專利名稱：低損耗的多調(diào)諧無源電力濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電工學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種僅以無源電氣元件作為網(wǎng)絡(luò)部件的頻率選擇二端對網(wǎng)絡(luò)，具體地說是涉及一種無源諧波濾波器，適用于治理公用電網(wǎng)諧波。
背景技術(shù)：
理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。高次諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它惡化用電設(shè)備所處的環(huán)境，危害周圍的通信系統(tǒng)和與公用電網(wǎng)聯(lián)接的設(shè)備。加裝交流濾波裝置是治理電網(wǎng)諧波污染的有效措施之一。現(xiàn)有的交流濾波裝置主要有無源諧波濾波器、有源諧波濾波器和混合諧波濾波器。傳統(tǒng)的無源濾波器，因其結(jié)構(gòu)簡單、投資少、運(yùn)行可靠性較高以及運(yùn)行費(fèi)用較低，至今仍是諧波抑制的主要手段。
現(xiàn)有的無源電力濾波器主要類型有單調(diào)諧濾波器和多調(diào)諧濾波器。多調(diào)諧無源電力濾波器進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用的主要有雙調(diào)諧濾波器和三調(diào)諧濾波器。就其基本電路而言，最常用的也都是一LC串聯(lián)支路與一個(gè)LC并聯(lián)支路或兩個(gè)相互串聯(lián)的LC并聯(lián)支路串聯(lián)構(gòu)成。圖1(a)和圖1(b)分別為無阻尼的雙調(diào)諧濾波器和三調(diào)諧濾波器電路。在交流電網(wǎng)濾波中，無阻尼式諧波濾波器容易與交流系統(tǒng)在某些諧波頻率點(diǎn)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，造成諧波電流嚴(yán)重放大，使濾波器和系統(tǒng)的元件過載而損壞。為了在交流電網(wǎng)的濾波中抑制諧波電流的嚴(yán)重放大現(xiàn)象，常通過在圖1(a)和圖1(b)的上位電容(圖1中的電容C1)以下的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)元件上并聯(lián)電阻的方法來阻尼濾波器與系統(tǒng)的并聯(lián)諧振，形成圖1(c)和圖1(d)的阻尼型雙調(diào)諧濾波器和圖1(e)～圖1(h)的阻尼型三調(diào)諧濾波器電路。
圖1(c)是葛州壩至南橋直流工程中實(shí)際應(yīng)用的雙調(diào)諧濾波器的電路，圖1(d)是天生橋至廣州直流工程中實(shí)際應(yīng)用的另一種雙調(diào)諧濾波器電路，圖1(e)是高坡至肇慶直流工程中實(shí)際應(yīng)用的一種阻尼型三調(diào)諧濾波器的電路。但是圖1(c)～圖1(h)并聯(lián)電阻的方式，阻尼電阻則要產(chǎn)生較大的基波電能損耗。
參見圖1，根據(jù)雙調(diào)諧濾波器電路和其濾波特性，電網(wǎng)的基波頻率fF＜濾波器第一濾波頻率f1＜濾波器L2、C2并聯(lián)諧振支路的諧振頻率F2＜濾波器第二濾波頻率f2。對于三調(diào)諧濾波器電路和其濾波特性，電網(wǎng)的基波頻率fF＜濾波器第一濾波頻率f1＜濾波器L2、C2并聯(lián)諧振支路的諧振頻率F2＜濾波器第二濾波頻率f2＜濾波器L3、C3并聯(lián)諧振支路的諧振頻率F3＜濾波器第三濾波頻率f3。概而言之，電網(wǎng)的基波頻率小于濾波器L2、C2并聯(lián)諧振支路的諧振頻率，也小于濾波器L3、C3并聯(lián)諧振支路的諧振頻率。根據(jù)電工學(xué)原理，對于LC并聯(lián)諧振回路而言，當(dāng)頻率小于其并聯(lián)諧振頻率時(shí)，其等效電抗呈電感的特性。具體到圖1所示的雙調(diào)諧濾波器和三調(diào)諧濾波器，在基波頻率下，L2、C2并聯(lián)諧振支路和L3、C3并聯(lián)諧振支路的等效電抗均呈電感的特性。因此無論阻尼電阻以圖1(c)～圖1(h)何種方式聯(lián)接，與阻尼電阻并聯(lián)的等效二端對電路在基波頻率下均呈電感特性。由此可見，在基波頻率下，所述的阻尼電阻兩端有基波電壓存在，該基波電壓必然使阻尼電阻產(chǎn)生基波電能損耗。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有阻尼型多調(diào)諧濾波器技術(shù)存在上述基波電能損耗的問題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是降低阻尼型多調(diào)諧無源電力濾波器并聯(lián)阻尼電阻的基波電能損耗。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)解決方案是
一種低損耗的多調(diào)諧無源濾波器，包括以無源電氣元件作為網(wǎng)絡(luò)元件的頻率選擇的二端對多調(diào)諧濾波器，該多調(diào)諧濾波器由一個(gè)LC串聯(lián)諧振支路與1～2個(gè)LC并聯(lián)諧振支路相串聯(lián)構(gòu)成，其特征是所述的LC串聯(lián)諧振支路中的電容C由兩只電容等效串聯(lián)組成；兩等效串聯(lián)電容之間的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)對地或者對兩串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振支路的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的二端對網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)有阻尼電阻，與該阻尼電阻并聯(lián)的二端對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一在基波頻率串聯(lián)諧振的回路。
由于上述技術(shù)方案包含兩等效串聯(lián)電容的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)對相互串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振支路的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間的二端對網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)有阻尼電阻的技術(shù)方案。該方案中，最下一級(jí)LC并聯(lián)支路則為無阻尼LC并聯(lián)支路。而在有些特定的系統(tǒng)條件下，需要進(jìn)一步增大濾波器的阻尼，因此本發(fā)明所述的技術(shù)方案在兩相互串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振支路的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)對地并聯(lián)另一阻尼電阻，以提高抑制阻尼濾波器與系統(tǒng)之間并聯(lián)諧振的作用。
以下結(jié)合附圖將本發(fā)明所述的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行分析比較，以期公眾充分理解本發(fā)明所能達(dá)到的技術(shù)效果。
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是降低阻尼式多調(diào)諧濾波器起阻尼作用的并聯(lián)阻尼電阻的基波電能損耗，而解決這一技術(shù)問題的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)與阻尼電阻并聯(lián)的二端對網(wǎng)絡(luò)在基波頻率下串聯(lián)諧振，以期實(shí)現(xiàn)在基波條件下并聯(lián)阻尼電阻的端電壓為零，即并聯(lián)阻尼電阻基波電能損耗為零的目的。以圖1(d)阻尼型雙調(diào)諧濾波器為例，由于在基波頻率下，與阻尼電阻R并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)呈感性，因此基波電能損耗是不可避免的。如果將圖1(d)中的電容C1用兩只等效串聯(lián)的電容C0和C1′代替，并按圖2電路的方式使阻尼電阻R1跨接在電容C0和C1′的節(jié)點(diǎn)a與地d之間，恰好是本發(fā)明所述技術(shù)方案的一種基本類型。在基波條件下，電容C1′與由電感L1、L2和電容C2組成的兩端對網(wǎng)絡(luò)的等效電感串聯(lián)后，通過參數(shù)匹配，就可以在基波頻率下串聯(lián)諧振。
圖2右邊電阻R1與左邊由電感L1、L2和電容C1′、C2組成的諧振回路中，要使電阻R1兩端的基波電壓為零的唯一可能條件是左邊由電感L1、L2和電容C2、C1′組成的兩端對網(wǎng)絡(luò)的基波電抗為0，即XL1C1′L2C2(ω=ωF)=ωFL1+ωFL21-ωF2/ω22-1ωFC1′=0,]]>式中ωF是基波角頻率，ω2是L2、C2的并聯(lián)諧振角頻率。前已述及，由于ωF＜ω2，故本式的前兩項(xiàng)在基波頻率下為正數(shù)，后一項(xiàng)為負(fù)數(shù)。因此，適當(dāng)選擇本發(fā)明技術(shù)方案所述的電感L1、L2和電容C2、C1′的元件參數(shù)，在基波條件下可使阻尼電阻R1兩端的基波電壓為零，達(dá)到使基波電能損耗接近零的技術(shù)效果。在實(shí)際應(yīng)用中考慮到電感、電容的參數(shù)誤差和電網(wǎng)頻率的變化，以及電感、電容器件的內(nèi)電阻(該內(nèi)電阻很小)，整個(gè)濾波器盡管仍有一些基波電能損耗，但是電能損耗已經(jīng)相當(dāng)小，節(jié)能效果仍十分明顯。


圖1是現(xiàn)有的無源雙調(diào)諧濾波器和三調(diào)諧濾波器的電路原理圖。其中(a)圖為無阻尼的基本雙調(diào)諧濾波器，(b)圖為無阻尼的基本三調(diào)諧濾波器，(c)圖為一種阻尼型雙調(diào)諧濾波器，(d)圖為另一種阻尼型雙調(diào)諧濾波器，(e)圖為一種阻尼型三調(diào)諧濾波器，(g)圖為另一種阻尼型三調(diào)諧濾波器，(h)圖為又一種阻尼型三調(diào)諧濾波器；圖2為本發(fā)明的一種雙調(diào)諧濾波器電路原理圖；圖3為本發(fā)明的一種三調(diào)諧濾波器電路原理圖；圖4為本發(fā)明的一種三調(diào)諧濾波器電路原理圖；圖5為本發(fā)明的一種三調(diào)諧濾波器電路原理圖；圖6為下述實(shí)施例1的阻抗頻率特性曲線圖；
圖7為下述實(shí)施例2的阻抗頻率特性曲線圖；圖8為下述實(shí)施例3的阻抗頻率特性曲線圖；圖9為下述實(shí)施例4的阻抗頻率特性曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明不受所述具體實(shí)施例所限。
例1參見圖2，本實(shí)施例的低損耗型雙調(diào)諧濾波器電路是這樣組成的C0、C1′、L1串聯(lián)后與L2、C2并聯(lián)支路相串聯(lián)，然后在電容C0、C1′的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)a和地節(jié)點(diǎn)d之間并聯(lián)一阻尼電阻R1。設(shè)計(jì)條件為基波頻率fF＝50Hz，額定電壓U＝230kV，要求單組三相無功補(bǔ)償容量Q＝100Mvar，濾波器濾波頻率為f1＝150Hz，f2＝1800Hz。
圖2所示的電路看起來很簡單，但是要根據(jù)所給定的條件來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算卻很復(fù)雜而煩瑣，因此本發(fā)明也采用本領(lǐng)域技術(shù)人員通常的做法，即先撇開阻尼電阻R1，并假設(shè)實(shí)際濾波頻率等于設(shè)計(jì)條件所給定的濾波頻率，即f1t＝f1，f2t＝f2，首先參照圖1(a)基本雙調(diào)諧濾波器電路的計(jì)算出各元件參數(shù)L1、C1、L2、C2(具體的參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)過程見‘Algorithm for Parameters of Double TunedFilter’，by Xiao Yao，proceedings of the 8thinternational conference on harmonicsand quality of power，Volume 1，October 14-16，1998，Atherns，Greece，pp 154～157)。然后參照圖2將C1等效分拆成C0、C1′后，再選用不同阻值的阻尼電阻R1進(jìn)行計(jì)算，繪制出在不同阻值下，濾波器的阻抗頻率特性曲線，然后結(jié)合系統(tǒng)的諧波阻抗比較濾波器的阻頻特性和阻尼效果進(jìn)行修正，經(jīng)過比較和優(yōu)化確定阻尼電阻R1的電阻值，最后檢查并計(jì)算實(shí)際濾波頻率與設(shè)計(jì)條件給定的濾波頻率之間的誤差，如果該誤差超出設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍，再回過頭進(jìn)行修正、計(jì)算，直至濾波頻率的誤差在設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍內(nèi)為止。
以下詳細(xì)敘述本實(shí)施例中各元件電參數(shù)的計(jì)算、選擇過程，以便公眾更好地掌握本發(fā)明的具體實(shí)施手段。
首先參照圖1(a)計(jì)算出L1、C1、L2、C2的參數(shù)。
(1)選擇L2、C2的并聯(lián)諧振頻率F2前面已經(jīng)介紹，F(xiàn)2必須介于濾波器的實(shí)際濾波頻率f1t和f2t之間，還得避免濾波器與系統(tǒng)之間在F2頻率附近發(fā)生嚴(yán)重的諧波放大，同時(shí)諧波源在F2頻率的附近產(chǎn)生的諧波很小。本例中選擇F2＝176Hz。
然后，根據(jù)濾波器的假定實(shí)際濾波頻率f1t和f2t，以及L2、C2并聯(lián)支路諧振頻率F2，計(jì)算L1、C1支路的串聯(lián)諧振頻率F1=f1tf2tF2=150×1800176=1534.09Hz.]]>(2)計(jì)算濾波器濾波頻率和各串聯(lián)、并聯(lián)諧振支路諧振頻率的諧波次數(shù)濾波器濾波頻率的諧波次數(shù)h1=f1tfF=15050=3,h2=f2tfF=180050=36;]]>濾波器各諧振支路的諧波次數(shù)L1與C1串聯(lián)諧振支路的諧波次數(shù)H1＝F1/fF＝1534.09/50＝30.6818，L2與C2并聯(lián)諧振支路的諧波次數(shù)H2＝F2/fF＝165/50＝3.52。
(3)計(jì)算L1、C1、L2、C2的參數(shù)根據(jù)圖1(a)及電工學(xué)原理可推算出
C1=-{(H2h1h2)2-1+(h12+h22-H22)H22-h12h22h12h22(H22-1)}QωFU2---(eq.1)]]>C2=H12h12+h22-H12-H22×C1---(eq.2)]]>L1=1(2πH1fF)2C1---(eq.3)]]>L2=1(2πH2fF)2C2---(eq.4)]]>由給定的設(shè)計(jì)條件計(jì)算出系統(tǒng)的基波角頻率ωF＝2πfF＝314.16rad/s，將ωF值和上述步驟(1)和(2)的結(jié)果分別代入上式(eq.1)、(eq.2)、(eq.3)、(eq.4)中得C1＝5.8232μF，C2＝15.5428μF，L1＝1.8504mH，L2＝52.5524mH。
(4)計(jì)算C0和C1′在通過圖1(a)計(jì)算出L1、C1、L2、C2的基礎(chǔ)上，再參照圖2，將電容C1分解成兩個(gè)等效電容C0和C1′串聯(lián)，并將電阻并聯(lián)聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)a與地d之間。要使由L1、C1′、L2和C2所組成的電路(參見圖2)在基波頻率下產(chǎn)生串聯(lián)諧振，其總阻抗必然等于0，即ωFL1-1ωFC1′+ωFL21-ωF2L2C2=0,]]>將上述步驟(3)計(jì)算得出的L1、C1、L2、C2值代入，即得C1′＝17.13μF。
由于電容C0與C1′串聯(lián)，且等效于C1，因此1C1=1C0+1C1′,]]>代入C1、C1′的計(jì)算結(jié)果解得C0＝6.0281μF。
(5)R1的參數(shù)確定選擇不同的阻尼電阻R1的參數(shù)，按照圖2進(jìn)行聯(lián)接，逐點(diǎn)計(jì)算并繪制出濾波器的阻抗頻率特性曲線(見圖6)，然后結(jié)合系統(tǒng)諧波阻抗比較濾波器的阻頻特性和阻尼效果進(jìn)行修正，確定阻尼電阻R1的電阻值。本例所述的修正、確定原則是流入系統(tǒng)的諧波電流放大倍數(shù)≤3。本實(shí)施例中，阻尼電阻R1的電阻值最終確定為2000Ω。
由圖6可見，阻抗頻率特性曲線在頻率為150Hz和1800Hz附近形成了兩個(gè)阻抗低點(diǎn)，在此頻率點(diǎn)附近的大部分諧波電流將通過濾波器被旁路掉。
(6)計(jì)算實(shí)際濾波頻率與設(shè)計(jì)條件給定的濾波頻率之間的誤差從阻抗頻率特性圖(圖6)中找出阻抗極小值的頻率點(diǎn)，該點(diǎn)的頻率即為濾波器的實(shí)際濾波頻率f1t，f2t。計(jì)算實(shí)際濾波頻率f1t，f2t與設(shè)計(jì)要求的濾波頻率f1和f2之間的誤差Δf1＝f1-f1t，Δf2＝f2-f2t。如果|Δf1|＜ε，且|Δf2|＜ε，說明設(shè)計(jì)的濾波頻率在誤差允許范圍內(nèi)，濾波器可以滿足要求。本例按設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)定ε＝2Hz。如果|Δf1|＞ε或|Δf2|＞ε，說明設(shè)計(jì)的濾波頻率超出誤差允許范圍，因此需要通過修正初始頻率值f1t，f2t，然后重新回到步驟(1)進(jìn)行計(jì)算，直至|Δf1|和|Δf2|都小于ε為止。
(7)濾波器性能校核根據(jù)濾波器的阻抗頻率特性曲線圖(圖6)，校核濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)，尤其是經(jīng)過濾波后，諧波電壓與基波電壓的百分比值要符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量供電系統(tǒng)諧波》的規(guī)定。
經(jīng)過校核計(jì)算，本實(shí)施例的基波無功補(bǔ)償功率Q＝100.39Mvar，濾波器阻尼電阻R1的基波功率損耗為0.13104W。因?yàn)殡娍蛊?、電容器有?nèi)阻，因此濾波器還有小量的功率損耗，但是已經(jīng)很小。
圖2電路是根據(jù)圖1(d)演變而來，如果按照圖1(d)所示的電路(該電路為現(xiàn)有技術(shù)中應(yīng)用較多的雙調(diào)諧濾波器電路之一)，在同樣電路參數(shù)的條件下計(jì)算出其基波損耗為48.7989kW。由此可見，本實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以顯著降低基波電能損耗。
例2
本實(shí)施例給定的三調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)條件為基波頻率fF＝50Hz，額定電壓U＝525kV，單組無功補(bǔ)償容量Q＝140Mvar，濾波頻率為f1＝150Hz，f2＝1200Hz，f3＝1800Hz。
參見圖3，本實(shí)施例為一種三調(diào)諧無源諧波濾波器，與例1相比，只是在L2、C2并聯(lián)諧振支路下串聯(lián)了一個(gè)L3、C3并聯(lián)諧振支路，因此需利用基波頻率下與阻尼電阻R1并聯(lián)的振蕩電路總阻抗Z(ω=ωF)=jωL1-jωC1′+jωL21-ω2L2C2+jωL31-ω2L3C3=0]]>的條件來計(jì)算C0和C1′。參數(shù)計(jì)算的基本過程是先撇開阻尼電阻R1，并假設(shè)實(shí)際濾波頻率等于設(shè)計(jì)條件所給定的濾波頻率(即f1t＝f1，f2t＝f2，f3t＝f3)，參照圖1(b)基本三調(diào)諧濾波器電路計(jì)算出各元件參數(shù)L1、C1、L2、C2、L3、C3(具體的參數(shù)計(jì)算推導(dǎo)過程見本發(fā)明人在《南方電網(wǎng)技術(shù)研究》，2005年第3期，pp.43～46上發(fā)表的《三調(diào)諧濾波器的參數(shù)計(jì)算方法》一文)；然后參照圖3，將C1分拆成C0、C1′后，再選用不同阻值的阻尼電阻R1進(jìn)行聯(lián)接，計(jì)算并繪制出在不同阻值下濾波器的阻抗頻率特性曲線，并結(jié)合系統(tǒng)的諧波阻抗比較濾波器的阻頻特性和阻尼效果進(jìn)行修正，經(jīng)過比較和優(yōu)化確定阻尼電阻R1的電阻值，最后檢查并計(jì)算實(shí)際濾波頻率與設(shè)計(jì)條件給定的濾波頻率之間的誤差，如果該誤差超出設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍，再回過頭進(jìn)行修正、計(jì)算，直至濾波頻率的誤差在設(shè)計(jì)規(guī)范允許范圍內(nèi)為止。
首先參照圖1(b)計(jì)算L1、C1、L2、C2、L3、C3的參數(shù)。
(1)第一步，要選定L2、C2和L3、C3并聯(lián)諧振支路的諧振頻率按前面已經(jīng)介紹的選定原則L2、C2并聯(lián)支路諧振頻率F2在f1t與f2t之間，L3、C3并聯(lián)支路諧振頻率F3在f2t與f3t之間，本例中取F2＝164.7Hz、F3＝1418.5Hz。計(jì)算出L1、C1支路的串聯(lián)諧振頻率F1=f1tf2tf3tF2F3]]>(2)接著計(jì)算出濾波器三個(gè)濾波頻率的濾波次數(shù)h1＝f1t/fF，h2＝f2t/fF，h3＝f3t/fF及各串、并聯(lián)諧振支路的諧振頻率的諧波次數(shù)H1＝F1/fF，H2＝F2/fF，H3＝F3/fF(3)計(jì)算L1、C1、L2、C2、L3、C3的參數(shù)為了得到L1、C1、L2、C2、L3、C3各參數(shù)，首先參照圖1(b)，并根據(jù)電工學(xué)原理，得到下述的各元件參數(shù)計(jì)算公式C1=-QωFU2[1H12-1+A2H12(H22-1)+A3H12(H32-1)]---(eq.5)]]>C2=H12C1A2---(eq.6)]]>C3=H12C1A3---(eq.7)]]>L1=1(2πH1fF)2C1---(eq.8)]]>L2=1(2πH2fF)2C2---(eq.9)]]>L3=1(2πH3fF)2C3---(eq.10)]]>在(eq.5)、(eq.6)、(eq.7)中，b1=h12+h22+h32-H12-H22-H32---(eq.11)]]>b2=h12h22+h22h32+h12h32-H12H22-H22H32-H12H32---(eq.12)]]>A2=b1H22-b2H22-H32---(eq.13)]]>
A3=b2-b1H32H22-H32---(eq.14)]]>由給定的設(shè)計(jì)條件計(jì)算出系統(tǒng)的基波角頻率ωF＝2πfF＝314.16rad/s，將ωF值和上述步驟(1)和(2)的結(jié)果分別代入上式(eq.1)、(eq.2)、(eq.3)、(eq.4)中得C1＝1.579μF，C2＝7.3132μF，C3＝9.3524μF，L1＝8.3413mH，L2＝127.6873mH，L3＝1.346mH。
(4)計(jì)算C0和C1′在通過圖1(b)計(jì)算出L1、C1、L2、C2、L3、C3的基礎(chǔ)上，再參照圖3，將電容C1分解成兩個(gè)等效電容C0和C1′串聯(lián)，并將電阻并聯(lián)聯(lián)接在節(jié)點(diǎn)a與地d之間。要使L1、C1′、L2、C2、L3、C3按照圖3電路方式下在基波頻率下產(chǎn)生串聯(lián)諧振，其總阻抗必然等于0，即jωL1-jωC1′+jωL21-ω2L2C2+jωL31-ω2L3C3=0,]]>將上述步驟(3)計(jì)算得出的L1、L2、C2、L3、C3值代入，即得C1′＝67.539μF，由于電容C0與C1′串聯(lián)，且等效于C1，因此1C1=1C0+1C1′,]]>代入C1、C1′的計(jì)算結(jié)果解得C0＝1.6168μF。
(5)R1的參數(shù)確定選擇不同的阻尼電阻R1的參數(shù)，按照圖3進(jìn)行聯(lián)接，逐點(diǎn)計(jì)算并繪制出濾波器的阻抗頻率特性曲線(見圖7)，然后結(jié)合系統(tǒng)諧波阻抗比較濾波器的阻頻特性和阻尼效果進(jìn)行修正，確定阻尼電阻R1的電阻值。所述的修正、確定原則是流入系統(tǒng)的諧波電流放大倍數(shù)應(yīng)≤3。本實(shí)施例中，阻尼電阻R1的電阻值最終確定為1900Ω。
由圖7可見，阻抗頻率特性曲線在頻率為150Hz、1200Hz和1800Hz處形成了三個(gè)阻抗低點(diǎn)，在此頻率點(diǎn)附近的大部分諧波電流將通過濾波器被旁路掉。
(6)計(jì)算實(shí)際濾波頻率與設(shè)計(jì)條件給定的濾波頻率之間的誤差從阻抗頻率特性圖(圖7)中找出阻抗極小值的頻率點(diǎn)，該點(diǎn)的頻率即為濾波器的實(shí)際濾波頻率f1t，f2t，f3t。計(jì)算實(shí)際濾波頻率f1t，f2t，f3t與設(shè)計(jì)要求的濾波頻率f1、f2、f3之間的誤差Δf1＝f1-f1t，Δf2＝f2-f2t，Δf3＝f3-f3t，如果|Δf1|＜ε，|Δf1|＜ε，且|Δf3|＜ε，說明設(shè)計(jì)的濾波頻率在誤差允許范圍內(nèi)，濾波器可以滿足要求。本例按設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)定ε＝2Hz。如果|Δf1|＞ε，或|Δf2|＞ε，或|Δf3|＞ε，說明設(shè)計(jì)的濾波頻率超出誤差允許范圍，因此需要通過修正初始頻率值f1t，f2t，f3t，然后重新回到步驟(1)進(jìn)行計(jì)算，直至|Δf1|、|Δf2|和|Δf3|都小于ε為止。
(7)濾波器性能校核根據(jù)濾波器的阻抗頻率特性曲線圖(圖7)，校核濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)，尤其是經(jīng)過濾波后，諧波電壓與基波電壓的百分比值要符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量供電系統(tǒng)諧波》的規(guī)定。
經(jīng)過校核，本實(shí)施例的基波無功補(bǔ)償功率Q＝140.0044Mvar，濾波器阻尼電阻的基波功率損耗為0kW。因?yàn)殡娍蛊?、電容器有?nèi)阻，因此濾波器還有少量的功率損耗，但是已經(jīng)很小，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
圖3電路是根據(jù)圖1(g)演變而來，如果按照圖1(g)的電路，并且采用本例相同的電路參數(shù)，則濾波器的基波電能損耗高達(dá)83.43kW。兩者相比，本發(fā)明的技術(shù)效果是十分顯著的。
例3本實(shí)施例的給定設(shè)計(jì)條件與例2相同。
參見圖4，本實(shí)施例與例2(見圖3)相比所不同的是阻尼電阻R1并聯(lián)在C0與C1′的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)a和L2、C2與L3、C3兩個(gè)并聯(lián)諧振支路之間的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)b上，即相當(dāng)于在圖2的節(jié)點(diǎn)d下又串聯(lián)了一L3與C3并聯(lián)支路，但是與阻尼電阻R1兩端并聯(lián)的電路卻和例1相同，因此計(jì)算C0和C1′的條件和方法與例1相同。根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件和電工學(xué)原理，并參照例1和例2的設(shè)計(jì)計(jì)算方法得到電路參數(shù)為C0＝1.6164μF，C1′＝68.005μF，C2＝7.3132μF C3＝9.3524μF，L1＝8.3413mH，L2＝127.6873mH，L3＝1.346mH，R1＝1900Ω。繪制出阻抗頻率特性曲線圖見圖8，其在頻率為150Hz、1200Hz和1800Hz處形成了三個(gè)阻抗低點(diǎn)，在此頻率點(diǎn)附近的大部分諧波電流將通過濾波器被旁路掉。
校核計(jì)算出本實(shí)施例的基波無功補(bǔ)償功率Q＝139.997Mvar，濾波器電阻的基波功率損耗為0kW。盡管電抗器、電容器元件有內(nèi)阻，濾波器還有小量的功率損耗，但是已經(jīng)很小，也達(dá)到了本發(fā)明的目的。
圖4電路是根據(jù)圖1(f)演變而來，如果按照圖1(f)所示的電路來設(shè)計(jì)濾波器，在同樣電路參數(shù)的條件下計(jì)算出其基波損耗為81.9427kW。由此可見，本實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比基波損耗顯著減少。
例4本實(shí)施例的給定設(shè)計(jì)條件與例2相同。
參見圖5，本實(shí)施例與例3(見圖4)相比所不同的是由L3、C3并聯(lián)諧振支路上并聯(lián)有另一阻尼電阻R2，其目的是增加濾波器的阻尼。本例中計(jì)算C0和C1′的條件和方法與例1相同，但在確定R1的阻值時(shí)要考慮R2的阻尼作用，R1和R2的阻值按例1中所述的原則(即系統(tǒng)電流放大倍數(shù)應(yīng)≤3)進(jìn)行修正、確定。根據(jù)給定的設(shè)計(jì)條件和電工學(xué)原理，并參照例1和例3的設(shè)計(jì)計(jì)算方法得到電路參數(shù)為C0＝1.6164μF，C1′＝68.005μF，C2＝7.3132μF，C3＝9.3524μF，L1＝8.3413mH，L2＝127.6873mH，L3＝1.346mH，R1＝1500Ω、R2＝400Ω；繪制出阻抗頻率特性曲線圖如圖9所示。由圖9可見，阻抗頻率特性曲線在頻率為150Hz、1200Hz和1800Hz處形成了三個(gè)阻抗低點(diǎn)，在此頻率點(diǎn)附近的諧波電流將通過濾波器被旁路掉。
校核計(jì)算出本實(shí)施例的基波無功補(bǔ)償功率Q＝139.997Mvar。本例中盡管電阻R1的基波功率損耗基本為0，但由于電阻R2直接與L3C3并聯(lián)，因此在基波頻率下R2不可避免地有基波損耗，不過僅為8.5W了。
圖5電路是根據(jù)圖1(h)演變而來，如果按照圖1(h)的電路結(jié)構(gòu)，在同樣電路參數(shù)的條件下，計(jì)算出其基波損耗為81.95kW。由此可見，本實(shí)施例所述的技術(shù)方案中，阻尼電阻的基波損耗僅原方案的1％不到。
權(quán)利要求
1.一種低損耗多調(diào)諧電力無源濾波器，包括以無源電氣元件作為網(wǎng)絡(luò)部件的頻率選擇二端對多調(diào)諧濾波器，該多調(diào)諧濾波器由一LC串聯(lián)諧振支路與1～2個(gè)LC并聯(lián)諧振支路相串聯(lián)構(gòu)成，其特征是所述的LC串聯(lián)諧振電路中的電容(C1)由兩只電容(C0和C1′)等效串聯(lián)組成；兩等效串聯(lián)電容(C0和C1′)的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)(a)對地(d)或者對相互串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振回路的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)(b)之間的二端對網(wǎng)絡(luò)上并聯(lián)有阻尼電阻(R1)，與該阻尼電阻(R1)并聯(lián)的二端對網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一在基波頻率串聯(lián)諧振的回路。
2.根據(jù)規(guī)定權(quán)利要求1所述的一種低損耗多調(diào)諧電力無源濾波器，其特征是所述的兩相互串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振支路的串聯(lián)節(jié)點(diǎn)(b)對地(d)并聯(lián)另一阻尼電阻(R2)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低損耗的多調(diào)諧無源電力濾波器，包括以無源電氣元件作為網(wǎng)絡(luò)元件的頻率選擇二端對多調(diào)諧濾波器，該多調(diào)諧濾波器由一LC串聯(lián)諧振支路與1～2個(gè)LC并聯(lián)諧振支路相串聯(lián)構(gòu)成，其特征是所述的LC串聯(lián)諧振電路中的電容(C
文檔編號(hào)H02J3/01GK1776988SQ20051010155
公開日2006年5月24日 申請日期2005年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月28日
發(fā)明者肖遙, 尚春, 林志波, 楊澤明, 祝謙 申請人:中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司