CN201966616U - 一种滤波电路及使用该滤波电路的电力滤波装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种滤波电路及使用该滤波电路的电力滤波装置。在本实用新型中通过将耦合电感L1与耦合电感L2绕制在同一个闭合铁芯之上，并且将其同名端首尾相接，其产生的磁通互相叠加增强，大大的增加了两个电感线圈的电感量，在满足滤波要求的前提下，显著降低了有源电力滤波装置的成本、大大减小了其体积和重量。此外，在闭合铁芯上加开气隙可以改善铁芯电感的线性度，并可防止铁芯饱和。

Description

一种滤波电路及使用该滤波电路的电力滤波装置

技术领域

本实用新型涉及电力滤波领域，具体地，涉及一种滤波电路及使用该滤波电路的电力滤波装置。

背景技术

随着现代工业的高速发展，大功率电力电子装置、电弧炉等非线性负载得到了广泛应用，同时也给电网带来了越来越严重的无功问题和谐波污染，使电网电压和电流波形发生畸变，电能质量下降并威胁电网的安全。目前谐波已成为电网的一大公害。

存在多种用于对电网谐波进行抑制的方法。无源滤波技术是谐波补偿的传统方法，即在谐波源附近加装若干单调谐及高通滤波支路以旁路谐波电流。无源电力滤波器(PPF)一般是由电容器、电抗器(常用空心的)和电阻器适当组合而成，起滤波作用还兼顾无功补偿的需要。该方法虽然具有结构简单、设备投资少、维护方便、运行费用较低等优点，但由于结构和原理上的原因，PPF存在一些难以克服的缺点。最大不足是其补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，使滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

随着有源滤波器的提出和大功率可关断器件(GTR、GTO、IGBT、IGCT等)的制造技术不断进步，以及对非正弦条件下无功功率理论的深入研究，有源电力滤波器(APF)被更多的在实际中采用。

APF涉及的关键技术是指令电流的提取和补偿电流的产生。具体来讲。主控模块根据从电网中提取的指令电流来实时控制驱动模块，驱动模块产生脉冲宽度调制(PWM)触发脉冲，用以控制功率转换模块中各绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的有序通断，产生合适的PWM输出电流，这一电压，最后通过滤波模块滤除谐波后向电网注入补偿电流。要使功率转换模块输出的PWM电压实时准确地转换为补偿电流，对滤波模块提出了很高的要求。传统的APF的PWM功率输出大都是通过单电感与电网相连。对于单电感的1阶滤波器而言，对功率转换级输出的PWM开关纹波的衰减能力不足，将会使装置输出的补偿电流中含有不需要的谐波成分。为增强对PWM电压中的开关谐波的衰减作用，不得不增大电感值，这样就会增大设备的体积重量，造成系统的成本升高，并使系统的动态跟踪补偿性能变差。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种有源滤波装置，该有源滤波装置能够在保证谐波过滤性能的同时具有较小的体积，而不会使成本升高。

为了实现上述目的，本实用新型首先提供了一种滤波电路，该滤波电路包括闭合铁芯、耦合电感L1、耦合电感L2和电容器C，其中所述耦合电感L1和所述耦合电感L2的线圈绕在所述闭合铁芯上，所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端相连接，并且所述电容器C的一端连接在所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端之间的连接线上。

优选地，所述闭合铁芯的环路上具有气隙。

本实用新型还提供了一种有源电力滤波装置，该滤波装置包括：信号采集模块，从三相电网采集信号，并对所采集的信号进行模拟/数字转换，生成数字信号；主控模块，连接到所述信号采集模块，该主控模块接收所述数字信号，并从该数字信号中提取指令电流；驱动模块，连接到所述主控模块，该驱动模块产生与所述指令电流相对应的触发脉冲；功率转换模块，连接到所述驱动模块，该功率转换模块接收所述触发脉冲，并产生与该触发脉冲相对应的输出电流；以及滤波模块，连接到所述功率转换模块，其中所述滤波模块具有三个如权利要求1-2中的任一项权利要求所述的滤波电路，这三个滤波电路的耦合电感L1的同名端分别与所述功率转换模块相连，且该三个滤波电路中的电容器的另一端相互连接，该三个滤波电路分别生成与所述输出电流相对应的用于所述三相电网的三相的补偿电流。

优选地，在所述主控模块和所述驱动模块之间还连接有滞环比较器。

优选地，每个滤波电路中的电容器的另一端接地或与三相电网的零线连接。

通过上述技术方案，将耦合电感L1与耦合电感L2绕制在同一个闭合铁芯之上，并且将耦合电感L2的同名端与耦合电感L1非同名端相接，其产生的磁通互相叠加增强，大大的增加了两个电感线圈的电感量，在满足滤波要求的前提下，显著降低了有源电力滤波装置的成本、大大减小了其体积和重量。此外，在闭合铁芯上加开气隙可以改善铁芯电感的线性度，并可防止铁芯饱和。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是根据本实用新型的一种实施方式的滤波电路的结构图；

图2a和图2b是根据本实用新型的一种实施方式的滤波电路的等效电路图；

图3是根据本实用新型的一种实施方式的有源电力滤波装置的结构框图；以及

图4是根据本实用新型的一种实施方式的有源电力滤波装置的局部电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

图1中示出了根据本实用新型的一种实施方式的滤波电路的结构图。

如图1所示，图1中示出了一种滤波电路，该滤波电路包括闭合铁芯、耦合电感L1、耦合电感L2和电容器C，其中耦合电感L1和耦合电感L2的线圈绕在所述闭合铁芯上，耦合电感L1的非同名端与耦合电感L2的同名端相连接，并且电容器C的一端连接在耦合电感L1的非同名端与耦合电感L2的同名端之间的连线上。

在图1中，耦合电感L1的线圈匝数为N1，线圈中电流为i1，耦合电感L2的线圈匝数为N2，线圈中电流为i2，它们绕制在同一个闭合铁芯之上，两个线圈绕组的激磁磁势i1·N1和i2·N2在闭合铁芯中产生的磁通互相叠加增强，并且，在闭合铁芯的环路中还可以加开气隙，以改善铁芯电感的线性度，并可防止铁芯饱和。

在图2a和图2b中，示出了耦合电感L1和L2的等效电感串联及其与电容器C组成的LCL滤波器电路等效图。其中图2a示出了耦合电感L1和L2的连接方式，及其与电容器C的连接方式，耦合电感L1和L2之间的互感为M；图2b示出了互感M对两个耦合电感L1和L2的增强。

图3中示出了使用图1中所示的滤波电路来进行滤波的有源电力滤波装置的结构框图。

如图3所示，所述有源电力滤波装置包括依次连接在一起的信号采集模块2、主控模块3、驱动模块4、功率转换模块5和滤波模块6。其中信号采集模块2和滤波模块6分别连接到三相电网1，三相电网1上还具有非线性负载7。

信号采集模块2用于从三相电网1采集信号，并对所采集的信号进行模拟/数字(A/D)转换，生成数字信号。所采集的信号是三相电网1的电压信号u_a、u_b、u_c和三相电流信号i_a、i_b、i_c，信号采集模块2对所采集的信号进行调整和A/D转换后将信号送入主控模块3。

在本实用新型的一种实施方式中，信号采集模块2由高精度的霍尔电流传感器、霍尔电压传感器、高速低功耗四通道十二位同时采样模数转换器AD7864-3等器件组成。

主控模块3连接到信号采集模块2，用于从所述信号采集模块2接收经过转换的数字信号，并从该数字信号中提取指令电流。

在本实用新型的一种实施方式中，主控模块3提取指令电流的流程如下：

1)从u_a、u_b、u_c中的一者(以u_a为例)中提取正弦信号sinωt和cosωt。

在本实用新型的一种实施方式中，主控模块3通过数字锁相环方法提取所述正弦信号sinωt和cosωt。

2)利用sinωt和cosωt对三相电流信号i_a、i_b、i_c进行帕克变换(也称为DQO变换)，得到i_d、i_q、i_o。

具体变换方程为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_o\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中 $c=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\end{array}\right].$

3)对i_d、i_q进行数字低通滤波处理，提取出直流分量

4)利用sinωt和cosωt对0、i_o进行帕克逆变换，得到i_af、i_bf、i_cf，其中在变换时为0，并且当处于三相三线制系统中时，i_o等于0。

具体变换方程为(以三相三线制为例)：

其中C^-1为C的逆矩阵。

5)用i_a、i_b、i_c分别与i_af、i_bf、i_cf作差，得到指令电流i_ah、i_bh、i_ch。

在本实用新型的一种实施方式中，主控模块3由TMS320F2812型数字信号处理器和EP2C20Q240C8型现场可编程门阵列等器件组成。

驱动模块4连接到主控模块3，用于产生与所述指令电流相对应的触发脉冲。

在本实用新型的一种优选实施方式中，并不是将指令电流直接输送给驱动模块，而是将指令电流和有源电力滤波装置输出的反馈电流送入滞环比较器，生成PWM选通信号，生成的PWM选通信号输送给驱动模块4，以便生成用于驱动IGBT的PWM触发脉冲。这样做加快了动态响应速度，增强了抑制环内扰动的能力，控制精度较高，并且不需要知道负载的参数，还可以通过防止逆变器过流而保护功率开关。

在本实用新型的一种实施方式中，驱动模块4由复杂可编程逻辑装置(CPLD)和IGBT的功率驱动器件M57962等器件组成，它负责接收光纤送来的PWM选通信号，完成对触发脉冲的死区控制和输出控制、对IGBT的状态实施检测、对IGBT的过载及短路进行保护并做出故障处理、打包并上传状态及故障信息。

功率转换模块5连接到驱动模块4，用于接收所述触发脉冲，并产生与该触发脉冲相对应的输出电流。

在驱动模块4生成的PWM触发脉冲，送到功率转换模块5，控制三相PWM桥中IGBT的有序通断，生成并输出所需的PWM输出电流。

在本实用新型的一种实施方式中，功率转换模块5则为由IGBT组成的三相电压型PWM整流器。

滤波模块6连接到功率转换模块5，用于生成与所述输出电流相对应的用于三相电网1的补偿电流。

在本实用新型中，滤波模块6由三个如图1所示的滤波电路组成(参见图4中的滤波模块6)，这三个滤波电路分别位于连接到三相电网的三相的三条支路上，每个滤波电路分别具有耦合电感L_1a和L_2a、L_1b和L_2b、以及L_1c和L_2c，且滤波电路中各自的电容器C_a、C_b和C_c的另一端相互连接，三个滤波电路分别生成与所述输出电流相对应的用于所述三相电网的三相的补偿电流。。

在本实用新型的一种实施方式中，电容器C_a、C_b和C_c的另一端接地(对应于三相三线)或与三相电网1的零线连接(对应于三相四线)。

对应于三相电网每相使用一组如图1所示的滤波电路，以a相为例，耦合电感L_1a的同名端与功率转换模块5的输出端相连，耦合电感L_1a的非同名端与耦合电感L_2a的同名端相连，电感L_2a的非同名端连接在电网1和非线性负载7之间，电容器C_a的一端连接在耦合电感L_1a的非同名端与耦合电感L_2a的同名端之间，电容器C_a的另一端与其他两相的电容器C_b、电容器C_c的相同端点相连。b相和c相的接法与a相相同。

通过上述技术方案，将耦合电感L1与耦合电感L2绕制在同一个闭合铁芯之上，并且将耦合电感L2的同名端与耦合电感L1非同名端相接，其产生的磁通互相叠加增强，大大的增加了两个电感线圈的电感量，在满足滤波要求的前提下，显著降低了有源电力滤波装置的成本、大大减小了其体积和重量。此外，在闭合铁芯上加开气隙可以改善铁芯电感的线性度，并可防止铁芯饱和。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (5)

1.一种滤波电路，其特征在于，该滤波电路包括闭合铁芯、耦合电感L1、耦合电感L2和电容器C，其中所述耦合电感L1和所述耦合电感L2的线圈绕在所述闭合铁芯上，所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端相连接，并且所述电容器C的一端连接在所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端之间的连接线上。

2.根据权利要求1所述的滤波电路，其特征在于，所述闭合铁芯的环路上具有气隙。

3.一种有源电力滤波装置，其特征在于，该滤波装置包括：

信号采集模块，从三相电网采集信号，并对所采集的信号进行模拟/数字转换，生成数字信号；

主控模块，连接到所述信号采集模块，该主控模块接收所述数字信号，并从该数字信号中提取指令电流；

驱动模块，连接到所述主控模块，该驱动模块产生与所述指令电流相对应的触发脉冲；

功率转换模块，连接到所述驱动模块，该功率转换模块接收所述触发脉冲，并产生与该触发脉冲相对应的输出电流；以及

滤波模块，连接到所述功率转换模块，其中所述滤波模块具有三个如权利要求1-2中的任一项权利要求所述的滤波电路，这三个滤波电路的耦合电感L1的同名端分别与所述功率转换模块相连，且该三个滤波电路中的电容器的另一端相互连接，该三个滤波电路分别生成与所述输出电流相对应的用于所述三相电网的三相的补偿电流。

4.根据权利要求3所述的滤波装置，其特征在于，在所述主控模块和所述驱动模块之间连接有滞环比较器。

5.根据权利要求3所述的滤波装置，其特征在于，每个滤波电路中的电容器的另一端接地或与所述三相电网的零线连接。

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