为数字量，而且所述电压调理模块和电流调理模块相连接的A/D转换模块相互独立，两路信号互不干扰相互独立。

所述有源滤波网络6还包括有过零检测模块，所述过零检测模块一端与电压传感器电性连接，另一端与控制模块电性连接，用于将电压信号变成方波信号，所述过零检测模块基于LM339构成，可以将电压信号变成方波信号，且方波信号的频率与电压信号是同频的，转换后的方波再由控制模块捕捉其上升沿，从而可以实时地跟踪电网频率的变化，保证信号同步采样。

所述控制模块和驱动模块电性连接，所述控制模块采用基于TMS320F2812的DSP芯片构成，内嵌有基于离散傅立叶变换的谐波分离算法，用于分析压信号和电流信号分离出谐波电流分量，并向驱动模块发出产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流信号，所述驱动模块采用PWM控制器，所述驱动模块和IGBT模块的控制端电性连接，所述IGBT模块为IGBT与FWD通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，所述IGBT模块的输出端与交流母线3电性连接，所述驱动模块用于控制IGBT模块产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流，所述IGBT模块将补偿电流注入到交流母线3内抵消谐波电流，所述直流母线8和控制模块、驱动模块、IGBT模块电性连接，用于为控制模块、驱动模块和IGBT模块的工作提供电源，通过有源滤波网络6再次对谐波进行补偿，配合第一无源滤波网络4和第二无源滤波网络5，大大提高了电网谐波滤波的效果。

本发明的使用原理：在使用前通过进线端1和出线端2将滤波器串联在电网中，电流的流向从进线端1和出线端2，首先经过第一无源滤波网络4进行第一次无源滤波，然后电流通过补偿模块9，补偿模块9对于对基波呈低阻抗，使基波电流可以顺利通过，对谐波呈数倍的励磁阻抗，从而提高电网对谐波的阻抗，阻止谐波电流流向电网，强迫大量谐波流入第一无源滤波网络4和第二无源滤波网络5；

第二无源滤波网络5的电感L2和电容C4构成单调谐滤波电路，与变压器T1串联组成对谐波调谐的滤波电路，再次滤除电网中的谐波电流，同时为电网提供一定的无功补偿效果，变压器T1二次侧产生交流电能，并通过整流模块7进行整流输出直流电，通过直流母线8为控制模块、驱动模块和IGBT模块等工作提供电源；

所述电压传感器、电流传感器采集交流母线3的电压信号和电流信号，通过电压调理模块、电流调理模块将采集的电流信号和电压信号进行幅值调整，满足A/D采样的要求，然后通过A/D转换模块将电流信号和电压信号的模拟量转化为数字量，并发送至控制模块，过零检测模块将将电压信号变成方波信号，且方波信号的频率与电压信号是同频的，转换后的方波发送至控制模块，由控制模块捕捉其上升沿，可以实时地跟踪电网频率的变化，保证信号同步采样；

控制模块分析压信号和电流信号分离出谐波电流分量，并向驱动模块发出产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流信号，驱动模块控制IGBT模块产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流，IGBT模块将补偿电流注入到交流母线3内抵消谐波电流。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种电网谐波滤波器，包括进线端(1)、出线端(2)、交流母线(3)、第一无源滤波网络(4)、第二无源滤波网络(5)和有源滤波网络(6)，其特征在于：

所述进线端(1)和出线端(2)之间通过交流母线(3)电性连接,所述交流母线(3)从前端到后端上依次电性连接有第一无源滤波网络(4)、第二无源滤波网络(5)和有源滤波网络(6)；

所述第一无源滤波网络(4)包括电容C1、C2、C3、电感L1和电阻R1，所述电感L1和电容C1串联，所述电容C3和电阻R1串联，所述电感L1和电容C1的串联电路、电容C3和电阻R1串联电路及电感L1三部分相并联，且并联的一端和交流母线(3)电性连接，另一端接地；

所述第二无源滤波网络(5)包括电容C4、C5、电感L2、L3和变压器T1，所述电容C5和电感L3串联后与变压器T1的一次绕组并联，并联的一端与电感L2的一端电性连接，另一端接地，所述电感L2的另一端与电容C4一端电性连接，电容C4另一端与交流母线(3)电性连接，所述变压器T1的二次绕组与整流模块(7)的输入端电性连接，所述整流模块(7)的输出端与直流母线(8)电性连接；

所述有源滤波网络(6)包括电压传感器、电流传感器、电压调理模块、电流调理模块、A/D转换模块、控制模块、驱动模块和IGBT模块，所述电压传感器、电流传感器与第二无源滤波网络(5)后端的交流母线(3)电性连接，用于采集交流母线(3)的电压信号和电流信号，所述电压调理模块的输入端和电压传感器的二次侧电性连接，所述电流调理模块的输入端和电流传感器的二次侧电性连接，所述电压调理模块、电流调理模块用于调整采集的电压信号和电流信号的幅值，满足A/D转换的需求，所述电压调理模块和电流调理模块的输出端与A/D转换模块的模拟量输入端电性连接，A/D转换模块的模拟量输出端与控制模块电性连接；

所述控制模块和驱动模块电性连接，用于分析电压信号和电流信号分离出谐波电流分量，并向驱动模块发出产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流信号，所述驱动模块和IGBT模块的控制端电性连接，所述IGBT模块的输出端与交流母线(3)电性连接，所述驱动模块用于控制IGBT模块产生与谐波电流分量大小相等相位相反的补偿电流，所述IGBT模块将补偿电流注入到交流母线(3)内抵消谐波电流，所述直流母线(8)和控制模块、驱动模块、IGBT模块电性连接，用于为控制模块、驱动模块和IGBT模块的工作提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种电网谐波滤波器，其特征在于：所述第一无源滤波网络(4)和第二无源滤波网络(5)之间的交流母线(3)上串联有补偿模块(9)，所述补偿模块(9)包括 电感L4、电容C6和变压器T2，所述变压器T2的一次绕组串联在交流母线(3)上，所述电感L4和电容C6串联，并电性连接在变压器T2的二次绕组上。

3.根据权利要求1所述的一种电网谐波滤波器，其特征在于：所述有源滤波网络(6)还包括过零检测模块，所述过零检测模块一端与电压传感器电性连接，另一端与控制模块电性连接，用于将电压信号变成方波信号。

4.根据权利要求1所述的一种电网谐波滤波器，其特征在于：所述电压传感器和电流传感器分别采用霍尔式电压传感器和霍尔式电流传感器，所述霍尔式电流传感器的副边连接有一个负载电阻，所述电压传感器和电流传感器套在交流母线(3)上。

5.根据权利要求4所述的一种电网谐波滤波器，其特征在于：所述电压调理模块和电流调理模块均采用两个双输入双输出的运算放大器串联构成，且在输出端电性连接有二极管钳位电路。

6.根据权利要求1所述的一种电网谐波滤波器，其特征在于：所述电压调理模块和电流调理模块相连接的A/D转换模块相互独立。

Images