專利名稱：用于交流電網(wǎng)的復(fù)合式濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于交流電網(wǎng)的復(fù)合式濾波器，其中，該復(fù)合式濾波器具有一個無源濾波器和一個有源濾波器，這兩個濾波器電串聯(lián)，而其中有源濾波器又具有一個電源。
由1995年6月在斯德哥爾摩召開的“斯德哥爾摩電源工程”會議中印刷的論文“采用有源濾波器來消減諧波”公開了這樣一種復(fù)合式濾波器，但這種復(fù)合式濾波器卻是用于直流電網(wǎng)。該有源濾波器具有一個電源并產(chǎn)生電壓，以便消減電網(wǎng)中的諧波。為此，該有源濾波器不直接與電網(wǎng)相連接，而是與一個耦合電路電串聯(lián)，該耦合電路限制對有源濾波器所提出的電流和電壓要求。該耦合電路可以是一個變壓器、一個耦合電容、一個調(diào)諧濾波器或者這些元件的組合。在上述會議論文中，該有源濾波器借助一個調(diào)諧濾波器和一個變壓器與直流電源相連接。這種濾波裝置也稱為復(fù)合式濾波器。
作為調(diào)諧濾波器可設(shè)置一個雙節(jié)濾波器。利用一個雙節(jié)濾波器，人們可以在基波無功功率相對較小且諧振頻率較大的情況下實現(xiàn)低阻抗。僅僅電容性蓄電池必須針對高電壓來設(shè)計，由此使得一個雙節(jié)濾波器在成本上有很大的優(yōu)勢。
在一個交流電網(wǎng)中，無源濾波器也通常用于補償無功功率。因此，濾波器電流的基波成分具有較大的值，例如在高壓直流傳輸設(shè)備(HG-設(shè)備)中的情形一樣。當一個有源濾波器與這樣一個無源濾波器相串聯(lián)的時候，這意味著該有源濾波器會承受較高的負荷，因為基波分量也流過有源濾波器。這樣一種負荷帶來的結(jié)果也許是該有源濾波器在較短的時間以后會從該復(fù)合式濾波器中接出，以便保護其脈沖式變流器的半導(dǎo)體元件。然而，人們也可以對用于濾波器電流中基波分量的半導(dǎo)體元件進行設(shè)計。這種策略的缺點是，一方面很有可能在市場上買不到這樣一種既具有所期望的電流和電壓負荷能力、又具有較高通斷頻率的半導(dǎo)體元件，另一方面，有源濾波器和復(fù)合式濾波器都很貴，這樣會使這種復(fù)合式濾波器的性能價格比不再經(jīng)濟。
由C.Filtermann,F.Hillenbrand和C.Landgraf發(fā)表在德國雜志《控制技術(shù)》1982年第8期第263-270頁中的論文《用于在強電工程中有源濾波的控制方法》提出一種方案。在該方案中，有源濾波器的電源不再承受基波電流負荷。該方案簡略顯示在該論文的圖2a中，并由一個并聯(lián)振蕩電路組成，該并聯(lián)振蕩電路與復(fù)合式濾波器電并聯(lián)并被調(diào)諧到電網(wǎng)頻率。有源濾波器的電源由此不再承受基波電流，這使得該電源只與諧波相匹配。然而為了所需的無功功率補償還需采取附加措施。
本發(fā)明的目的在于，對上述公開的復(fù)合式濾波器進行進一步設(shè)計。以便用簡單的方式使其有源濾波器避開濾波電流中的基波分量，并可以實現(xiàn)其無源濾波器的無功功率補償。
本發(fā)明的目的由權(quán)利要求1的特征部分的特征來實現(xiàn)。
通過將一個調(diào)諧到交流電網(wǎng)頻率上的濾波器與復(fù)合式濾波器中的有源濾波器電并聯(lián)，濾波器電流中的基波分量會被導(dǎo)向基準電位。基于此，該濾波器也可成為漏泄分支。該漏泄分支對于濾波器電流中的基波分量近似地構(gòu)成短接，與之相反的是，該漏泄分支在有源濾波器的頻率范圍中具有一個值得一提的電阻。通過使復(fù)合式濾波器的濾波電流中的基波分量流過漏泄分支，有源濾波器不再承受載荷，這使得該有源濾波器只需針對消減諧波電流來設(shè)計。這樣，人們可以用簡單的手段將公知的用于直流電網(wǎng)中的復(fù)合式濾波器也用在交流電網(wǎng)中，而不必對有源濾波器進行超大尺寸的設(shè)計。
即便是在濾波電路的基波無功功率相對較小的情況下，利用一個調(diào)諧濾波器可以在一個諧振頻率實現(xiàn)一個非常低的阻抗。然而當電網(wǎng)中發(fā)生頻率飄移或者由于溫度而導(dǎo)致電容量變化時，該濾波器容易失諧。失諧以后會導(dǎo)致濾波器電流中的大部分基波分量流過有源濾波器。由于有源濾波器承受這樣的載荷，可能會導(dǎo)致有源濾波器從復(fù)合式濾波器中接出。復(fù)合式濾波器從而不再能完成其工作，其性能價格比也由此會降低。
在復(fù)合式濾波器的一種特別有利的實施形式中設(shè)置一個調(diào)節(jié)器裝置，該調(diào)節(jié)器裝置輸入端與兩個電流互感器相連接，其輸出端借助一個加法器與有源濾波器的控制輸入端相連接。其中兩個電流互感器中的一個與有源濾波器相配置，而另一個則與無源濾波器相配置。借助這種調(diào)節(jié)器裝置，濾波器電流中的部分基波分量(這部分基波分量由于失諧而流過有源濾波器)受到調(diào)節(jié)。由此，在起振過程和持續(xù)運行過程中，由于漏泄分支失諧帶來的濾波器電流中的基波分量對有源濾波器造成的負載會顯著消減或消失。
按照本發(fā)明的復(fù)合式濾波器的其它有利改進設(shè)計結(jié)構(gòu)由從屬權(quán)利要求3至5給出。
下面借助附圖所示復(fù)合式濾波器的兩個實施形式對本發(fā)明予以詳細說明，附圖中

圖1示出按照本發(fā)明的復(fù)合式濾波器的第一種實施形式；圖2為對圖1所示第一種實施形式的進一步詳細表示圖；圖3示出按照本發(fā)明的復(fù)合式濾波器的第二種實施形式；圖4為圖3所示復(fù)合式濾波器中的調(diào)節(jié)器裝置的線路方框圖；圖5在一個圖表中示出圖3所示復(fù)合式濾波器中的有源濾波器的電流隨時間t變化的曲線；圖6在一個圖表中示出相應(yīng)的電壓隨時間t變化的曲線。
圖1示出按照本發(fā)明的復(fù)合式濾波器的第一種實施形式，該復(fù)合式濾波器由一個無源濾波器2和一個有源濾波器4組成。這兩個濾波器電串聯(lián)。作為無源濾波器2設(shè)置一個雙節(jié)濾波器，其無源部件C1,L1,R1和C2,L2,R2調(diào)諧到例如11次和13次諧波以及23次和25次諧波。只有電容C1是針對與復(fù)合式濾波器相連接的交流電網(wǎng)6來設(shè)計的。采用一個電容器組作為電容C1，其電容器單元安裝在機架中。
有源濾波器4具有一個電源8、一個變壓器10和一個調(diào)節(jié)裝置12。按照前述會議論文，電源8由一個脈沖寬度調(diào)制式脈沖換流器組成。該脈沖式換流器的直流電壓側(cè)與一個電容性蓄電池相連接。采用可斷開的功率半導(dǎo)體開關(guān)、尤其是絕緣柵雙極晶體管(IGBTs)作為脈沖換流器的半導(dǎo)體元件。調(diào)節(jié)裝置12被設(shè)計成封閉的調(diào)節(jié)回路，其各個部件在前述會議論文的圖3中已示出并記載在相關(guān)的文本中。
按照本發(fā)明，一個調(diào)諧濾波器14與有源濾波器4電連接。該調(diào)諧濾波器14具有一個包括一個電容CA和一個電感LA在內(nèi)的串聯(lián)電路。也被成為漏泄分支的調(diào)諧濾波器14的這兩個元件CA和LA可以這樣來選擇，即，使得漏泄分支14在電網(wǎng)頻率下具有一個很低的阻抗。與之相反的是，該漏泄分支14在有源濾波器4的頻率范圍中具有一個高阻抗。
在圖2所示的實施例中，電網(wǎng)6具有一個400kV的電壓值和一個50Hz的頻率。此外，有源濾波器4應(yīng)用于消減電網(wǎng)電壓中的23次諧波。假定無源濾波器2的元件C1,L1,R1,C2,L2和R2具有下列理想值C1=1.4μF,L1=25mH,R1=700Ω
C2=2.5μF,L2=14mH,R2=400Ω.
漏泄分支14的電容CA具有一個169μF的值，其電感LA具有一個復(fù)合阻抗值，其實數(shù)值為0.18Ω，虛數(shù)值為60mH。在該圖中，基波的電流值和電壓值分別用實線箭頭表示，諧波的電流值和電壓值則分別用一個虛線箭頭表示。
假定流過復(fù)合式濾波器的23次諧波電流具有一個5A的值，那么就會產(chǎn)生圖2中所示出的電流和電壓值。從這些數(shù)字中可以了解到，濾波器電流中的基波分量絕大部分流過了漏泄分支14，而23次諧波的電流分量則流過了有源濾波器。假如沒有電并聯(lián)的調(diào)諧濾波器14，濾波器電流中的全部基波分量就會流過有源濾波器4。由于所述調(diào)諧濾波器14的電感LA也具有一個歐姆電阻，濾波器電流中的基波分量與并聯(lián)電阻呈反比分配。
該調(diào)諧濾波器14由于元件公差和/或溫度變化可能會失諧，從而使流過有源濾波器4的占最小比例的基波電流分量顯著增加。為了平衡這部分流過有源濾波器4的基波電流分量，在圖3所示的復(fù)合式濾波器的第二種實施形式中，設(shè)置一個調(diào)節(jié)器裝置16、一個加法器18和兩個電流互感器20和22。電流互感器20測量濾波器電流IF，而電流互感器22則用于測量通過有源濾波器4的電流分量IAF。調(diào)節(jié)器裝置16(該調(diào)節(jié)器裝置16的電路方框簡圖在圖4中已詳細示出)根據(jù)這兩個測得的電流值IF和IAF求得一個控制信號SGF，再借助加法器18和有源濾波器4的調(diào)節(jié)器裝置12的控制信號SH生成一個和控制信號SGFH。該和控制信號SGFH輸入有源濾波器4的電源8的控制輸入端。
圖4為圖3所示調(diào)節(jié)器裝置16的線路方框簡圖。該調(diào)節(jié)器裝置16具有一個基準振蕩器24、一個解調(diào)器26、一個低通濾波器28、一個調(diào)節(jié)器30和一個調(diào)制器32?；鶞收袷幤?4的輸入端與電流互感器20的輸出端相連接，解調(diào)器26的輸入端則與電流互感器22的輸出端相連接?；鶞收袷幤?4的第一個輸出端與解調(diào)器26的另一個輸入端相連接，其第二個輸出端則與調(diào)制器32的另一個輸入端相連接。解調(diào)器26的輸出端借助后接有調(diào)節(jié)器30的低通濾波器28與調(diào)制器32的一個輸入端相連接，在調(diào)制器32的輸出端輸出控制信號SGF。
基準振蕩器24在其輸入端有所測得的濾波器電流值IF，它一方面生成一個具有一個恒定值以及與所測得的濾波器電流的相位相同的正弦信號SAF，另一方面生成一個同樣具有恒定值的第二正弦信號SM。解調(diào)器26(在其輸入端輸入所測得的通過有源濾波器4的電流值IAF)借助所產(chǎn)生的正弦信號SAF生成一個由一恒定值和諧波組成的信號。該恒定值相當于通過有源濾波器4的電流IAF的基波分量值｜IAF｜。借助低通濾波器28可以得到該數(shù)值｜IAF｜，該數(shù)值被輸入調(diào)節(jié)器30、尤其是一個比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)。在調(diào)節(jié)器30的輸出端輸出一個基準信號SE，調(diào)制器32利用它并根據(jù)所產(chǎn)生的正弦信號SM產(chǎn)生控制信號SGF。借助該控制信號SGF可改變電源8的工作點，使數(shù)值｜IAF｜等于零。一旦數(shù)值｜IAF｜等于零，就不再有基波電流分量IF流過有源濾波器4。
圖5和圖6分別在一個圖表中以時間t為橫軸，示出有源濾波器4所產(chǎn)生的電壓UAFS和流過有源濾波器4的基波電流分量IF中的部分電流IAFS隨時間變化的曲線。這些曲線也適用于漏泄分支14的失諧，此時電感值LA失諧約2％。在時間間隔t1-t0中盡管漏泄分支14失諧，電流IAF仍然等于零。這一結(jié)果借助有源濾波器4所產(chǎn)生的一個電壓UAFS來獲得，該電壓UAFS的值最小，其頻率等于電網(wǎng)頻率。在時間點t1，電網(wǎng)電壓發(fā)生變化，從而導(dǎo)致基波電流分量IF中的部分電流IAFS迅速升高并達到一個例如750A的值。基于該部分電流IAFS，有源濾波器4的電源8產(chǎn)生的電壓UAFS隨著調(diào)節(jié)器裝置16所產(chǎn)生控制信號SGF的變化而變化，使得基波電流分量IF中的部分電流IAFS在時間點t3又變?yōu)榱?。在各時間點t0-t4之間的間隔分別為0.1秒。
由此，電網(wǎng)6的變化對有源濾波器4所造成的負荷僅在0.2秒之后就得到調(diào)節(jié)。如果沒有調(diào)節(jié)裝置16，對這樣一種負荷的調(diào)節(jié)要耗費很長的時間，這一時間的長短取決于振蕩回路50Hz的時間常數(shù)。該時間常數(shù)由漏泄分支14、變壓器10和有源濾波器4的電源8決定。此外，上述兩條曲線還顯示出，在復(fù)合式濾波器持續(xù)工作時，即便漏泄分支14失諧，基波電流分量IF中的部分電流IAF也可被調(diào)節(jié)到零。有源濾波器4由此可不再承受基波電流分量IF。
這樣，通過采用漏泄分支，所公知的用于直流電網(wǎng)中的復(fù)合式濾波器也可用于交流電網(wǎng)中，而不必對有源濾波器進行超大尺寸設(shè)計。
權(quán)利要求
1.一種用于交流電網(wǎng)(6)中的復(fù)合式濾波器，其中，該復(fù)合式濾波器具有一個無源濾波器(2)和一個有源濾波器(4)，這兩個濾波器電串聯(lián)，而其中有源濾波器(4)又具有一個電源(8)，其特征在于，將一個調(diào)諧濾波器(14)與有源濾波器(14)電并聯(lián)，該調(diào)諧濾波器被調(diào)諧到交流電網(wǎng)(6)的額定頻率上。
2.如權(quán)利要求1所述的復(fù)合式濾波器，其特征在于，設(shè)置一個調(diào)節(jié)器裝置(16)，該調(diào)節(jié)器裝置輸入端與兩個電流互感器(20,22)相連接，其輸出端借助一個加法器(18)與有源濾波器(4)的電源(8)的控制輸入端相連接。其中兩個電流互感器(20,22)中的一個與有源濾波器(4)相配置，而另一個則與無源濾波器(2)相配置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合式濾波器，其特征在于，設(shè)置一個雙節(jié)濾波器作為無源濾波器(2)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的復(fù)合式濾波器，其特征在于，所述有源濾波器(4)具有一個脈沖寬度調(diào)制式脈沖換流器和一個調(diào)節(jié)裝置(12)，該脈沖式換流器的直流電壓側(cè)與一個電容性蓄電池相連接，其交流電壓側(cè)與一個變壓器(10)相連接，該調(diào)節(jié)裝置(12)的輸出端與脈沖式換流器的控制輸入端相連接。
5.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合式濾波器，其特征在于，該調(diào)節(jié)器裝置(16)具有一個基準振蕩器(24)、一個解調(diào)器(26)、一個低通濾波器(28)、一個調(diào)節(jié)器(30)和一個調(diào)制器(32)，基準振蕩器(24)的輸入端與無源濾波器(2)的電流互感器(20)的一個輸出端相連接，解調(diào)器(26)的輸入端則與有源濾波器(4)的電流互感器(22)的一個輸出端相連接，基準振蕩器(24)的第一個輸出端與解調(diào)器(26)的另一個輸入端相連接，其第二個輸出端則與調(diào)制器(32)的另一個輸入端相連接，解調(diào)器(26)的一個輸出端借助低通濾波器(28)與調(diào)節(jié)器(30)的一個輸入端相連接，該調(diào)節(jié)器(30)的輸出端與調(diào)制器(32)的一個輸入端相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于交流電網(wǎng)(6)中的復(fù)合式濾波器,其中,該復(fù)合式濾波器具有一個無源濾波器(2)和一個有源濾波器(4),這兩個濾波器電串聯(lián),而其中有源濾波器(4)又具有一個電源(8),按照本發(fā)明,將一個調(diào)諧濾波器(14)與有源濾波器(4)電并聯(lián),該調(diào)諧濾波器被調(diào)諧到交流電網(wǎng)(6)的額定頻率上。由此,人們可獲得一種用于交流電網(wǎng)(6)中的復(fù)合式濾波器,其有源濾波器(4)不再承受基波電流分量。
文檔編號H02J3/01GK1306687SQ99807794
公開日2001年8月1日 申請日期1999年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月23日
發(fā)明者馬科斯·佩雷拉, 卡德里·薩德克 申請人:西門子公司