專利名稱：一種與電網(wǎng)連接的三相低通濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種與電網(wǎng)連接的三相低通濾波器，屬于電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量綜合治理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)中大量非線性和不平衡負(fù)荷的大量使用，使得系統(tǒng)電流和電壓波形發(fā)生畸變。為抑制諧波電流在系統(tǒng)中的進(jìn)一步擴(kuò)散，供電部門(mén)或電力用戶往往裝設(shè)并聯(lián)型有源電力濾波器。并聯(lián)型有源電力濾波器是為解決電網(wǎng)中由非線性負(fù)荷所產(chǎn)生諧波電流引起的電能質(zhì)量問(wèn)題而設(shè)計(jì)的一種電力電子設(shè)備，其通過(guò)檢測(cè)負(fù)荷側(cè)電流，提取畸變電流分量，再利用PWM逆變器產(chǎn)生脈寬調(diào)制波，經(jīng)低通濾波器(簡(jiǎn)稱LPF)濾除開(kāi)關(guān)紋波后并入電網(wǎng)中，從而產(chǎn)生與負(fù)荷諧波電流大小相等且相位相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，從而抵消負(fù)荷諧波電流，使電源側(cè)電流接近正弦波，以達(dá)到改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。
并聯(lián)型有源電力濾波器一般都是用電壓型逆變器實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)控制電力電子器件的開(kāi)關(guān)，使實(shí)際輸出電流(或電壓)波形跟蹤上需補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娏?或電壓)波形。而裝置工作中電壓逆變器輸出的是PWM開(kāi)關(guān)波形，而電網(wǎng)中需要補(bǔ)償?shù)闹C波是連續(xù)波形，根據(jù)傅立葉分析可知，PWM開(kāi)關(guān)波形中含有高次諧波需要通過(guò)并聯(lián)型有源電力濾波器和電網(wǎng)間連接的低通濾波器來(lái)濾除。
目前并聯(lián)型有源濾波器的輸出濾波一般采用簡(jiǎn)單的二階LC濾波器，濾波效果不甚理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和存在的問(wèn)題，提出應(yīng)用在有源濾波領(lǐng)域的具有較好濾波效果的與電網(wǎng)連接的三相低通濾波器。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種與電網(wǎng)連接的三相低通濾波器，包括電感和電容，其中每相設(shè)有電容C和兩個(gè)相互串聯(lián)的電感L1、L2，電感L1、L2的連接端與電容C的一端連接，電容C另一端連接在電網(wǎng)的中線端，電感L1另一端連接在并聯(lián)型有源濾波器的輸出端，電感L2的另一端連接到電網(wǎng)側(cè)。
上述電感L1和/或電感L2為可調(diào)電感。
上述電感L1和/或電感L2為空心電感，電容為無(wú)感電容。
上述電容C、電感L1、L2的參數(shù)由巴特沃斯濾波器為原則確定；其中各項(xiàng)給定指標(biāo)采用如下要求選取1.輸出電流只含有應(yīng)補(bǔ)償25次及以下的諧波電流，對(duì)于開(kāi)25次以上的諧波分量應(yīng)有效的濾除；2.通帶截止頻率fc＝1500Hz，通帶最大衰耗為Ap＝3dB；
3.阻帶截止頻率fr＝4500Hz，阻帶最小衰耗為Ar＝23dB。
本發(fā)明的三相低通濾波器應(yīng)用在有源電力濾波器和電網(wǎng)之間可以起到良好的阻隔高頻諧波注入電網(wǎng)的作用，在線形相位、衰減斜率和加載特性三個(gè)方面具有特性均衡的優(yōu)點(diǎn)；能確保有源電力濾波器的補(bǔ)償效果；保證配電系統(tǒng)工作的可靠性和準(zhǔn)確性。對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量治理具有重要意義，因此具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明三相低通濾波器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明在有源電力濾波器和電網(wǎng)之間應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明單相諧波電壓源等效電路；圖4為本發(fā)明單相諧波電流源等效電路。
具體的實(shí)施方式參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的三相低通濾波器包括電感和電容，三相電路中每相設(shè)有電容C和兩個(gè)相互串聯(lián)的電感L1、L2，電感L1、L2的連接端與電容C的一端連接，電容C另一端連接在電網(wǎng)的中線端，電感L1另一端連接在并聯(lián)型有源濾波器的輸出端，電感L2的另一端連接到電網(wǎng)側(cè)。
為了使本發(fā)明的三相低通濾波器隨著外界電網(wǎng)參數(shù)條件的改變而可以調(diào)節(jié)，即有多級(jí)可調(diào)接頭，上述電感L1和/或電感L2最好采用可調(diào)電感。
考慮到該濾波器工作在高電壓，大電流和高頻率的工作狀態(tài)，對(duì)器件的選擇最好有一定的裕量，因此上述電感L1和/或電感L2建議選用空心電感，電容C建議選用進(jìn)口無(wú)感電容。
電容C、電感L1、L2的參數(shù)可由巴特沃斯濾波器為原則確定一.低通濾波器的理論推導(dǎo)按給定的指標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，其中心是尋找一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕坪瘮?shù)來(lái)逼近理想特性。這種基于不同類似近似函數(shù)的綜合方法，長(zhǎng)期以來(lái)得到廣泛應(yīng)用的已有許多，其中具有優(yōu)良性能的濾波器，如巴特沃思、切比雪夫和橢圓濾波器。而在這三種濾波器當(dāng)中，巴特沃斯濾波器在線形相位、衰減斜率和加載特性三個(gè)方面具有特性均衡的優(yōu)點(diǎn)。特別是隨著階數(shù)的增加，濾波器的衰減斜率會(huì)逐步增加，而且具有“最大平坦”的特性。因此該設(shè)計(jì)中，巴特沃斯濾波器被列為首選。
所謂巴特沃思濾波器就是以巴特沃思近似函數(shù)作為濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，該函數(shù)以最高階臺(tái)勞級(jí)數(shù)的形式來(lái)逼近理想矩形特性，式(1)即為其通用模方函數(shù)表達(dá)式|H(ω)|2=11+ϵ2(ωωc)2N,N=1,2,3....(1)]]>二.低通濾波器的參數(shù)推導(dǎo)過(guò)程低通濾波器階數(shù)N對(duì)通帶特性，過(guò)渡帶寬、窄以及阻帶衰耗大小影響很大。因此如何根據(jù)給定的通、阻帶指標(biāo)，恰當(dāng)?shù)剡x擇濾波器的階數(shù)N是首先需要考慮的問(wèn)題。
設(shè)計(jì)APF與電網(wǎng)連接處濾波電感和濾波電容的參數(shù)按照巴特沃斯低通濾波器逼近原則統(tǒng)一的設(shè)計(jì)，各項(xiàng)給定指標(biāo)如下1)輸出電流只含有應(yīng)補(bǔ)償25次及以下的諧波電流，對(duì)于開(kāi)25次以上的諧波分量應(yīng)有效的濾除；2)通帶截止頻率fc＝1500Hz，通帶最大衰耗為Ap＝3dB；3)阻帶截止頻率fr＝4500Hz，阻帶最小衰耗為Ar＝23dB。
按巴特沃斯逼近方法，首先需要確定低通濾波器的階數(shù)N。由已知條件，可得歸一化頻率fr/fc＝3λ=100.1Ar-1=14.09]]>階數(shù)N≥lg14.09lg3=2.4]]>取階數(shù)N＝3階。查巴特沃思多項(xiàng)式可以得到3階低通濾波器歸一化傳遞函數(shù)為H(S)=1S3+2S2+2S+1---(2)]]>歸一化參考角頻率即截止角頻率ωc＝2×π×1250Hz＝9424rad/s，將ωc帶入(2)式進(jìn)行反歸一化可得巴特沃思系統(tǒng)函數(shù)H(S)=11.1948×10-12S3+2.2×10-8S2+2.1222×10-4S+1--(3)]]>上式即為所需設(shè)計(jì)低通濾波器的實(shí)際傳遞函數(shù)。
根據(jù)巴特沃思濾波器設(shè)計(jì)原則以及APF對(duì)低通濾波器的設(shè)計(jì)要求得出LPF的傳遞函數(shù)式(3)，在接下來(lái)就要根據(jù)低通濾波器的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定其具體參數(shù)。
根據(jù)前面的計(jì)算，可選用三階巴特沃思低通濾波器，那么實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，Ls為系統(tǒng)等效內(nèi)電感；本發(fā)明的低通濾波器傳遞函數(shù)如(2)式所示；R為逆變環(huán)節(jié)等效電阻。
圖2中的虛線框內(nèi)為本發(fā)明的三相低通濾波器，電阻R包括開(kāi)關(guān)元件的等效電阻和電感線圈電阻在內(nèi)。三相低通濾波器的三相輸入(即各相中的電感L1與有源電力濾波器的連接端)分別接并聯(lián)型有源濾波器的三相輸出端，三相低通濾波器的三相輸出分別接電網(wǎng)的A、B、C三相，三相低通濾波器的電容的輸出接電網(wǎng)的中線N。
考慮系統(tǒng)是線性對(duì)稱的，可以采用疊加原理進(jìn)行分析。且認(rèn)為系統(tǒng)三相電壓對(duì)稱正弦，其單相諧波等效電路如圖3、4所示。
圖3中，L＝L2+Ls，uh為諧波電壓源，即有源濾波器逆變器輸出的一系列等幅不等寬的方波電壓，其波形頻譜包括用于補(bǔ)償作用的低次諧波分量和高頻開(kāi)關(guān)諧波。其中uh可以用一個(gè)電流源ih來(lái)等效如圖4所示。低通濾波器的作用就是把ih中的高頻分量濾除，因此根據(jù)圖3、圖4可以得到傳遞函數(shù)如下
Ish(S)Ih(s)=1LL1CRS3+CLS2+(L1+L)RS+1--(4)]]>對(duì)比(3)式和(4)式可得LL1CR=1.1948×10-12]]>CL＝2.2×10-8L1+LR=2.1222×10-4]]>其中R主要是逆變器等效內(nèi)阻，這個(gè)阻值比較小，在這里我們假設(shè)其為0.8歐姆(該電阻大小可根據(jù)IGBT的伏安特性來(lái)確定)，這樣可以計(jì)算得到L1＝0.42×10-4H，L＝1.28×10-4H，C＝174×10-6F。
以上數(shù)值是根據(jù)巴特沃思低通濾波器的設(shè)計(jì)原理和有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)給出的低通濾波器參數(shù)，在實(shí)際裝置中該參數(shù)還要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和其他因素給予適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，從而令有源電力濾波器處于最佳工作狀態(tài)。
三、選擇器件的具體安裝方式本發(fā)明安裝在有源電力濾波器和電網(wǎng)之間，有源濾波器出口處首先安裝電感L1，隨后是安裝電容C，電容C與并聯(lián)型有源電力濾波器并聯(lián)，其中一端連接在中線上。隨后安裝電感L2，電感L2與電感L2為串聯(lián)形式。
通過(guò)仿真和實(shí)際裝置的驗(yàn)證，本發(fā)明的三相低通濾波器在有源電力濾波器和電網(wǎng)之間可以起到良好的阻隔高頻諧波注入電網(wǎng)的作用，并可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，能確保有源電力濾波器的補(bǔ)償效果。對(duì)PWM逆變器發(fā)出的高頻電流加以抑制，阻止其進(jìn)入電網(wǎng)中干擾電能質(zhì)量。對(duì)于配電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量治理具有重要意義，因此具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
1.一種與電網(wǎng)連接的三相低通濾波器，包括電感和電容，其特征是其中每相設(shè)有電容C和兩個(gè)相互串聯(lián)的電感L1、L2，電感L1、L2的連接端與電容C的一端連接，電容C另一端連接在電網(wǎng)的中線端，電感L1另一端連接在并聯(lián)型有源濾波器的輸出端，電感L2的另一端連接到電網(wǎng)側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相低通濾波器，其特征是電感L1和/或電感L2為可調(diào)電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相低通濾波器，其特征是電感L1和/或電感L2為空心電感，電容為無(wú)感電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相低通濾波器，其特征是電容C、電感L1、L2的參數(shù)由巴特沃斯濾波器為原則確定；其中各項(xiàng)給定指標(biāo)采用如下要求選取1)輸出電流只含有應(yīng)補(bǔ)償25次及以下的諧波電流，對(duì)于開(kāi)25次以上的諧波分量應(yīng)有效的濾除；2)通帶截止頻率fc＝1500Hz，通帶最大衰耗為Ap＝3dB；
3)阻帶截止頻率fr＝4500Hz，阻帶最小衰耗為Ar＝23dB。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種與電網(wǎng)連接的三相低通濾波器，包括電感和電容，其中每相設(shè)有電容C和兩個(gè)相互串聯(lián)的電感L
文檔編號(hào)H02J3/01GK1595756SQ200410013459
公開(kāi)日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月13日
發(fā)明者陳允平, 孫建軍, 丁凱 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)