CN1663102A

CN1663102A - 改进的电滤波器

Info

Publication number: CN1663102A
Application number: CN038140675A
Authority: CN
Inventors: 约翰·德斯蒙德·安斯沃思
Original assignee: Alstom SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2005-08-31
Also published as: US20050003778A1; AU2003244803A8; AU2003244803A1; WO2003107518A3; WO2003107518A2; GB2389973B; GB0213933D0; GB2389973A

Abstract

一种适于对含有电波形的线路进行滤波的有源滤波器，该有源滤波器包括：放大器(5)、控制系统(4)、波形测量装置(CT)以及耦合电路(6)，在使用过程中，该波形测量装置(CT)将输入信号送到控制系统(4)，响应输入信号，控制系统控制放大器(5)，耦合电路(6)使放大器连接到要被滤波的系统，其中耦合电路(6)包括设置在限制形式的四端口网络中的无源电路，该无源电路在其有效带宽内其频率响应中没有极点。通常，四端口网络(6)设置成梯形电路，而且该滤波器的主要用途是对电源系统的交流供电和直流供电进行滤波。

Description

改进的电滤波器

技术领域

本发明涉及有源电滤波器，以及使用该滤波器的方法，本发明尤其涉及，但是并不仅仅涉及供电系统的滤波器。

背景技术

许多设备连接到交流和直流电源系统，而且在该电源系统中，这种设备通常在电压和电流方面产生失真。这种失真除非被校正，否则易于对该电源系统内的其它设备产生干扰。

最强的干扰装置可能是额定功率为100MW至2000MW或者更高数量级的HVDC变换器。具有较低额定功率的其它装置包括与诸如矿井提升机(mine-winder)和轧钢机的工业设备有关的变换器。

通常用于减小干扰的方法，是在线路与该线路的回线(return)之间的干扰源上设置一个并联滤波器。(回线通常接地，但是不是必须接地)。当前使用的大多数滤波器采用无源滤波器形式，这种无源滤波器含有电感器和电容器，有时还具有附加电阻器。

无源滤波器可以并联到交流或直流系统，而且通常包括串联的电感器-电容器调谐支路，该串联电感器-电容器调谐支路被调谐到最大干扰谐波上，而且有时包括其它相对较宽的宽带(“阻尼”)滤波器支路(通常具有附加电阻器)，用以过滤高频。这种无源滤波器的主要功能是在干扰频率上表现为低(理想情况是零阻抗)并联阻抗，从而通过该滤波器，基本上使所有干扰电流分量转向。

这种现有技术的无源滤波器的缺点在于，交流系统频率的变化，典型地为百分之几的频率变化，所引起的失谐效应，可能导致滤波不充分。

频率变化对宽带(“阻尼”)滤波器支路的影响较小，但是宽带(“阻尼”)滤波器支路的滤波作用相对较弱，而且损耗较大(并且浪费投资)。如果要求滤波器的总基频无功功率(reactive power)(或总电容)小，则这些效应会变得更为严重。无源滤波器的成本相对较高。

有源滤波器是公知的，在有源滤波器中，经由一个无源耦合电路将电子放大器连接到交流或直流线路上，通过测量交流线路或直流线路上的电压或电流失真，以闭环方式控制该放大器，从而将交流或直流线路上的失真降低到一个小的数值上(理想值是零)。

图1示出用于有源交流滤波器的一相上的一种已知配置的例子的原理图。假设干扰源是12脉冲变换器1，它从交流系统2吸收电流I_C(仅在基频表示为EMF，在阻抗Z之后)。变换器1在直流供电轨端(supply rail)C、C上产生直流电压。首先，假定电流I_C起初含有所需的基频电流和11、13、23、25...次的谐波。如果没有滤波器，则由于存在有限阻抗Z，这些谐波电流在交流系统上产生有限谐波电压，这样可能对交流系统(未示出)上的其它客户的供电产生干扰。

所示的典型有源滤波器3与交流系统供电轨端(rail)A-A并联。有源滤波器3包括：控制系统4、放大器5、耦合滤波器6以及传感装置，该传感装置是以测量电流互感器(Current Transformer)CT形式配置的，而且该电流互感器与交流供电轨端之一相连。该传感装置CT用于检测由直流变换器1产生的谐波电流，然后，将向控制系统4提供一个输入，而控制系统4又依次连接到放大器5。放大器的输出驱动耦合网络6的两个输入端B、B。网络6的输出端分别连接到供电轨端A、A。控制系统4和放大器5分别是有源滤波器惯例中的已知类型。简洁起见，仅示出一相，对于3相系统，通常需要3个这种电路。假设控制系统响应交流系统中测量出的电流I_s来控制放大器，以使I_s中的谐波降低(理想情况)到0。在这种条件下，通过有源滤波器送到线路的谐波电流I_F等于I_C内的谐波分量。

该例所示的从放大器5到交流线路的连接是通过无源耦合滤波器6实现的。其它形式的连接也是公知的，例如，单个电感器或单个电容器，甚或直接连接，但是这些均需要该放大器具有高输出电压额定值，因此放大器的成本高，并通常昂贵得买不起。图2示出无源耦合滤波器6的一种已知配置，它包括两个并联的、被分别调谐到两个最大交流谐波电流(12脉冲变换器的第11次和第13次谐波)的无源电感一电容滤波器支路IC1、IC2。如果这些调谐精确，包括精确的交流系统频率，则从理论上，第11次和第13次谐波处所要求的放大器电压为0，或者实际上，该放大器电压非常小。这些频率被称为耦合阻抗的“零点”。图3示出典型配置下阻抗与频率(以谐波阶次的形式表示)的曲线图。对于正常失谐效应(原理上是由交流系统频率的变化引起的)，所需的放大器电压(因此其额定功率)将明显升高，但是放大器成本仍是可接受的。然而，对于比第11次或第13次低得多或高得多的谐波频率，图2所示的简单耦合滤波器的阻抗将相对快速地升高，滤去这些频率，例如23次、25次或者更高阶次的频率需要过高的放大器电压，因此放大器的成本过高。

对于两个零点之间的频率(在该例子中约为第12次谐波)，所示的耦合表现出一个“极点”，在该极点的频率处，其理论阻抗无穷大，或实际上为非常大的阻抗值，使得在该频率范围内，不能进行滤波。

通过增加耦合滤波器中的并联支路的数量，可以增加过滤的谐波的数量。尽管未示出，但是例如，如果图2所示耦合滤波器中的并联支路的数量增加到4个，则可以将它们调谐到11次谐波、13次谐波、23次谐波、25次谐波。因此，在11次、13次、23次谐波、25次谐波处所要求的放大器电压就可以相当低。然而，远离这些频率的频率又要求过高的放大器电压。此外，在每对零点之间，这种配置也在阻抗特性中表现出多个极点，因此，例如，过滤诸如17或19的中间阶次的谐波电流(因为各种变换器的不平衡，所以可能出现这种情况)也要求过高的放大器电压，即使这些谐波电流很小。

迄今为止描述的耦合电路实际上是两端口电路。使用梯形电路形式的四端耦合电路也是公知的，该梯形电路包括串联元件和并联元件，例如，梯形电路的大多数串联元件是电感器，而大多数并联元件是电容器，而且在该梯形电路中，至少一个串联元件是一个与电容器并联的电感器，或者至少一个并联元件是一个与电容器串联的电感器。例如WO 89/06879 A1(Dan)专利描述了这种配置的一些具体例子，但是所有这些例子，在这些例子的传递函数中，均至少具有一个极点。

发明内容

根据本发明，提供了一种适于对含有电波形的电线进行滤波的有源滤波器，该有源滤波器包括：放大器、控制系统、波形测量装置以及耦合电路，该波形测量装置适于获得电波形中至少一个噪声频率的测量值，然后，将噪声频率的该测量值送到控制系统的输入端，设置该控制系统，以响应输入信号来控制该放大器，耦合电路将该放大器连接到线路，从而至少控制一个噪声频率，其中在所设置的梯形电路配置中，耦合电路包括一个无源部件的四端口网络，从而在其有用带宽内，其频率响应没有极点。

优选地，设置该梯形电路配置，使其确实能够在至少一个噪声频率处或其附近适于出现一个零点。

该梯形电路配置包括至少3个串联支路和至少3个并联支路，其中：

所述梯形电路的每个串联支路分别包括至少一个电容器、或者至少一个电感器，或者由至少一个电容器和至少一个电感器构成的串联组合，以及

所述梯形电路的每个并联支路分别包括至少一个电容器、或者至少一个电感器，或者由至少一个电容器和至少一个电感器构成的并联组合，以及

在至少一个串联支路中至少存在一个电感器，在至少一个并联支路中至少存在一个电感器，在至少一个串联支路中至少具有一个电容器，在至少一个并联支路中至少具有一个电容器。

这种形式的四端口耦合滤波器具有优势的，因为在其工作频率范围内，该滤波器的频率响应是有限的，因此在整个工作频率范围内，所要求的放大器电压和电流是有限的。这样，利用较低额定功率的放大器，该滤波器可以更优地对基本上在整个工作范围的带宽上与之相连的系统进行滤波。

在此，不包括在串联支路中的包含电感器和电容器的并联组合，或者在并联支路中包含电感器和电容器的串联组合的耦合配置，因为这二者可能导致在耦合滤波器频率响应中存在一个或者多个极点。

线路可以是供电系统的一部分。电源系统可以是交流电源系统或直流电源系统，而且可以是多相电源系统。典型地，要滤波的电源系统是三相交流电源系统。

对要过滤的电源系统的每一相，分别设置控制系统、波形测量装置以及耦合电路。

波形测量装置可以是电流互感器，以便以方便的方式检测信号线上的信号。可选地，该波形测量装置可以是与该线路并联配置的电压互感器，这种电压互感器的优点在于，可以使滤波器降低交流系统EMF产生的谐波对母线电压的影响，而且可以降低本机负载电流的影响。

耦合电路可以进一步包括互感器，该互感器具有优势，因为它使放大器与线路实现电流隔离，这样可以防止放大器发生电涌。设置在耦合电路中的任何互感器均可以具有铁芯，或者具有空气芯。

将该四端口网络的两个输入端连接到该放大器。将该四端口网络的两个输入端连接在该线路和其回路导线之间。该回路导线可以接地，也可以不接地。

技术人员应该了解，如同任何滤波器一样，根据本发明的滤波器具有一个有效带宽，在该有效带宽内可实现有效滤波，而在有效带宽之外该滤波器将会失效。根据本发明的滤波器的特征在于，至少在其有效带宽内，其传输函数的频率响应没有任何极点。这一点是具有优势的，因为技术人员明白，在理论上，要求放大器输出无穷大(即，实际上是非常大)电压，以在极点频率处驱动滤波器，从而达到滤波作用。因此，其明显优点是，确保在有效带宽的频率响应中不出现极点。

在有效带宽内，该滤波器在其频率响应中优先具有3个或者更多个零点。当然，该滤波器可以具有任何数量的零点，该滤波器可以具有3、4、5、6、7、8、9、10个或者更多个零点。为了使滤波器的成本最低，利用所需的总滤波器带宽和该带宽内的电源线谐波的预期振幅分布，可以在某种程度上控制有效带宽内的最佳零点数量。

提供该滤波器，使之与在预定频率处接通和断开的开关器件相连。该预定频率可以是交流供电频率的倍数。开关器件可以是交流-直流变换器。技术人员应明白，开关器件将会在其开关频率的谐波上产生噪声。根据本发明的滤波器被设计成可以从线路上消除这种谐波。如果该线路是用于驱动12脉冲直流变换器的交流电源系统，则该滤波器适于消除11、13、23、25...阶次的主交流谐波。如果该线路是12脉冲直流变换器驱动的直流电源系统(该波形包括其上具有噪声的直流偏置)，则该滤波器适于消除12、24、36...阶次的主直流谐波。技术人员应明白，在这两种情况下，可能存在由直流变换器和交流系统中的各种不平衡现象产生的其它中间谐波，而且也要求滤除该中间谐波。

当根据本发明的滤波器用于变换器的交流端时，其典型地适于过滤位于第5次谐波至第49次谐波范围内的谐波，或者当其用在直流端时，其过滤从约第6次至第48次谐波范围内的谐波。滤波器可以起作用的这些谐波范围即在此所称的有效带宽。

该滤波器适于在接近对应于干扰装置产生的最大谐波电流的频率处出现零点。这种配置是具有优势的，因为这意味着，在每个这种谐波的频率处所要求的放大器电压很小，从而可以给出更为有效的放大器设计。它的优点还在于，由于传输函数的零点与耦合输出阻抗的零点相同，那么如果放大器发生故障，则该耦合电路可以继续起到适中过滤作用，从而有效提供以传输函数的零点为中心的无源滤波器。

该线路可以是电源线，而且其电压可以处于约几十伏、几百伏、几千伏、几万伏或几十万伏的数量级。然而，可以设想，该滤波器尤其适于过滤其电位在几十万伏数量级的线路。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于过滤其上具有波形失真的线路的方法，该方法包括提供有源滤波器，该有源滤波器包括一个经由设置成四端口网络的无源电路与该线路耦合的放大器，该方法包括检测线路上的信号，并控制该放大器，以易于消除该线路上存在的不希望的信号分量。

该方法与现有技术的方法相比，易于更为有效地消除该线路上存在的不希望的信号分量。

该线路可以承载交流电源电压和直流电源电压。此外，不希望的分量可以是线路上的噪声。特别是，该噪声可以是电源线上的谐波。

该方法可以包括提供该耦合滤波器，该耦合滤波器在其有效带宽内的频率响应的传输函数不含有任何极点。这种方法具有优点，因为它降低了为了消除不希望的分量而必须由放大器产生的电压。

根据本发明的第三方面，本发明提供了一种适合根据本发明的第一方面的滤波器的电源系统。

电源可以是交流电源或直流电源，而且其电压可以处于约几十伏、几百伏、几千伏、几万伏或几十万伏的数量级。

附图说明

下面将参考附图以举例的方式，详细说明本发明的优选实施例，其中包括：

图1示出与电源系统相连的有源交流滤波器的一种现有配置；

图2示出两端口耦合的一种典型的现有技术形式；

图3示出图2中的阻抗/频率特性；

图4示出根据本发明的四端口耦合配置的一个例子；

图5示出图4所示配置的电压和电流传输函数Z₁₂和I₁₂。

具体实施方式

图4示出根据本发明的四端口耦合网络6’，该四端口耦合网络6’在图1所示的电路中，适用于连接放大器5与交流供电轨端A，A。在该例子中，直流供电轨端可以处于，例如，100kV至500kV数量级的电位。

在使用过程中，直流变换器1在大量谐波频率处产生对交流供电轨端A、A的干扰。这些谐波可能破坏或者干扰由交流系统2供电的电气设备。有源滤波器3具有一个闭环控制回路，该闭环控制回路包括：传感装置CT、控制系统4、放大器5以及四端口网络6。如以上图1中所述，用于检测线路上的波形的传感装置CT是与该线路串联的电流互感器，以测量其上的电流，但是，可选地，还可以利用与该线路并联的电压互感器来测量该线路两端的电压。

传感装置CT产生表示一个在交流供电轨端A，A上的谐波电流的信号，然后，反馈到控制系统4。接着，控制系统4使放大器5产生输出电流，该输出电流通过四端口网络6，使该输出电流反馈到交流供电轨端A、A。放大器5的电流输出是这样的，使得在交流系统2中观察时，变换器1产生的谐波趋向于被删除。

需要注意的是，在图4所示的耦合电路实施例中，四端口网络包括一个梯形电路，该梯形电路具有几个下面描述的各种类型的级联部分。放大器连接到该梯形的一端，而其另一端连接到电源系统。下面说明连接到交流系统的有源滤波器的原理，与直流系统相连的有源滤波器的使用方法与下面所述的基本相同。

从放大器设计的观点出发，耦合电路的重要特性是在确定的频率处或频率范围内的电压和电流的传输函数，其分别定义如下：

Z₁₂＝在耦合输出短路时每1A所要求的放大器电压，

I₁₂＝在耦合输出短路时每1A所要求的放大器电流。

在输出端短路情况下定义这些传输函数的原因是，在正常操作过程中，闭环控制将在线路终端A、A上的交流系统的谐波电流，并因此将谐波电压(理想地)调节到0，从耦合电路观察，这与短路相同。

图5示出对于图4所示的配置，放大器电压传输函数Z₁₂和放大器电流传输函数I₁₂。在有效带宽X上，它们二者至少具有3个零点，Z₁₂在第12次、第24次、第36次和第48次谐波具有4个零点，而在有效带宽X内，I₁₂在第18次、第30次和第47次谐波具有3个零点，以及在刚好位于频带X的下限之下的第10次谐波处有一个零点。

仅作为一个例子，图4所示的耦合电路6’含有各种配置的串联支路10-13和并联支路14-16。根据本发明的耦合电路可以具有许多可替换的配置，包括在其传输函数中具有3、4、5、6或更多个零点的电路。

串联支路可以分别包括：一个单独的电感器，例如，支路12和13中的L₃、L₅；或一个单独的电容器，例如，支路11中的C₂；或者电感器和电容器的串联组合，例如，支路10上的L₁，C₁。并联支路可以包括：一个单独的电感器，例如，支路14上的L₂；一个单独的电容器，例如，支路15上的C₃；或者电感器和电容器的并联组合，例如，支路16上的L₄，C₄。

使用以下二者之一：

-含有并联的电感器和电容器的串联支路，或者；

-含有串联的电感器和电容器的并联支路

可以在电压和电流传输函数中产生极点，因为这二者之一可以在其谐振频率处阻挡信号从放大器沿梯形电路流动，因此，具体地说，这些设置不包括在本发明中。本发明还优选地限制于一种耦合电路，该耦合电路在其电压和电流传输函数中至少具有3个零点。

总体来说，受到上述限制，从理论上说，梯形电路部件以及它们的数量的各种配置都是可能的。然而，通常希望包括放大器和耦合电路的各部件的总成本尽可能低，尤其是在高功率设备中。由于电路配置取决于被滤波的谐波在振幅和频率上的分布，所以为了将成本降低到最低，对于不同的应用，可以优化该耦合电路中的部件的各种不同配置。

已经发现，在梯形电路的并联支路或串联支路中分别包括全部是一种类型的各部件(例如电容器或电感器)的配置未给出最佳配置。因此，本发明进一步限制于一种梯形耦合电路，该梯形耦合电路在一个串联支路中至少具有一个电容器，而在一个串联支路中至少具有一个电感器，同样，在一个并联支路中至少具有一个电感器，而在另一个并联支路中具有一个电容器。

可以在耦合滤波器上的任何一点，例如在邻接放大器的端B-B处添加一个互感器。这样便于实现电流隔离，而且还可以提供“匹配比”，从而可以使对放大器输出电压和电流的技术要求的相对值更便于进行放大器设计。这种互感器可以具有铁芯或空气芯，在这两种情况下，为了进行设计，实际上由其内部电感形成部分梯形耦合电路。

本发明还可以应用于连接在交流/直流变换器的直流端之间，例如在图1中的CC端，的有源滤波器，以抑制高压直流线路上的谐波干扰。其与用于交流线路的滤波器的唯一显著差别是(对于12脉冲HVDC变换器的情况)要滤波的主要谐波是第12次、24次、36次...而且在与HVDC线路的连接中，该耦合滤波器必须包括一个串联电容器(例如，在图4所示的例子中用C₁示出的)，以避免发生直流短路。

Claims

1.一种适于对含有电波形的电线进行滤波的有源滤波器，该有源滤波器包括：放大器、控制系统、波形测量装置以及耦合电路，该波形测量装置适于获得电波形中至少一个噪声频率的测量值，并将该噪声频率的该测量值送到该控制系统的一个输入，该控制系统被设置成响应该输入信号来控制该放大器，耦合电路将该放大器连接到该线路，从而至少控制一个噪声频率，其中该耦合电路包括以梯形电路配置方式设置的无源部件的四端口网络，从而在该耦合电路的有效带宽中，其频率响应没有极点。

2.根据权利要求1所述的有源滤波器，其中，将所述梯形电路配置成在至少一个噪声频率处或者靠近该噪声频率处至少出现一个零点。

3.根据权利要求1或2所述的有源滤波器，所述梯形电路配置包括至少3个串联支路和至少3个并联支路，其中：

所述梯形电路的每个串联支路分别包括至少一个电容器、或者至少一个电感器，或者至少一个电容器和至少一个电感器的串联组合，以及

所述梯形电路的每个并联支路分别包括至少一个电容器、或者至少一个电感器，或者至少一个电感器和至少一个电容器的并联组合，以及

在至少一个串联支路中至少具有一个电感器，在至少一个并联支路中至少具有一个电感器，在至少一个串联支路中至少具有一个电容器，在至少一个并联支路中至少具有一个电容器。

4.根据上述权利要求之任一所述的有源滤波器，其中所述波形测量装置是与所述线路串联、用于测量所述线路上电流的电流互感器。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的有源滤波器，其中所述波形测量装置是与所述线路并联、用于测量所述线路两端之间电压的电压互感器。

6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的有源滤波器，其中所述耦合电路含有一空气芯互感器。

7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的有源滤波器，其中所述耦合电路含有一铁芯互感器。

8.根据上述权利要求中任一权利要求所述的有源滤波器，其中所述滤波器在其有效频带内，在其频率响应中至少具有3个零点。

9.根据上述权利要求中任一权利要求所述的有源滤波器，其中所述有源滤波器所连接到的所述线路是电源系统的一部分。

10.根据权利要求9所述的有源滤波器，其中所述有源滤波器所连接到的所述线路至少承载一交流电压。

11.根据权利要求9所述的有源滤波器，其中所述有源滤波器所连接到的所述线路至少承载一直流电压。

12.一种包括根据上述权利要求中任一权利要求所述的有源滤波器的电源系统。

13.根据权利要求12所述的电源系统，其中所述电源系统是多相系统，对每相分别配备一个有源滤波器。

14.根据权利要求12或13所述的电源系统，包括一个交流—直流变换器。

15.根据权利要求14所述的电源系统，其中(各)有源滤波器的有效带宽对应于所述变换器的交流端上的第5次谐波至第49次谐波范围内的噪声频率。

16.根据权利要求14或15所述的电源系统，其中(各)有源滤波器的有效带宽对应于所述变换器的直流端的第6次谐波至第48次谐波范围内的噪声频率。

17.一种如图1、4和5所示的并在此参考图1、4和5基本进行说明的有源滤波器。

18.一种如图1、4和5所示的并在此基本进行说明的用于滤波线路上的信号的方法。

19.一种如图1、4和5所示的并在此基本进行说明的电源系统。