本發(fā)明屬于電力濾波器技術領域，具體涉及一種含諧波吸收器的串聯(lián)混合型有源濾波器。

背景技術：

隨著電力電子器件制造技術和變流技術的迅猛發(fā)展，電力電子技術已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)制造、家用電器、大型商場及辦公大樓、醫(yī)療機構(gòu)、智能電網(wǎng)等場合。由于電力電子裝置為非線性負載，它的大規(guī)模應用必將帶來諧波干擾和低功率因數(shù)的問題，諧波干擾問題可以通過濾波的方式進行解決，無源濾波器是目前應用最多的濾波方式，但要實現(xiàn)很好的濾波效果必然增加無源濾波器的濾波支路數(shù)，增大了無源濾波器的體積，同時由于系統(tǒng)的等效阻抗對無源濾波器的濾波效果有很大的影響，系統(tǒng)阻抗和無源濾波器支路的諧振現(xiàn)象也很容易出現(xiàn)，而且無源濾波器對解決低功率因數(shù)問題的能力有限。為了克服無源濾波器的這些缺點，人們提出了有源電力濾波器的概念。有源濾波器可以解決上述無源濾波器的問題，但是其成本相對較高，控制復雜，結(jié)合實際情況，根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)主要研究的有三種有源濾波器：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因成本低、濾波效果好、應用范圍廣泛、降低了諧振發(fā)生的可能性而備受關注。目前研究較多的串聯(lián)混合型有源電力濾波器主要有以下四種：

(1)并聯(lián)無源和串聯(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)無源濾波器相結(jié)合完成大容量的濾波任務；其中的串聯(lián)型有源濾波器部分不是直接補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)部分等效為一個固定值k，因此無法保證在高次諧波時串聯(lián)部分的阻抗遠大于無源濾波器的等效阻抗，所以無源濾波器不僅需要設計5、7次(對三相系統(tǒng)而言)濾波支路，還需要設計高通濾波支路。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)的無源濾波器部分就可以考慮重新設計，而且根據(jù)這個特點系統(tǒng)的無源濾波器部分可以大為簡化。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種含諧波吸收器的串聯(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源濾波單元數(shù)量多且參數(shù)設計復雜的問題，同時能夠達到很好的濾波效果。

本發(fā)明提供了一種串聯(lián)混合型濾波器，包括：有源濾波單元和無源濾波單元，有源濾波單元包括：變壓器、逆變器和檢測控制單元，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，檢測控制單元用于檢測一次側(cè)的電壓或電流信號，且驅(qū)動控制所述逆變器的開關管通斷來產(chǎn)生相應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對基波呈現(xiàn)低阻抗且對諧波呈現(xiàn)高阻抗；無源濾波單元包括：lc串并聯(lián)支路，所述lc串并聯(lián)支路的并聯(lián)部分由l和c構(gòu)成，該并聯(lián)部分再與l串聯(lián)后即得電路拓撲的串聯(lián)部分，所述lc串并聯(lián)支路并聯(lián)在諧波源負載的兩端；工作時，有源濾波單元對基波表現(xiàn)為低阻抗，無源濾波單元的并聯(lián)部分的l和c在基波頻率處發(fā)生并聯(lián)諧振，即對基波相當于開路，基波等效阻抗無窮大使得基波能順利流過有源濾波單元，而其對高次諧波表現(xiàn)為高阻抗，無源濾波單元的串聯(lián)部分在m次諧波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，即對m次諧波相當于短路，m次諧波阻抗接近為零，起到吸收m次諧波電流的作用，此時無源濾波單元對諧波表現(xiàn)為低阻抗，諧波便從無源濾波單元流通，不會流入電網(wǎng)中，實現(xiàn)濾除諧波的功能，m為諧波次數(shù)，m≥3，m為整數(shù)。

更進一步地，對于諧波所述無源濾波單元的阻抗遠小于同頻率下所述有源濾波單元的阻抗。

更進一步地，無源濾波單元的并聯(lián)部分包括：電感l(wèi)1和電容c1，用于阻止基波流通。

更進一步地，串聯(lián)部分包括：電感l(wèi)2和并聯(lián)部分的電感l(wèi)1和電容c1，用于濾除m次諧波。

更進一步地，檢測控制單元包括：電流互感器檢測電路和驅(qū)動信號生成電路；電流互感器用于檢測變壓器一次側(cè)和二次側(cè)的電流信號，通過處理生成驅(qū)動信號并經(jīng)過驅(qū)動電路驅(qū)動逆變器工作。

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)明所述的新型的無源濾波器部分和現(xiàn)有無源濾波器相比主要具有如下特點：

(1)設計簡便，經(jīng)過簡化設計的無源濾波器部分只含有l(wèi)c串并聯(lián)無源濾波支路，參數(shù)設計簡單。

(2)降低了成本，因為無源部分大大簡化，所以成本會相應降低。

(3)濾波效果好，雖然無源濾波器部分只含lc串并聯(lián)無源濾波支路，但是能達到含多個無源lc支路同樣的濾波效果。

附圖說明

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)明新型的無源濾波支路；

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

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實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，提出一種簡化設計其無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源濾波器設計的問題，使得無源濾波器的設計變得簡單，同時又能夠保證濾除負載側(cè)高次諧波，防止負載諧波流入電網(wǎng)。

在本發(fā)明實施例提供的串聯(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遠大于系統(tǒng)內(nèi)阻時可以采用僅含lc串并聯(lián)無源濾波支路的無源濾波方式。

本發(fā)明實施例中，無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)合附圖和實例對本發(fā)明所述的新型無源濾波器及其工作原理作進一步的說明。

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)連接一個逆變器，檢測控制單元用于檢測一次側(cè)的電壓或電流信號，來驅(qū)動控制逆變器的開關管通斷產(chǎn)生相應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對基波呈現(xiàn)低阻抗，而對諧波呈現(xiàn)高阻抗；無源濾波單元2包括并聯(lián)lc支路l1、c1和串聯(lián)支路l2，串并聯(lián)支路構(gòu)成諧波吸收器并聯(lián)在諧波源負載兩端；整個串聯(lián)混合型濾波器在工作時，有源濾波單元對基波表現(xiàn)為很低的阻抗，無源濾波單元的并聯(lián)部分的l和c在基波頻率處發(fā)生并聯(lián)諧振，即對基波相當于開路，基波等效阻抗無窮大使得基波能順利流過有源濾波單元；而其對高次諧波表現(xiàn)為高阻抗，無源濾波單元的串聯(lián)部分在m次諧波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，即對m此諧波相當于短路，m次諧波阻抗接近為零，起到吸收m次諧波電流的作用，此時無源濾波單元對諧波表現(xiàn)為低阻抗，諧波便從無源濾波單元流通，不會流入電網(wǎng)中，實現(xiàn)濾除諧波的功能。

一般情況下，無源濾波器的一條lc濾波支路是根據(jù)需要濾除的諧波次數(shù)進行設計電感l(wèi)和電容c的值，當需要濾除所有的諧波時，需要針對不同次數(shù)的諧波分別設計lc濾波支路，才能達到很好的濾波效果，這樣不但增加了無源濾波器中l(wèi)c濾波支路的數(shù)量，增加成本，而且對各個濾波支路中電感l(wèi)和電容c的值也需要分別設計，整個無源濾波單元的等效阻抗還可能和系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生諧振。為了解決這個問題，本發(fā)明采用串聯(lián)混合型濾波器，通過控制其有源濾波單元部分，使得有源濾波單元對基波表現(xiàn)為很低的阻抗，對諧波表現(xiàn)為很高的阻抗，這樣諧波源負載的諧波電流就從對諧波表現(xiàn)為低阻抗的無源濾波單元流通，達到濾波效果。因為有源濾波單元對高次諧波的高阻抗作用，使得無源濾波單元的lc濾波支路不需要針對各次諧波進行設計，只需要針對低次諧波進行設計，使得無源濾波單元阻抗遠小于同頻率下有源濾波單元的阻抗，即可實現(xiàn)很好的濾除該次諧波的作用，也使得無源濾波單元得到應有的簡化。

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無源濾波支路阻抗。選取諧波電流源作為諧波負載，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)變壓器對應的基波和諧波原邊等效阻抗分別為z1+z2和相應的無源濾波支路阻抗為zf，其中基波和諧波阻抗分別為和

在負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)變壓器對基波等效阻抗較低，而對諧波等效阻抗很高，從而起到隔離諧波和抑制無源濾波支路和系統(tǒng)內(nèi)阻的并聯(lián)諧振的作用。當其用于具有高背景諧波及高諧波滲透率的電力系統(tǒng)時，它同時可以起到隔離電網(wǎng)及負載諧波的作用，兩側(cè)諧波電流流向無源濾波支路。

正因為在shapfiv中串聯(lián)有源濾波器部分對諧波呈現(xiàn)非常高的感性阻抗，才可以對無源濾波支路進行簡化。這時，可以省略高次諧振濾波器及高通電力濾波器支路?；诖?，本發(fā)明提出了一種新型的無源濾波器設計方案，一種串并聯(lián)的無源濾波支路的無源濾波方式，如圖4所示。圖4中并聯(lián)部分的電容和電感分別為c1和l1，且滿足1/ωc1＝ωl1，串聯(lián)部分電感為l2。因為串聯(lián)部分在m次諧波頻率處發(fā)生諧振，因此有：

因為這種新型的無源濾波器對基波等效阻抗無窮大，對m此諧波等效阻抗為0，起到吸收m次諧波電流的作用，因此可以稱作一種新型的諧波電流吸收器。該諧波電流吸收器對n次諧波的等效阻抗為：

由式(3)可知，由于m是一個設計時已經(jīng)確定好的值，隨著諧波次數(shù)n的增加，逐漸接近于nωl2，當時，即由式(1)知很顯然，通過參數(shù)設計是很容易實現(xiàn)的。這樣，在串聯(lián)混合型有源濾波器的等效阻抗遠遠大于系統(tǒng)內(nèi)阻時可以采用新型的串并聯(lián)諧波吸收器的無源濾波方式，可實現(xiàn)很好的濾波效果，同時簡化了無源濾波器的設計。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。