專利名稱：有源濾波器、對電網(wǎng)電流諧波濾波的裝置及頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及頻率轉(zhuǎn)換器并且具體地涉及減少頻率轉(zhuǎn)換器的電網(wǎng)電流諧波。
背景技術(shù)：
標(biāo)準(zhǔn)確定針對頻率轉(zhuǎn)換器中的電網(wǎng)電流和電壓諧波的允許限制。有若干諧波限制，并且可適用的限制例如依賴于電網(wǎng)條件和應(yīng)用。具體而言，由于分散發(fā)電的原因，所以電網(wǎng)運(yùn)營商以及將其設(shè)備連接到電網(wǎng)的客戶各自具有它們的特定要求。頻率轉(zhuǎn)換器的制造商致力于生產(chǎn)在所設(shè)置的限制內(nèi)的設(shè)備。頻率轉(zhuǎn)換器中的整流器橋接器例如可以由二極管橋接器或者借助由有源開關(guān)實(shí)現(xiàn)的逆變器供給單元來實(shí)現(xiàn)。將在這些解決方案中運(yùn)用的技術(shù)主要受制于電力是否將從電網(wǎng)向負(fù)載、從負(fù)載向電網(wǎng)或者在兩個方向上傳送這一事實(shí)以及對低頻電流諧波的補(bǔ)償。圖1 示出了在電網(wǎng)2與負(fù)載3之間連接的現(xiàn)有技術(shù)的頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1。頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1包括逆變器供給單元1. 1和電網(wǎng)濾波器1. 2。典型地通過使用串聯(lián)耦合的無源濾波器來減少頻率轉(zhuǎn)換器的電網(wǎng)電流諧波。在整流器橋接器由二極管實(shí)現(xiàn)的情況下，一般使用交流扼流器或者直流扼流器。在逆變器供給單元的情況下，電網(wǎng)電流的波形將幾乎為正弦曲線。電網(wǎng)電流的總失真水平通常至多為百分之幾的量級。用于減少電網(wǎng)電流諧波的典型解決方案是使用由無源部件實(shí)現(xiàn)并且與有源整流器橋接器結(jié)合運(yùn)用的濾波器。LCL濾波器是眾所周知并且用于這一目的的濾波器。它防止由脈寬調(diào)制電壓引起的電流脈動出現(xiàn)于電網(wǎng)電流中，而對逆變器供給單元的控制負(fù)責(zé)消除低頻諧波。LCL濾波器的額定值主要由逆變器供給單元的預(yù)期失真水平和切換頻率來確定。 更高切換頻率允許用更小濾波器額定值執(zhí)行相同功能，但是同時逆變器供給單元中的半導(dǎo)體的切換損耗增加。對應(yīng)地，切換頻率越低，濾波器必須對更大電流脈動進(jìn)行濾波，因而濾波器部件變得更大并且損耗增加。可以考慮諸多不同觀點(diǎn)來設(shè)定LCL濾波器的額定值， 但是只要濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格重構(gòu)(regrid)相同，某些規(guī)律就保持相同。例如可以借助傳遞函數(shù)來檢查LCL濾波器的濾波性能。逆變器供給單元為脈寬調(diào)制器型，因而濾波后電網(wǎng)電流與逆變器供給單元電壓的比例很好地把LCL濾波器的操作描述為頻率的函數(shù)。圖2的上部示出了不同額定值的三個LCL濾波器的頻率響應(yīng)。重度濾波由標(biāo)號a 表示，典型濾波由標(biāo)號b表示，而輕度濾波由標(biāo)號c表示。圖2的下部還示出了用于上文提到的濾波備選方式的濾波頻帶。將逆變器供給單元的濾波頻帶表示為紋條而將電網(wǎng)濾波器的濾波頻帶表示為白條。頻率響應(yīng)描述了電網(wǎng)電流與逆變器供給單元生成的電壓的相關(guān)性。在實(shí)踐中，濾波器在比它的諧振頻率更高的頻率開始有效地抑制電流。如果濾波器的額定值小，則它的諧振頻率高并且它的濾波頻帶始于更高頻率。就典型和少量額定值而言， 在逆變器供給單元和濾波器的濾波頻帶之間將有間隙。對應(yīng)地，額定值高的濾波器甚至在低頻對電流進(jìn)行濾波。當(dāng)額定值高時，濾波器的濾波頻帶可以與逆變器供給單元的濾波頻
帶重合。可以通過增加在電路中生成的損耗來增大濾波器在諧振頻率的抑制。在實(shí)踐中， 這例如由如下電阻部件實(shí)現(xiàn)，該電阻部件添加到電路并且其功能在于將諧振頻率能量轉(zhuǎn)換成熱并且因此抑制振蕩。然而電阻抑制僅在諧振頻率有效工作，因此它并不適合于對更寬頻率頻帶進(jìn)行濾波。此外，補(bǔ)充電阻部件增加設(shè)備的冷卻需要并且降低效率。除了 LCL濾波器之外，也有可能借助逆變器供給單元調(diào)制器和控制來影響逆變器供給單元的電網(wǎng)電流諧波成分。該控制允許使伴隨正常工作的低諧波頻率最少。然而，這一方式常常并未使得有可能在比LCL濾波器的濾波頻帶更低的頻率覆蓋整個頻率頻帶。具體而言，濾波器的諧振頻率諧波分量在困難區(qū)(difficult area)中。在系統(tǒng)的濾波需要增加(幅度和/或頻率限制改變)的情況下，可以通過改變?yōu)V波器、逆變器供給單元或者二者的特性來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的必要改變。為了可以將逆變器供給單元的控制頻帶擴(kuò)張至更高頻率，必須在系統(tǒng)中增加整流器橋接器的測量采樣頻率和切換頻率。除此之外，設(shè)備的測量范圍應(yīng)當(dāng)使得它甚至檢測到待控制的變量的最輕微改變，因?yàn)樵跇?biāo)準(zhǔn)中針對電網(wǎng)電流和電壓諧波幅度而允許的最高值隨著頻率增加而變得銳減。由于幅度和頻率范圍極大，所以實(shí)現(xiàn)測量既困難又成本高。最低幅度將在大測量范圍的準(zhǔn)確度容差以外。例如500A的閉環(huán)霍爾傳感器的準(zhǔn)確度為0.5%的量級。此外需要高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路用于檢查測量結(jié)果。因此必須在更高切換頻率并且用更準(zhǔn)確的測量電路進(jìn)行對主變量的控制。這又增加設(shè)備的功率損耗和價(jià)格。隨著擴(kuò)張逆變器供給單元的控制頻帶，出現(xiàn)控制頻帶包括LCL濾波器的諧振頻率這樣的情形。為了可以考慮到諧振頻率對電網(wǎng)電流的影響，必須向控制系統(tǒng)添加對電網(wǎng)電流的測量或者必須從逆變器供給單元的控制頻帶中去除LCL濾波器的諧振頻率。向控制系統(tǒng)添加測量增加它的價(jià)格。去除濾波器諧振頻率又使逆變器供給單元的切換頻率和濾波器的諧振頻率相互更接近，因此必須進(jìn)一步提高切換頻率以免激發(fā)濾波器諧振。隨著關(guān)于電網(wǎng)電流的要求日趨嚴(yán)格，鑒于成本、尺寸、性能和效率，無源濾波將不是最有效的解決方案。鑒于相對少量的附加要求，設(shè)備的額定值也可能變得過于高成本。如果新的加嚴(yán)要求超出有源逆變器供給單元的典型工作范圍，則這一點(diǎn)也同樣存在于有源逆變器供給單元。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種裝置從而可以解決上述問題。這由一種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)的特征在于所要求保護(hù)的技術(shù)方案中聲明的特征。在所進(jìn)一步要求保護(hù)的技術(shù)方案中公開了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例。本實(shí)用新型提供一種用于對電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的有源濾波器，該有源濾波器被布置成連接到頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括電網(wǎng)濾波器和頻率轉(zhuǎn)換器，頻率轉(zhuǎn)換器還包括逆變器供給單元，并且頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有已知的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)，其中有源濾波器的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)不同于頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)。本實(shí)用新型還提供一種用于對頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的裝置，該頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括電網(wǎng)濾波器和頻率轉(zhuǎn)換器，頻率轉(zhuǎn)換器還包括逆變器供給單元，其中該裝置包括根據(jù)上述技術(shù)方案中的有源濾波器。本實(shí)用新型還提供一種頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其中該頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)被布置成接納根據(jù)上述技術(shù)方案中的有源濾波器。本實(shí)用新型的系統(tǒng)的基本思想在于使用根據(jù)主導(dǎo)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的配備有逆變器供給單元和電網(wǎng)濾波器的頻率轉(zhuǎn)換器并且在不改變原系統(tǒng)的情況下借助本實(shí)用新型的有源濾波器來增加系統(tǒng)的濾波容量。本實(shí)用新型的有源濾波器是額定值設(shè)定成在比基本工作頻率明顯更高的頻率范圍中工作的并聯(lián)有源濾波器。濾波器的功能例如在于對典型地在基本設(shè)備的電網(wǎng)濾波器的諧振頻率附近的問題諧波進(jìn)行濾波。由于待濾波的諧波的幅度低，所以有可能針對低標(biāo)稱電流設(shè)定本實(shí)用新型的有源濾波器的額定值。由于負(fù)載電流低，所以有可能使用更高切換頻率而不過量增加功率損耗， 由此本實(shí)用新型的有源濾波器的濾波頻帶自動擴(kuò)張。得益于更高的切換頻率和更低的電流，所以有源濾波器的無源部件可以設(shè)計(jì)成比在現(xiàn)有技術(shù)中更小。此外可以與待濾波的諧波的幅度一致地布置有源濾波器中需要的測量。本實(shí)用新型的解決方案提供濾波的改進(jìn)性能、效率和成本有效性。該解決方案根據(jù)典型要求來實(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)備設(shè)計(jì)而無額外成本，因?yàn)樵黾訛V波容量所引起的額外成本僅涉及所述特殊應(yīng)用和因此需要的附加設(shè)備。因此，基本設(shè)備的應(yīng)用范圍未經(jīng)變更也將擴(kuò)張。具體而言，本實(shí)用新型的解決方案很好地適合于太陽能和風(fēng)力應(yīng)用，其中針對電網(wǎng)電流中的諧波的限制隨具體情況變化。

在下文中將參照以下附圖結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)；圖2示出了三個現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中的頻率響應(yīng)；圖3示出了用于對電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的本實(shí)用新型的有源濾波器和用于對頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的本實(shí)用新型的裝置；以及圖4示出了頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中的電流諧波和有關(guān)限制值。
具體實(shí)施方式
圖3示出了用于對電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的根據(jù)本實(shí)用新型的有源濾波器和用于對頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的根據(jù)本實(shí)用新型的裝置。該裝置包括本實(shí)用新型的頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1和有源濾波器4。頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1包括電網(wǎng)濾波器1. 2和頻率轉(zhuǎn)換器1. 1，并且它具有已知的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)。頻率轉(zhuǎn)換器包括逆變器供給單元1.1. 1。電網(wǎng)濾波器1.2可以例如是 L、LC或者LCL濾波器。頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1被布置成接納本實(shí)用新型的有源濾波器。頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1以現(xiàn)有技術(shù)方式工作，即逆變器供給單元1. 1. 1的控制負(fù)責(zé)控制主變量并且抑制低頻電流諧波，而電網(wǎng)濾波器1. 2的濾波頻帶抑制切換頻率的電流諧波。根據(jù)圖3，可以通過結(jié)合頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1添加有源濾波器4來增加頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的濾波容量，該濾波器呈現(xiàn)預(yù)期諧波分量使得它們將在各特定情況下待適用的要求中所設(shè)置的限制內(nèi)。有源濾波器4被布置用于連接到頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1，并且所述有源濾波器的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)不同于頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)。有源濾波器4被布置用于與頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1并聯(lián)連接到電網(wǎng)接入點(diǎn)5。當(dāng)有源濾波器4與頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng) 1并聯(lián)連接時，在電網(wǎng)接入點(diǎn)5的電網(wǎng)電流是頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1中和有源濾波器4中的電流之和。有源濾波器4的負(fù)載電流依賴于待濾波的變量的幅度。有源濾波器4的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)被布置成補(bǔ)足濾波器轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)，從而當(dāng)有源濾波器4連接到頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1時，頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的電網(wǎng)電流在電網(wǎng)接入點(diǎn)5滿足指定要求。通過有源濾波器4，有可能例如在頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的電網(wǎng)濾波器的諧振頻率對問題諧波進(jìn)行濾波。本實(shí)用新型的有源濾波器4與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于有源濾波器的工作范圍、由此也在于有源濾波器的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有源濾波器被設(shè)計(jì)成去除其量值為主變量的百分之幾十的明顯低頻諧波。由于本實(shí)用新型的濾波器被布置成在本實(shí)用新型的有源濾波器4中補(bǔ)足頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的電網(wǎng)電流濾波，所以負(fù)載電流可以僅為頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)電流百分?jǐn)?shù)的一小部分。因此，可以針對低標(biāo)稱電流設(shè)定有源濾波器4的額定值。待檢查的電流諧波在很小幅度范圍內(nèi)，因而可以有效利用電流測量范圍并且它無需額定過高的A/D轉(zhuǎn)換器。由于電流額定值低，所以有可能使用很高切換頻率而無過量功率損耗，由此有源濾波器的濾波頻帶自動擴(kuò)張。由于濾波器工作集中于更高頻率范圍，所以濾波器的無源部件可以設(shè)定比在現(xiàn)有技術(shù)的有源濾波器中明顯更小的額定值。作為例子給出根據(jù)圖3的系統(tǒng)的一個實(shí)施例，其中電流定義為在頻率為lp.u.時 100%的主可調(diào)變量，除此之外，在頻率為1至20p. u.時將補(bǔ)償2%至20%的諧波而在頻率為20至IOOp. u.時將補(bǔ)償0. 05%至0. 2%的諧波。在頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1與有源濾波4之間劃分系統(tǒng)的濾波容量。頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1 的逆變器供給單元ι. ι. 1的控制負(fù)責(zé)控制在頻率為Ip. U.時100%的主變量并且在頻率為 2至15p.U.時抑制2%至10%的低頻諧波。電網(wǎng)濾波器1.2的濾波頻帶抑制切換頻率處的諧波。將有源濾波器4調(diào)諧至如下頻率范圍，該頻率范圍滿足應(yīng)用的指定要求并且也可以包括LCL濾波器的諧振點(diǎn)。在該實(shí)施例中(在頻率為20至IOOp. u.時0. 05%至0. 2% 的)高頻諧波極大地不同于在頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的范圍中包括的高頻諧波，因而有源濾波器的額定值不同于現(xiàn)有技術(shù)。有源濾波器的切換頻率高于頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的逆變器供給單元1. 1. 1的切換頻率而電流測量幅度范圍小于頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)1的逆變器供給單元 1.1.1的電流測量幅度范圍。在本實(shí)用新型的第二實(shí)施例中，有源濾波器的主要工作范圍跨越頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的LCL濾波器的諧振頻率的兩側(cè)，頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的濾波性能在諧振頻率的兩側(cè)處于最弱。在圖4中圖示了這一點(diǎn)，其中當(dāng)未運(yùn)用本實(shí)用新型的有源濾波器時，頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)超過特定應(yīng)用恰在LCL濾波器的諧振頻率附近設(shè)置的限制值。在圖4中，諧振頻率處于890Hz (= 17.8X50Hz)的頻率。暗條描繪了限制值而淺條描繪了頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的諧波。 諧波15、17和19超過限制值。在根據(jù)本實(shí)用新型的情況下，用有源濾波器對圖4中的超過諧波進(jìn)行濾波，從而總體將滿足指定要求。本實(shí)用新型在超過諧波出現(xiàn)于偶數(shù)編號的諧波時特別有效。在這一種情況下，由于針對偶數(shù)編號的諧波設(shè)置極為嚴(yán)格的限制，所以常規(guī)濾波器的甚至并不嚴(yán)格的額定值仍然將是充分的。由于濾波器工作集中于更高頻率范圍，所以濾波器的無源部件可以設(shè)定比在常規(guī)有源濾波器中明顯更小的額定值。用于有源濾波器的最優(yōu)工作范圍處于基本設(shè)備的諧振頻率的0.5至1.5倍的量級。也有可能使用在本實(shí)用新型的裝置中的各種有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由此可以針對該目的對進(jìn)行附加濾波的有源濾波器實(shí)際地進(jìn)行優(yōu)化。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚可以用多種方式實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的基本思想。因此，本實(shí)用新型及其實(shí)施例并不限于上述例子而是它們可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求1.一種用于對電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的有源濾波器G)，所述有源濾波器被布置成連接到頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)，所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)包括電網(wǎng)濾波器(1. 和頻率轉(zhuǎn)換器 (1.1)，所述頻率轉(zhuǎn)換器還包括逆變器供給單元(1.1.1)，并且所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有已知的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)，其特征在于所述有源濾波器的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)不同于所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源濾波器，其特征在于所述有源濾波器(4)被布置成與所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)并聯(lián)連接到電網(wǎng)接入點(diǎn)(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有源濾波器G)，其特征在于所述有源濾波器(4)的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)被布置成補(bǔ)充所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的有源濾波器G)，其特征在于所述有源濾波器(4)的切換頻率高于所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)的逆變器供給單元(1. 1. 1)的切換頻率并且所述有源濾波器(4)的電流測量幅度范圍小于所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)的逆變器供給單元(1. 1. 1)的電流測量幅度范圍。
5.一種用于對頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)的電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的裝置，所述頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)包括電網(wǎng)濾波器(1. 和頻率轉(zhuǎn)換器(1.1)，所述頻率轉(zhuǎn)換器還包括逆變器供給單元(1. 1. 1)，其特征在于所述裝置包括根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的有源濾波器 ⑷。
6.一種頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)，其特征在于該頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)被布置成接納根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的有源濾波器(4)。
專利摘要公開了對電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的有源濾波器和含有該有源濾波器的裝置。一種用于對電網(wǎng)電流諧波進(jìn)行濾波的有源濾波器(4)，該有源濾波器被布置連接到頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)。頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)包括電網(wǎng)濾波器(1.2)和頻率轉(zhuǎn)換器(1.1)，該頻率轉(zhuǎn)換器還包括逆變器供給單元(1.1.1)。頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)具有已知的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)。有源濾波器(4)的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)不同于頻率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)(1)的電網(wǎng)電流濾波頻率響應(yīng)。
文檔編號H02J3/01GK202026090SQ20102060338
公開日2011年11月2日 申請日期2010年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月22日
發(fā)明者亨利·金努寧, 泰勒·維塔寧 申請人:Abb公司