無變壓器型混合電力濾波器及設計方法
【專利摘要】本發明公開了一種無變壓器型混合電力濾波器，包括電網側電壓源、系統阻抗、逆變器側直流電流源、有源電壓源、無源濾波支路、無源串聯基波諧振支路和輸出濾波器，無源濾波支路和無源串聯基波諧振支路均采用LC濾波器，輸出濾波器采用帶阻尼諧振的LCL濾波電路；電網側電壓源的一端通過系統阻抗再經由彼此串聯相接的無源濾波支路和無源串聯基波諧振支路與該電壓源的另一端連接；該電壓源的一端還通過系統阻抗并經由逆變器側直流電流源后與該電壓源的另一端連接；在無源濾波支路和無源串聯基波諧振支路的相接點接入輸出濾波器；輸出濾波器接于有源電壓源兩端。本發明在無耦合變壓器的情況下確保了其濾波特性以及系統穩定性。
【專利說明】無變壓器型混合電力濾波器及設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種無變壓器型混合電力濾波器及設計方法。
【背景技術】
[0002] 高壓無源濾波器通過耦合變壓器串聯低壓有源濾波器是組成混合有源濾波器的 常見結構之一，然而，由于耦合變壓器的存在，會造成系統濾波特性降低的問題；而去掉耦 合變壓器，又會帶來系統中的高、低壓模塊間電壓匹配不均衡、有源輸出開關諧波電壓沒有 被隔離等影響系統穩定性的問題。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種確保濾波特性以及系統穩定性的無變壓器型混合電力 濾波器及設計方法。
[0004] 本發明提供的這種無變壓器型混合電力濾波器，包括電網側電壓源、系統阻抗、逆 變器側直流電流源、有源電壓源、無源濾波支路、無源串聯基波諧振支路和輸出濾波器，無 源濾波支路和無源串聯基波諧振支路均采用LC濾波器，輸出濾波器采用帶阻尼諧振的LCL 濾波電路；電網側電壓源的一端通過系統阻抗再經由彼此串聯相接的無源濾波支路和無源 串聯基波諧振支路與該電壓源的另一端連接；該電壓源的一端還通過系統阻抗并經由逆變 器側直流電流源后與該電壓源的另一端連接；在無源濾波支路和無源串聯基波諧振支路的 相接點接入輸出濾波器；輸出濾波器接于有源電壓源兩端。
[0005] 所述輸出濾波器包括LCL濾波器、RC阻尼支路和單電容支路，LCL濾波器包括電 網側電感、并聯電容支路和逆變器側電感，并聯電容支路包括串聯相接的并聯電容和電感； RC阻尼支路與LCL中并聯電容支路并聯相接，單電容支路也與LCL中并聯電容支路并聯相 接。
[0006] 所述兩LC濾波器的串聯相接點是接入有源濾波支路的連接點，且該點的基波電 壓是電網基波電壓的1/10。
[0007] (1)所述逆變器側電感A滿足下式：
【權利要求】
1. 一種無變壓器型混合電力濾波器，包括電網側電壓源、系統阻抗、逆變器側直流電流 源和有源電壓源，其特征在于，該濾波器還包括無源濾波支路、無源串聯基波諧振支路和輸 出濾波器，無源濾波支路和無源串聯基波諧振支路均采用LC濾波器，輸出濾波器采用帶阻 尼諧振的LCL濾波電路；電網側電壓源的一端通過系統阻抗再經由彼此串聯相接的無源濾 波支路和無源串聯基波諧振支路與該電壓源的另一端連接；該電壓源的一端還通過系統阻 抗并經由逆變器側直流電流源后與該電壓源的另一端連接；在無源濾波支路和無源串聯基 波諧振支路的相接點接入輸出濾波器；輸出濾波器接于有源電壓源兩端。
2. 根據權利要求1所述的無變壓器型混合電力濾波器，其特征在于，所述輸出濾波器 包括LCL濾波器、RC阻尼支路和單電容支路，LCL濾波器包括電網側電感、并聯電容支路和 逆變器側電感，并聯電容支路包括串聯相接的并聯電容和電感；RC阻尼支路與LCL中并聯 電容支路并聯相接，單電容支路也與LCL中并聯電容支路并聯相接。
3. 根據權利要求1所述的無變壓器型混合電力濾波器，其特征在于，所述兩LC濾波器 的串聯相接點是接入有源濾波支路的連接點，且該點的基波電壓是電網基波電壓的1/10。
4. 根據權利要求2所述的無變壓器型混合電力濾波器，其特征在于， (1) 所述逆變器側電感乙滿足下式：
其中，/_是輸出峰值電流，^是直流電壓，7；是開關周期，Ai#是一個控制周期的 參考電流變化量，取值為有源輸出電流有效值的1/5 ; (2) 首先逆變器側電感乙與電網側電感Z2二者上的總壓降不能高于電網電壓的10% ; 同時為了保證APF的低頻控制性能和高頻濾波性能，所述輸出濾波器的諧振頻率滿足 5/； 是基波頻率，/；是單倍開關頻率；故該諧振頻率的表達式為
所述并聯總電容的無功容量小于該混合電力濾波器無功容量的5%，結合公式；=(/各 和公式Jc=l/f，獲取單相的并聯總電容為：
其中，各是三相中各所述并聯總電容的無功容量，匕是IGBT開關電壓，&是諧振點的 頻率； (3) 單電容支路中的電容6；、RC阻尼支路中的電容仏、輸出濾波器的并聯電容滿足 關系：單電容支路中的電容G和RC阻尼支路中的電容仏兩個電容的和與原輸出濾波器的 并聯電容G相等， 則有RC阻尼支路中的電容Q滿足仏=0. 5匕7,且
，由 此獲取所述RC阻尼支路中的電容G、輸出濾波器中與并聯電容串聯的電感之、輸出濾波器 的并聯電容G和單電容支路中的電容G ; 再將獲得的單相所述輸出濾波器的并聯總電容以及步驟1中獲取的逆變器側電感 A按照公式獲取電網側電感z2; (4) RC阻尼支路中的電阻&判用于抑制所述LCL濾波器在諧振頻率點的高幅值諧振 峰，取&< 5歐姆。
5. -種適用于權利要求1所述的無變壓器型混合電力濾波器的設計方法，該方法包括 如下步驟： 首先，確定無源濾波支路和無源串聯基波諧振支路中的各參數； (1) 設置無源濾波器為5次濾波器，則其阻抗厶為
(1) Zal為無源串聯基波諧振支路，則有
(2) (2) 由于無源濾波支路和無源串聯基波諧振支路的串聯相接點Vlh的基波電壓只能為 電網基波電壓的1/10,故有心 7/乙尸9/1，即
(3) 令無源濾波器上的補償基波無功功率為，系統電壓為仏，則單相電壓為^4/3?，結合 公式（3)則有
(4) 其中，公式（4)中的0. 9由Z/7/Z37=9/l中的比例關系獲得； 再令無源串聯基波諧振支路中的電感匕7為設定值，結合上述公式獲取無源濾波器中 的電感乙和電容仏的參數值，無源串聯基波諧振支路中的電容的參數值； 然后，確定輸出濾波器中各參數； (1) 按照下式選取逆變器側電感A的參數值，以滿足電流跟蹤能力的要求以及滿足開 關紋波電流的要求；
(5) 其中，是輸出峰值電流，是直流電壓，7；是開關周期，
是一個控制周期的 參考電流變化量，取值為有源輸出電流有效值的1/5 ; (2) 首先逆變器側電感乙與電網側電感Ζ2二者上的總壓降不能高于電網電壓的10% ; 同時為了保證APF的低頻控制性能和高頻濾波性能，所述輸出濾波器的諧振頻率滿足
是基波頻率，/；是單倍開關頻率；故該諧振頻率
的表達式為 (6) 所述并聯總電容的無功容量小于該混合電力濾波器無功容量的5%，結合公式；=(/各 和公式Jc=l/f，獲取單相的并聯總電容為：
(7) 其中，各是三相中各所述并聯總電容的無功容量，匕是IGBT開關電壓，％是諧振點的 頻率，其取值可為諧波次數乘以基波頻率；其中基波頻率=NX2 I X50; 再將獲得的單相所述輸出濾波器的并聯總電容Gw以及步驟1中獲取的逆變器側電感 乙按照公式獲取電網側電感Z2 ; 單電容支路中的電容G、RC阻尼支路中的電容仏、輸出濾波器的并聯電容滿足 關系：單電容支路中的電容G和RC阻尼支路中的電容G兩個電容的和與原輸出濾波 器的并聯電容G相等，則有RC阻尼支路中的電容G滿足
，由此獲取所述RC阻尼支路中的電容仏、輸出濾波器中與并聯電容串聯 的電感4、輸出濾波器的并聯電容G和單電容支路中的電容G ; (3) RC阻尼支路中的電阻&判用于抑制所述LCL濾波器在諧振頻率點的高幅值諧振 峰，取RC串聯支路中的電阻&為1歐姆。
【文檔編號】H02J3/01GK104158513SQ201410394449
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月13日 優先權日:2014年8月13日
【發明者】陳崗, 劉泉, 何 雄 申請人:武漢理工大學