CN1315238C - 一种与电网连接的三相低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种与电网连接的三相低通滤波器，包括电感和电容，其中每相设有电容C和两个相互串联的电感L₁、L₂，电感L₁、L₂的连接端与电容C的一端连接，电容C电感L₁、L₂和的另一端为用于连接电网和并联型有源滤波器。本发明的三相低通滤波器应用在有源电力滤波器和电网之间可以起到良好的阻隔高频谐波注入电网的作用，在线形相位、衰减斜率和加载特性三个方面具有特性均衡的优点；能确保有源电力滤波器的补偿效果；保证配电系统工作的可靠性和准确性。对于配电网络的电能质量治理具有重要意义，因此具有广泛的推广应用价值。

Description

一种与电网连接的三相低通滤波器

技术领域

本发明涉及一种与电网连接的三相低通滤波器，属于电力系统中电能质量综合治理领域。

背景技术

电力系统中大量非线性和不平衡负荷的大量使用，使得系统电流和电压波形发生畸变。为抑制谐波电流在系统中的进一步扩散，供电部门或电力用户往往装设并联型有源电力滤波器。并联型有源电力滤波器是为解决电网中由非线性负荷所产生谐波电流引起的电能质量问题而设计的一种电力电子设备，其通过检测负荷侧电流，提取畸变电流分量，再利用PWM逆变器产生脉宽调制波，经低通滤波器(简称LPF)滤除开关纹波后并入电网中，从而产生与负荷谐波电流大小相等且相位相反的补偿电流注入电网，从而抵消负荷谐波电流，使电源侧电流接近正弦波，以达到改善电网电能质量的目的。

并联型有源电力滤波器一般都是用电压型逆变器实现的，通过控制电力电子器件的开关，使实际输出电流(或电压)波形跟踪上需补偿的参考电流(或电压)波形。而装置工作中电压逆变器输出的是PWM开关波形，而电网中需要补偿的谐波是连续波形，根据傅立叶分析可知，PWM开关波形中含有高次谐波需要通过并联型有源电力滤波器和电网间连接的低通滤波器来滤除。

目前并联型有源滤波器的输出滤波一般采用简单的二阶LC滤波器，滤波效果不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和存在的问题，提出应用在有源滤波领域的具有较好滤波效果的与电网连接的三相低通滤波器。

本发明提供的技术方案是：一种与电网连接的三相低通滤波器，包括电感和电容，其中每相设有电容C和两个相互串联的第一电感L₁、第二电感L₂，电感L₁、L₂的连接端与电容C的一端连接，电容C另一端连接在电网的中线端，电感L₁另一端连接在并联型有源滤波器的输出端，电感L₂的另一端连接到电网侧。

上述电感L₁和/或电感L₂为可调电感。

上述电感L₁和/或电感L₂为空心电感，电容为无感电容。

上述电容C、电感L₁、L₂的参数由巴特沃斯滤波器为原则确定；其中各项给定指标采用如下要求选取：

1.输出电流只含有应补偿25次及以下的谐波电流，对于25次以上的谐波分量应有效的滤除；

2.通带截止频率f_r＝1500Hz，通带最大衰耗为A_p＝3dB；

3.阻带截止频率f_r＝4500Hz，阻带最小衰耗为A_r＝23dB。

本发明的三相低通滤波器应用在有源电力滤波器和电网之间可以起到良好的阻隔高频谐波注入电网的作用，在线形相位、衰减斜率和加载特性三个方面具有特性均衡的优点；能确保有源电力滤波器的补偿效果；保证配电系统工作的可靠性和准确性。对于配电网络的电能质量治理具有重要意义，因此具有广泛的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明三相低通滤波器的电路结构示意图；

图2为本发明在有源电力滤波器和电网之间应用的结构示意图；

图3为本发明单相谐波电压源等效电路；

图4为本发明单相谐波电流源等效电路。

具体的实施方式

参见图1，本发明的三相低通滤波器包括电感和电容，三相电路中每相设有电容C和两个相互串联的电感L₁、L₂，电感L₁、L₂的连接端与电容C的一端连接，电容C另一端连接在电网的中线端，电感L₁另一端连接在并联型有源滤波器的输出端，电感L₂的另一端连接到电网侧。

为了使本发明的三相低通滤波器随着外界电网参数条件的改变而可以调节，即有多级可调接头，上述电感L₁和/或电感L₂最好采用可调电感。

考虑到该滤波器工作在高电压，大电流和高频率的工作状态，对器件的选择最好有一定的裕量，因此上述电感L₁和/或电感L₂建议选用空心电感，电容C建议选用进口无感电容。

电容C、电感L₁、L₂的参数可由巴特沃斯滤波器为原则确定：

一.低通滤波器的理论推导：

按给定的指标设计一个低通滤波器，其中心是寻找一个恰当的近似函数来逼近理想特性。这种基于不同类似近似函数的综合方法，长期以来得到广泛应用的已有许多，其中具有优良性能的滤波器，如巴特沃思、切比雪夫和椭圆滤波器。而在这三种滤波器当中，巴特沃斯滤波器在线形相位、衰减斜率和加载特性三个方面具有特性均衡的优点。特别是随着阶数的增加，滤波器的衰减斜率会逐步增加，而且具有“最大平坦”的特性。因此该设计中，巴特沃斯滤波器被列为首选。

所谓巴特沃思滤波器就是以巴特沃思近似函数作为滤波器的系统函数，该函数以最高阶台劳级数的形式来逼近理想矩形特性，式(1)即为其通用模方函数表达式：

${\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2=\frac{1}{1+{\mathrm{\ϵ}}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_c}\right)}^{2N}},N=\mathrm{1,2,3}......---\left(1\right)$

二.低通滤波器的参数推导过程

低通滤波器阶数N对通带特性，过渡带宽、窄以及阻带衰耗大小影响很大。因此如何根据给定的通、阻带指标，恰当地选择滤波器的阶数N是首先需要考虑的问题。

设计APF与电网连接处滤波电感和滤波电容的参数按照巴特沃斯低通滤波器逼近原则统一的设计，各项给定指标如下：

1)输出电流只含有应补偿25次及以下的谐波电流，对于25次以上的谐波分量应有效的滤除；

2)通带截止频率f_r＝1500Hz，通带最大衰耗为A_p＝3dB；

3)阻带截止频率f_r＝4500Hz，阻带最小衰耗为A_r＝23dB。

按巴特沃斯逼近方法，首先需要确定低通滤波器的阶数N。由已知条件，可得：

归一化频率： $f_r/f_c=3$

$\mathrm{\λ}=\sqrt{{10}^{0.1A_r}-1}=14.09$

阶数： $N\≥\frac{\lg 14.09}{\lg 3}=2.4$

取阶数N＝3阶。查巴特沃思多项式可以得到3阶低通滤波器归一化传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{1}{S^3+2S^2+2S+1}---\left(2\right)$

归一化参考角频率即截止角频率ω_c＝2×π×1250Hz＝9424rad/s，将ω_c带入(2)式进行反归一化可得巴特沃思系统函数：

$H\left(S\right)=\frac{1}{1.1948\×10^{-12}{S}^3+2.2\×10^{-8}{S}^2+2.1222\×{10}^{-4}S+1}---\left(3\right)$

上式即为所需设计低通滤波器的实际传递函数。

根据巴特沃思滤波器设计原则以及APF对低通滤波器的设计要求得出LPF的传递函数式(3)，在接下来就要根据低通滤波器的实际结构确定其具体参数。

根据前面的计算，可选用三阶巴特沃思低通滤波器，那么实际的电路结构如图2所示，其中，L_s为系统等效内电感；本发明的低通滤波器传递函数如(2)式所示；R为逆变环节等效电阻。

图2中的虚线框内为本发明的三相低通滤波器，电阻R包括开关元件的等效电阻和电感线圈电阻在内。三相低通滤波器的三相输入(即各相中的电感L₁与有源电力滤波器的连接端)分别接并联型有源滤波器的三相输出端，三相低通滤波器的三相输出分别接电网的A、B、C三相，三相低通滤波器的电容的输出接电网的中线N。

考虑系统是线性对称的，可以采用叠加原理进行分析。且认为系统三相电压对称正弦，其单相谐波等效电路如图3、4所示。

图3中，L＝L₂+L_s，u_h为谐波电压源，即有源滤波器逆变器输出的一系列等幅不等宽的方波电压，其波形频谱包括用于补偿作用的低次谐波分量和高频开关谐波。其中u_h可以用一个电流源i_h来等效如图4所示。低通滤波器的作用就是把i_h中的高频分量滤除，因此根据图3、图4可以得到传递函数如下：

$\frac{I_{\mathrm{sh}}\left(S\right)}{I_h\left(S\right)}=\frac{1}{\frac{{\mathrm{LL}}_{1}C}{R}{S}^3+{\mathrm{CLS}}^2+\frac{(L_1+L)}{R}S+1}---\left(4\right)$

对比(3)式和(4)式可得：

$\frac{{\mathrm{LL}}_{1}C}{R}=1.1948\×{10}^{-12}$

CL＝2.2×10^-8

$\frac{L_1+L}{R}=2.1222\×{10}^{-4}$

其中R主要是逆变器等效内阻，这个阻值比较小，在这里我们假设其为0.8欧姆(该电阻大小可根据IGBT的伏安特性来确定)，这样可以计算得到：

L₁＝0.42×10^-4H，L＝1.28×10^-4H，C＝174×10^-6F。

以上数值是根据巴特沃思低通滤波器的设计原理和有源电力滤波器的结构给出的低通滤波器参数，在实际装置中该参数还要依据现场情况和其他因素给予适当的调整和优化，从而令有源电力滤波器处于最佳工作状态。

三、选择器件的具体安装方式

本发明安装在有源电力滤波器和电网之间，有源滤波器出口处首先安装电感L₁，随后是安装电容C，电容C与并联型有源电力滤波器并联，其中一端连接在中线上。随后安装电感L₂，电感L₂与电感L₂为串联形式。

通过仿真和实际装置的验证，本发明的三相低通滤波器在有源电力滤波器和电网之间可以起到良好的阻隔高频谐波注入电网的作用，并可以根据实际运行工况进行调节，能确保有源电力滤波器的补偿效果。对PWM逆变器发出的高频电流加以抑制，阻止其进入电网中干扰电能质量。对于配电网络的电能质量治理具有重要意义，因此具有广泛的推广应用价值。

Claims (3)

1.一种与电网连接的三相低通滤波器，包括电感和电容，其特征是：其中每相设有电容(C)和两个相互串联的第一电感(L₁)和第二电感(L₂)，第一电感(L₁)和第二电感(L₂)的连接端与电容(C)的一端连接，电容(C)另一端连接在电网的中线端，第一电感(L₁)另一端连接在并联型有源滤波器的输出端，第二电感(L₂)的另一端连接到电网侧；电容(C)、第一电感(L₁)和第二电感(L₂)的参数由巴特沃斯滤波器为原则确定；其中各项给定指标采用如下要求选取：

输出电流只含有应补偿25次及以下的谐波电流，对于25次以上的谐波分量应有效的滤除；

通带截止频率f_t＝1500Hz，通带最大衰耗为A_p＝3dB；

阻带截止频率f_r＝4500Hz，阻带最小衰耗为A_r＝23dB。

2.根据权利要求1所述的三相低通滤波器，其特征是：第一电感(L₁)和/或第二电感(L₂)为可调电感。

3.根据权利要求1或2所述的三相低通滤波器，其特征是：第一电感(L₁)和/或第二电感(L₂)为空心电感，电容为无感电容。

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