本發(fā)明屬于電力濾波器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種僅含單無(wú)源濾波支路的串聯(lián)混合型濾波器。

背景技術(shù)：

迄今為止，電力電子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、家用電器、交通系統(tǒng)，分布式發(fā)電變換器、手持設(shè)備等。電力電子裝置為非線性負(fù)載，將導(dǎo)致諧波干擾和低功率因數(shù)問(wèn)題，無(wú)源調(diào)諧濾波器是目前應(yīng)用最多的濾波方式，由于系統(tǒng)的等效阻抗對(duì)無(wú)源濾波器的濾波效果有很大的影響，無(wú)源濾波器的濾波支路數(shù)較多，諧振現(xiàn)象很容易出現(xiàn)，而且無(wú)源濾波器體積大。為了克服無(wú)源濾波器的這些缺點(diǎn)，人們提出了有源電力濾波器的概念。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種有源濾波器：傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源電力濾波器，混合型有源電力濾波器和統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。

在這些有源電力濾波器中，串聯(lián)混合型有源電力濾波器成本低、濾波效果好，降低了諧振發(fā)生的可能性而備受關(guān)注。目前研究較多的串聯(lián)混合型有源電力濾波器主要有四種：

(1)并聯(lián)無(wú)源和串聯(lián)有源的組合系統(tǒng)(shapfi)。代表性的論文有：f.z.peng，h.akagi，a.nabae.anewapproachtoharmoniccompensationinpowersystem-acombinedsystemofshuntpassiveandseriesactivefilters.ieeetrans.industryapplications，1990，26(6)：983～990。

(2)基于正弦電流控制的串聯(lián)型有源濾波器(shapfii)。代表性的論文有：j.w.dixon，g.venegas，andl.a.moran.aseriesactivepowerfilterbasedonasinusoidalcurrent-controlledvoltage-sourceinverter.ieeetrans.ind.electron.，vol.44，no.5，pp.612～620，oct.1997。

(3)基于基波磁通補(bǔ)償?shù)挠性礊V波器(shapfiii)。代表性的論文有：dayili，qiaofuchen，zhengchunjia，jianxingke.anovelactivepowerfilterwithfundamentalmagneticfluxcompensation.ieeetransactionsonpowerdelivery，19(2):799-805，2004。

(4)一種新型串聯(lián)混合型有源電力濾波器(shapfiv)。代表性的論文有：李達(dá)義，楊凱，孫玉鴻，熊博.一種新型串聯(lián)混合型有源電力濾波器.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015，06:82-87。

這些混合型有源電力濾波器采用較小容量的有源濾波器和并聯(lián)無(wú)源濾波器相結(jié)合完成大容量的濾波任務(wù)；其中的串聯(lián)型有源濾波器部分不是直接補(bǔ)償諧波而是起提高系統(tǒng)的諧波阻抗的作用，從而使諧波流入無(wú)源支路。

上述第一種和第二種串聯(lián)混合型濾波器的串聯(lián)部分等效為一個(gè)固定值k，因此無(wú)法保證在高次諧波時(shí)串聯(lián)部分的阻抗遠(yuǎn)大于無(wú)源濾波器的等效阻抗，所以無(wú)源濾波器不僅需要設(shè)計(jì)5、7次(對(duì)三相系統(tǒng)而言)濾波支路，還需要設(shè)計(jì)高通濾波支路。而第三種和第四種串聯(lián)混合型有源電力濾波器(shapfiii和shapfiv)的串聯(lián)部分的等效阻抗非常大，而且與諧波次數(shù)和頻率成正比，所以系統(tǒng)等效諧波阻抗大大增加了，在這種情況下，系統(tǒng)的無(wú)源濾波器部分就可以考慮重新設(shè)計(jì)，而且根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)系統(tǒng)的無(wú)源濾波器部分可以大為簡(jiǎn)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種串聯(lián)混合型濾波器，旨在解決普通的串聯(lián)混合型有源濾波器的無(wú)源濾波單元數(shù)量多且參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)能夠達(dá)到很好的濾波效果。

本發(fā)明提供了一種串聯(lián)混合型濾波器，包括：有源濾波單元和無(wú)源濾波單元，有源濾波單元包括：變壓器、逆變器和檢測(cè)控制單元，變壓器一次側(cè)ax串聯(lián)在電網(wǎng)中，二次側(cè)連接逆變器，檢測(cè)控制單元用于檢測(cè)一次側(cè)的電壓或電流信號(hào)，且驅(qū)動(dòng)控制所述逆變器的開(kāi)關(guān)管通斷來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓或電流施加至所述變壓器的二次側(cè)，使得所述變壓器的一次側(cè)ax對(duì)基波呈現(xiàn)低阻抗且對(duì)諧波呈現(xiàn)高阻抗；無(wú)源濾波單元用于濾除高次諧波，包括：并聯(lián)在諧波源負(fù)載兩端的lc無(wú)源濾波支路，工作時(shí)，有源濾波單元對(duì)基波表現(xiàn)為低阻抗，使得基波能順利流過(guò)有源濾波單元，而其對(duì)高次諧波表現(xiàn)為高阻抗，此時(shí)無(wú)源濾波單元對(duì)諧波表現(xiàn)為低阻抗，諧波便從無(wú)源濾波單元流通，不會(huì)流入電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能。

更進(jìn)一步地，對(duì)于諧波所述無(wú)源濾波單元的阻抗遠(yuǎn)小于同頻率下所述有源濾波單元的阻抗。

更進(jìn)一步地，lc支路包括：依次串聯(lián)連接的電感l(wèi)3和電容c3，用于濾除3次諧波。

更進(jìn)一步地，檢測(cè)控制單元包括：電流互感器檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路；電流互感器用于檢測(cè)變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流信號(hào)，通過(guò)處理生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)并經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)逆變器工作。

本發(fā)明還提供了一種三相電力系統(tǒng)，包括三套單相的串聯(lián)混合型濾波器，每套單相的串聯(lián)混合型濾波器為上述的串聯(lián)混合型濾波器。

本發(fā)明所述的經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器部分和現(xiàn)有無(wú)源濾波器相比主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器部分只含有3次無(wú)源濾波lc支路，參數(shù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。

(2)降低了成本，因?yàn)闊o(wú)源部分大大簡(jiǎn)化，所以成本會(huì)相應(yīng)降低。

(3)濾波效果好，雖然無(wú)源濾波器部分只含3次無(wú)源lc支路(三相系統(tǒng)為5次)，但是能達(dá)到含多個(gè)無(wú)源lc支路同樣的濾波效果。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明使用的串聯(lián)混合型有源濾波器接入電網(wǎng)的單相原理電路；

圖2為系統(tǒng)的基波等效電路圖；

圖3為系統(tǒng)的諧波等效電路圖；

圖4為本發(fā)明簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的無(wú)源lc濾波支路；

圖5為本發(fā)明接入三相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明是在上述提到的第三種和第四種串聯(lián)混合型有源電力濾波器的串聯(lián)部分的等效阻抗非常大的情況下，提出一種簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)其無(wú)源濾波器部分的方案，本發(fā)明提出的這種方案可以解決無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)的問(wèn)題，使得無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，同時(shí)又能夠保證濾除負(fù)載側(cè)高次諧波，防止負(fù)載諧波流入電網(wǎng)。

在本發(fā)明實(shí)施例提供的串聯(lián)型混合濾波器中，串聯(lián)混合型有源濾波器的等效阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)阻時(shí)可以采用僅含3次無(wú)源濾波支路的無(wú)源濾波方式(三相系統(tǒng)為5次無(wú)源濾波器)，也就是采用僅僅有最低次特征諧波的無(wú)源濾波器方式。

本發(fā)明實(shí)施例中，無(wú)源濾波器還可以由三套單相結(jié)構(gòu)構(gòu)成三相系統(tǒng)，應(yīng)用于三相電力系統(tǒng)，具體如圖5所示。

以下結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明所述的無(wú)源濾波器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)及其工作原理作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明提供的串聯(lián)混合型濾波器包括：有源濾波單元1和無(wú)源濾波單元2，有源濾波單元1包括變壓器和逆變器以及檢測(cè)控制單元，變壓器一次側(cè)ax串聯(lián)在電網(wǎng)中，二次側(cè)連接一個(gè)逆變器，檢測(cè)控制單元用于檢測(cè)一次側(cè)的電壓或電流信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)控制逆變器的開(kāi)關(guān)管通斷產(chǎn)生相應(yīng)的電壓或電流施加到變壓器的二次側(cè)，從而使得變壓器的一次側(cè)ax對(duì)基波呈現(xiàn)低阻抗，而對(duì)諧波呈現(xiàn)高阻抗；無(wú)源濾波單元2包括3次lc支路l3、c3，無(wú)源支路并聯(lián)在諧波源負(fù)載兩端；整個(gè)串聯(lián)混合型濾波器在工作時(shí)，有源濾波單元對(duì)基波表現(xiàn)為很低的阻抗，使得基波能順利流過(guò)有源單元；而其對(duì)高次諧波表現(xiàn)為很高的阻抗，此時(shí)無(wú)源濾波單元對(duì)諧波表現(xiàn)為很低的阻抗，這樣諧波便從無(wú)源濾波單元流通，不會(huì)流入電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)濾除諧波的功能。

一般情況下，無(wú)源濾波器的一條lc濾波支路是根據(jù)需要濾除的諧波次數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)電感l(wèi)和電容c的值，當(dāng)需要濾除所有的諧波時(shí)，需要針對(duì)不同次數(shù)的諧波分別設(shè)計(jì)lc濾波支路，才能達(dá)到很好的濾波效果，這樣不但增加了無(wú)源濾波器中l(wèi)c濾波支路的數(shù)量，增加成本，而且對(duì)各個(gè)濾波支路中電感l(wèi)和電容c的值也需要分別設(shè)計(jì)，整個(gè)無(wú)源濾波單元的等效阻抗還不能和系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明采用串聯(lián)混合型濾波器，通過(guò)控制其有源濾波單元部分，使得有源濾波單元對(duì)基波表現(xiàn)為很低的阻抗，對(duì)諧波表現(xiàn)為很高的阻抗，這樣諧波源負(fù)載的諧波電流就從對(duì)諧波表現(xiàn)為低阻抗的無(wú)源濾波單元流通，達(dá)到濾波效果。因?yàn)橛性礊V波單元對(duì)高次諧波的高阻抗作用，使得無(wú)源濾波單元的lc濾波支路不需要針對(duì)各次諧波進(jìn)行設(shè)計(jì)，只需要針對(duì)低次諧波進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得無(wú)源濾波單元阻抗遠(yuǎn)小于同頻率下有源濾波單元的阻抗，即可實(shí)現(xiàn)很好的濾除該次諧波的作用，也使得無(wú)源濾波單元得到應(yīng)有的簡(jiǎn)化。

本發(fā)明的串聯(lián)混合型有源濾波器接入電網(wǎng)的單相原理圖如圖1所示。其中和分別等效為電源電壓us的基波分量和背景諧波分量。zs等效為系統(tǒng)內(nèi)阻，zf無(wú)源濾波支路阻抗。選取諧波電流源作為諧波負(fù)載，產(chǎn)生的諧波電流為il，可以分解為基波分量和諧波分量

根據(jù)電路疊加原理，可以得出圖1的系統(tǒng)基波及諧波等效電路，分別如圖2、圖3所示。其中和分別為電源電流is的基波分量和諧波分量。if為流經(jīng)無(wú)源濾波器支路的電流，即基波分量和n次諧波分量之和。系統(tǒng)內(nèi)阻zs也可分解為系統(tǒng)基波阻抗和n次諧波阻抗串聯(lián)變壓器對(duì)應(yīng)的基波和諧波原邊等效阻抗分別為z1+z2和相應(yīng)的無(wú)源濾波支路阻抗為zf，其中基波和諧波阻抗分別為和

在負(fù)載諧波電流和電源背景諧波的共同作用下，圖3中的諧波電流流入電網(wǎng)，可被寫為：通常在式(1)中有因此幾乎為0。串聯(lián)變壓器對(duì)基波等效阻抗較低，而對(duì)諧波等效阻抗很高，從而起到隔離諧波和抑制無(wú)源濾波支路和系統(tǒng)內(nèi)阻的并聯(lián)諧振的作用。當(dāng)其用于具有高背景諧波及高諧波滲透率的電力系統(tǒng)時(shí)，它同時(shí)可以起到隔離電網(wǎng)及負(fù)載諧波的作用，兩側(cè)諧波電流流向無(wú)源濾波支路。

正因?yàn)榇?lián)有源濾波器部分對(duì)諧波呈現(xiàn)非常高的感性阻抗，才可以對(duì)無(wú)源濾波支路進(jìn)行簡(jiǎn)化。這時(shí)，可以省略高次諧振濾波器及高通電力濾波器支路?；诖耍景l(fā)明提出了無(wú)源濾波器的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方案，僅含三次無(wú)源濾波支路的無(wú)源濾波方式(三相系統(tǒng)為5次無(wú)源濾波器)，如圖4所示。圖4中三次lc濾波支路的電容和電感分別為c3和l3，且滿足1/ωc3＝9ωl3，忽略電感線圈的電阻和電源內(nèi)阻zs，可得三次lc濾波支路的n次諧波等效阻抗為：由式(2)可知，隨著諧波次數(shù)的增加，逐漸接近于nωl3，當(dāng)時(shí)，即由式(1)知很顯然，通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)是很容易實(shí)現(xiàn)的。這樣，在串聯(lián)混合型有源濾波器的等效阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)內(nèi)阻時(shí)可以采用僅含三次無(wú)源濾波支路的無(wú)源濾波方式(三相系統(tǒng)為5次無(wú)源濾波器)，也就是采用僅僅有最低次特征諧波的無(wú)源濾波器方式，即可實(shí)現(xiàn)很好的濾波效果，同時(shí)簡(jiǎn)化了無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。