一种截止频率分级可调的无源滤波器装置的制作方法

[0001]
本实用新型涉及集成电路技术领域，具体涉及一种截止频率分级可调的无源滤波器装置。


背景技术：

[0002]
随着我国电气化铁路的不断发展，国内开始大面积采用交直交动车组，这使得车组中的牵引供电系统中的谐波特性发生较大变化，谐波中除了含有低频带的3、5等次谐波外，在高频带还出现了大量的高次谐波。虽然高次谐波的含量有限，但由于传输路径本身的复杂性，容易出现谐振情况，造成行车安全及不必要的损失。
[0003]
如何消除牵引供电系统中的高次谐波，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。


技术实现要素：

[0004]
有鉴于此，本实用新型实施例提供一种截止频率分级可调的无源滤波器装置，以消除牵引供电系统中的高次谐波。
[0005]
为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
[0006]
一种截止频率分级可调的无源滤波器装置，包括：
[0007]
控制监控系统，所述控制监控系统通过电流电流互感器、电压互感器采集牵引网的电流参数和电压参数；
[0008]
断路器，所述断路器的第一端与所述牵引网相连，所述断路器的控制端与所述控制监控系统的控制信号输出端相连；
[0009]
高通滤波器，所述高通滤波器的第一端与所述断路器的第二端相连，所述高通滤波器的第二端接地，所述高通滤波器的控制端与所述控制监控系统的控制信号输出端相连。
[0010]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，所述高通滤波器包括：
[0011]
可调电容器组，所述可调电容器组的第一端与所述断路器的第二端相连；
[0012]
复合开关组，所述复合开关组与所述可调电容器组中的一个或多个电容并联；
[0013]
可调电阻，所述可调电阻的第一端与所述可调电容器组的第二端相连，所述可调电阻的第二端接地；
[0014]
可调电感，所述可调电感与所述可调电阻并联；
[0015]
所述复合开关组、所述可调电阻、所述可调电感的控制端与所述控制监控系统的控制信号输出端相连。
[0016]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，所述可调电容器组包括：
[0017]
至少两条电容串联支路，各个电容串联支路之间相互并联，每条串联支路由至少两个电容串联而成。
[0018]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，所述复合开关组包括：
[0019]
与所述电容串联支路一一对应的子复合开关组；
[0020]
每个子复合开关组至少包括一个用于对所述电容串联支路中的一个或多个电容进行短路的复合开关。
[0021]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，所述复合开关包括：
[0022]
两个反向并联的可控二极管；
[0023]
控制开关，所述控制开关的第一端与所述两个反向并联的可控二极管的第一公共端相连，所述控制开关的第二端与所述两个反向并联的可控二极管的第二公共端相连。
[0024]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，还包括：
[0025]
触发电路，所述触发电路设置于所述高通滤波器与所述控制监控系统的控制信号输出端之间，用于向所述复合开关、所述可调电阻以及所述可调电感提供与所述控制监控系统的控制信号输出端输出的控制信号相匹配的调节指令。
[0026]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，所述高通滤波器还包括：
[0027]
熔断器，所述熔断器设置于所述可调电容器组的第一端与所述断路器的第二端之间。
[0028]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，还包括：
[0029]
隔离开关，所述隔离开关设置于所述断路器的第一端与所述牵引网之间。
[0030]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，还包括：
[0031]
避雷器，所述避雷器的第一端与所述断路器的第二端相连，所述避雷器的第二端接地。
[0032]
可选的，上述截止频率分级可调的无源滤波器装置中，还包括：
[0033]
上位机，所述上位机与所述控制监控系统的相连，用于获取所述控制监控系统的采集数据，并向所述控制监控系统下发控制指令。
[0034]
基于上述技术方案，本实用新型实施例提供的上述方案中，所述高通滤波器的第一端与所述断路器的第二端相连，所述高通滤波器的第二端接地，所述控制监控系统通过电流电流互感器、电压互感器采集牵引网的电流参数和电压参数，基于所述牵引网的电流参数和电压参数调整所述高通滤波器的工作状态，以使得所述高通滤波器滤除牵引网中的高次谐波。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本申请实施例公开的截止频率分级可调的无源滤波器装置的结构示意图；
[0037]
图2为本申请另一实施例公开的一种截止频率分级可调的无源滤波器装置的结构示意图；
[0038]
图3为本申请实施例公开的截止频率分级可调的无源滤波器装置中高通滤波器的结构示意图；
[0039]
图4为本申请实施例公开的高通滤波器中的复合开关的结构示意图；
[0040]
图5为本申请一实施例公开的截止频率分级可调的无源滤波器装置的结构示意图。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0042]
为了消除牵引供电系统中的高次谐波，本申请提供了一种截止频率分级可调的无源滤波器装置，参见图1，该装置可以包括：
[0043]
控制监控系统100，所述控制监控系统通过电流电流互感器、电压互感器采集牵引网的电流参数和电压参数；
[0044]
断路器200，所述断路器的第一端与所述牵引网相连，所述断路器的控制端与所述控制监控系统的控制信号输出端相连；
[0045]
高通滤波器300，所述高通滤波器的第一端与所述断路器的第二端相连，所述高通滤波器的第二端接地，所述高通滤波器的控制端与所述控制监控系统的控制信号输出端相连。
[0046]
在所述截止频率分级可调的无源滤波器装置工作时，所述高通滤波器的第一端与所述断路器的第二端相连，所述高通滤波器的第二端接地，所述控制监控系统通过电流电流互感器、电压互感器采集牵引网的电流参数和电压参数，基于所述牵引网的电流参数和电压参数调整所述高通滤波器的工作状态，以使得所述高通滤波器滤除牵引网中的高次谐波。
[0047]
在本申请实施例公开的技术方案中，所述高通滤波器可以为二阶高通滤波器，其类型可以依据用户需求自行选择，具体的，在本方案中，所述高通滤波器包括：
[0048]
可调电容器组c，所述可调电容器组c的第一端与所述断路器200的第二端相连，所述可调电容器组c的电容值可调；
[0049]
复合开关组k，所述复合开关组k与所述可调电容器组并联，在本方案中，所述复合开关组k可以与所述可调电容器组c中的部分电容并联，通过控制所述复合开关组k的工作状态，可实现将与其并联的电容切入、切出可调电容器组c；
[0050]
可调电阻r，所述可调电阻r的第一端与所述可调电容器组c的第二端相连，所述可调电阻r的第二端接地，在本方案中，所述可调电阻r为阻值可调的电阻，其阻值大小可以依据所述控制监控系统100的输出信号进行调节；
[0051]
可调电感l，所述可调电感l与所述可调电阻r并联，所述可调电感的感抗值可调，其感抗值大小可以依据所述控制监控系统100的输出信号进行调节，可调电感可采用他励或者自励磁阀式电感，通过改变励磁电流来调节电感容量；
[0052]
在本方案中，所述复合开关组k、所述可调电阻r、所述可调电感l的控制端与所述控制监控系统100的控制信号输出端相连，由所述控制监控系统100的控制信号输出端获取调节指令，以调节自身的开关状态、阻值状态、感抗状态。
[0053]
在上述方案中，所述可调电容器组可以包括至少两条电容串联支路，各个电容串
联支路之间相互并联，每条串联支路由至少两个电容串联而成，例如参见图3，在本方案中每条电容串联支路可以包括4个电容(电容c1、电容c2、电容c3、电容c4)。
[0054]
在上述方案中，所述复合开关组中可以包括多个子复合开关：
[0055]
与所述电容串联支路一一对应的子复合开关组，每个子复合开关组至少包括一个用于对所述电容串联支路中的一个或多个电容进行短路的复合开关，当所述复合开关闭合时，与其并联的电容切出所述电容串联支路，当所述复合开关断开时，与其并联的电容切入所述电容串联支路，例如，参见图3，所述子复合开关组中具有三个复合开关(复合开关k1、复合开关k2、复合开关k3)，其中，所述复合开关k1与所述电容c1并联，所述复合开关k1与所述电容c1和电容c2并联,所述复合开关k3与所述电容c1、电容c2和电容c3并联。
[0056]
所述复合开关的结构可以依据用户需求自行选择，例如参见图4，在本方案中，每个复合开关均由两个反向并联的可控二极管(d1、d2)和控制开关k0构成，所述控制开关的第一端与所述两个反向并联的可控二极管的第一公共端相连，所述控制开关的第二端与所述两个反向并联的可控二极管的第二公共端相连。
[0057]
当所述采用图3所示结构的高通滤波器时，可调电容器组中各条电容串联支路相互并联，每条电容串联支路并联复合开关，所述控制监控系统实时监测牵引网的电流参数和电压参数，当牵引网电压过零时，控制目标复合开关导通，在牵引网电流过零时，控制目标复合开关断开，实现可调电容器组高压无源滤波在电压过零和电流过零完成容量调节(电压过零投入运行，在电流过零切出)，减小了牵引网中的电流变化和电压变化对可调电容器组的冲击，延长了可调电容器组的使用寿命。由于高通滤波器结构特征，可调电容器组承担了大部分压降，可调电阻器和可调电抗器承担压降相对较低。上述方案中，在确定目标复合开关时，所述控制监控系统可以通过牵引网的电流参数和电压参数检测的牵引网的谐波电流成分，确定高通滤波器的截止频率，根据需求分级投入需求容量，将与需求容量对应的复合开关作为目标复合开关，一方面可以降低系统损耗，另一方面当系统发生谐振时，通过改变系统参数避开谐振点的同时提高系统的利用率。
[0058]
具体的，控制监控系统在基于牵引网的电流参数和电压参数检测的牵引网的谐波电流成分时，可以通过以下方式来实现：
[0059]
在高通滤波器中，可调电阻的阻值r、可调电感的电感值l、可调电容器组的容量值c有如下表达式：
[0060]
x
l
＝u
pmax2
/q
h
(h
02-1)(ω)
[0061]
l＝10*x
l
/π(mh)
[0062]
r＝h
0
*x
l
*q
tho
(ω)
[0063]
q
tho
＝0.6～30(ω)
[0064]
x
c
＝h
02
*x
l
(ω)
[0065]
c＝10
6
/2πfx
c
(μf)
[0066]
r为可调电阻阻值，所述l为可调电感感抗值，所述c为可调电容器组阻值；h
o
为滤波器调谐次数；q
tho
为滤波电抗器调谐频率时品质因数；q
h
为h次滤波器基波补偿容量，单位为兆乏(mvar)；u
pmax
为供电母线实际运行的最高电压，单位为千伏(kv)；f为基波频率，单位为赫兹(hz)。
[0067]
控制监控系统通过检测牵引网馈线电流参数和电压参数后，分析当前谐波电流成
分，具体分析过程如下:
[0068]
下述公式中，u
s
为牵引网的实时电压，i
s
为牵引网的实时电流，i
p
为基波有功电流，i
q
为基波无功电流。对于单相电路，可以构造一个虚拟的α-β坐标系。i
sp
为有功电流，i
sq
为无功电流。u
s
和i
s
的计算公式如下：
[0069][0070]
i
sp
和i
sq
的计算公式如下：
[0071][0072]
通过坐标变换，将静止坐标系下的变量，转换为旋转矢量，可以得到旋转坐标系下的有功电流i
p
和无功电流i
q
。如下式所示：
[0073][0074]
当n＝1时代入上式计算的基波有功电流i
1p
和基波无功电流i
1q
分别为:
[0075][0076]
在电流参数中减去基波有功电流，就可以得到谐波电流和谐波电压。根据所述谐波电流和谐波电压即可得到谐波频率分布，再根据谐波频谱分布可实时确定高通滤波器的截止频率，进而根据高通滤波器的截止频率确定r、l、c的参数值，其中，所述高通滤波器的截止频率与所述r、l、c的参数值之间的映射关系可以通过查找预设映射表得到。确定好需要设定的值后，将复合开关零电流关断的同时确定与c的参数值对应的复合开关作为目标负荷开关，选择电容串联支路接入的电容的数量后当所述电压参数过零时闭合这些目标复合开关，同时调节可调电感的励磁电流的大小改变电抗器值，同时调节可调电阻器的阻值实现动态参数设置。
[0077]
在本申请上述实施例公开的技术方案中，还可以在所述控制监控系统与所述高通滤波器之间设置一个触发电400，通过该触发电路来调节复合开关组中复合开关的开关状态、可调电阻的阻值、可调电感的电感值，具体的，所述触发电路设置于所述高通滤波器与所述控制监控系统的控制信号输出端之间，用于向所述复合开关、所述可调电阻以及所述可调电感提供与所述控制监控系统的控制信号输出端输出的控制信号相匹配的调节指令。
[0078]
进一步的，为了保护所述高通滤波器，参见图5，上述高通滤波器中还可以包括：熔断器fu，所述熔断器fu设置于所述可调电容器组的第一端与所述断路器的第二端之间，用于对所述高通滤波器提供过流保护。
[0079]
进一步的，上述的截止频率分级可调的无源滤波器装置还可以包括：隔离开关ds，所述隔离开关ds设置于所述断路器的第一端与所述牵引网之间，以实现截止频率分级可调的无源滤波器装置的可靠断电。
[0080]
进一步的，上述装置中，为了防止高压电冲击损坏所述截止频率分级可调的无源
滤波器装置，该装置中，还可以包括：
[0081]
避雷器ar，所述避雷器的第一端与所述断路器的第二端相连，所述避雷器的第二端接地。
[0082]
在本申请另一实施例公开的技术方案中，为了牵引网状态进行监控，上述方案中还可以包括上位机0，该上位机可以是电脑或者是其他计算机设备。所述上位机与所述控制监控系统的相连，用于获取所述控制监控系统的采集数据，并向所述控制监控系统下发控制指令。
[0083]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0084]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。