一种适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器及应用

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器及应用。

背景技术：

1、随着可再生能源的快速发展，光伏和风电等新能源发电设备高比例接入电力系统，电力电子装置作为新能源并网接口设备，得到了广泛应用。然而，电力电子装置一般通过脉宽调制(pulse width modulation，pwm)实现输出控制，产生的高开关频率的超高次谐波(2khz-5khz)流入电网，造成电网系统的高频谐振问题，影响电力载波通信，增加电能损耗。此外，公共连接点(point of common coupling，pcc)电压超谐波含量的增加会导致并网电力电子设备锁相异常，导致控制系统不稳定，造成过压、过流、保护装置误动作等事故。因此，电力电子设备造成的超高次谐波污染已成为电能质量领域关注的重点。谐波治理目前常用装置为有源电力滤波器(active power filter，apf)，但对于高达开关频率的谐波，普通的电力电子型apf很难发挥作用，而且电力电子型apf本身也是超高次谐波发生源。目前国内外对于超高次谐波的研究仍主要集中于其传播特性、测量标准的研究，对于超高次谐波对电网造成的高频谐波污染，主要采用无源电力滤波器(power filter，pf)治理，这种方法具有结构简单、可靠性高、经济便捷等突出优势，但是其也存在固有缺陷：电网参数发生变化时，可能会导致滤波器发生失谐问题，影响滤波效果；对电网阻抗参数敏感，容易与电网阻抗发生谐振，放大超高次谐波的影响；pf对于超高次谐波的滤波效果有限，无法完全补偿所有的谐波成分。单纯使用传统的电力电子型有源滤波器，对2khz-150khz频段的谐波难以处理，将电力电子电路更换为模拟电路可以提高装置的工作带宽，但这引入了一个新问题，模拟电路效率较低，不适合大功率运行。

技术实现思路

1、本发明提出一种超高次谐波抑制混合型电力滤波器，选用apf与pf相串联后再与电网并联的混合型电力滤波器拓扑，主电路使用线性放大电路实现，结合传统有源和无源滤波器的优点，克服了各自的缺点，以较低的成本实现可靠的滤波。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，包括有源环节和无源环节，有源环节和无源环节串联后与电网并联，无源环节采用一阶高通滤波器电路，所述一阶高通滤波器电路对于超高次谐波为低阻抗通路；有源环节为电流源模拟电路，电流源模拟电路包括运放电路和推挽放大电路，运放电路工作在闭环负反馈状态，推挽放大电路输出侧连接无源环节与电网后再串接采样电阻并接地，运放负输入端连接采样电阻构成闭环。

3、进一步的，通过控制有源电力滤波器的无功电流输出使无源电力滤波器承受绝大部分电网基频电压。

4、进一步的，一阶高通滤波器电路中设置一个电容器cpf，承担电网基波电压。

5、进一步的，有源环节等效为一个受控电流源，用于超高次谐波补偿，有源环节输出指令为超高次谐波电流指令叠加无功电流指令，在无源环节上产生与并网点电压幅值相同、相位相反的基频压降。

6、进一步的，有源环节无功电流指令的幅值根据下式计算：

7、

8、其中，iq为有源环节输出的无功电流，cpf为电容器电容，ω0为电网基频角频率，vpcc为并网点电压。

9、进一步的，所述负反馈放大电路包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第六电阻rsense、电容c及运算放大器；运算放大器的同相输入端和输出端通过第二电阻r2连接；运算放大器的反相输入端和输出端通过电容c连接；运算放大器的反相输入端与参考地通过第六电阻rsense连接；运算放大器的输出端为负反馈放大电路的输出端；推挽放大电路的输入端和负反馈放大电路输出端通过第三电阻r3连接；推挽放大电路的输出端与第六电阻rsense连接。

10、进一步的，所述推挽放大电路包括：第一达林顿管q1、第二达林顿管q2、第一二极管d1、第二二极管d2、第四电阻r4、第五电阻r5、正供电电源vcc及负供电电源vdd；第一达林顿管q1集电极与负供电电源vdd相连，第一达林顿管q1发射极与第五电阻r5相连，第一达林顿管q1基极与第一二极管d1阴极相连；第二达林顿管q2集电极与正供电电源vcc相连，第二达林顿管q2发射极与第四电阻r4相连，第二达林顿管q2基极与第二二极管d2阳极相连；第一二极管d1阳极和二二极管d2阴极相连，作为推挽放大电路的输入端；第四电阻r4和第五电阻r5相连，作为推挽放大电路的输出端。

11、可以将本发明所述适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器的应用，动态补偿电网系统中2khz-5khz超高次谐波。

12、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

13、基于本发明所述滤波器可以实现动态补偿，可对频率和大小都变化的超高次谐波进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；本发明采用线性放大电路，补偿带宽显著扩大，可以实现电网系统中2khz-5khz超高次谐波补偿，提高电网电能质量，通过串联无源环节，显著降低了有源环节的损耗和容量；受电网阻抗的影响较小，同时补偿性能也不受电网频率变化的影响，不容易和电网阻抗发生谐振；既可对一个超高次谐波发生源进行单独补偿，也可对多个超高次谐波发生源进行集中补偿。

技术特征：

1.一种适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，其特征在于，包括有源环节和无源环节，有源环节和无源环节串联后与电网并联，无源环节采用一阶高通滤波器电路，所述一阶高通滤波器电路对于超高次谐波为低阻抗通路；有源环节为电流源模拟电路，电流源模拟电路包括运放电路和推挽放大电路，运放电路工作在闭环负反馈状态，推挽放大电路输出侧连接无源环节与电网后再串接采样电阻并接地，运放负输入端连接采样电阻构成闭环。

2.根据权利要求1所述的适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，其特征在于，通过控制有源电力滤波器的无功电流输出使无源电力滤波器承受绝大部分电网基频电压。

3.根据权利要求1所述的适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，其特征在于，一阶高通滤波器电路中设置一个电容器cpf，承担电网基波电压。

4.根据权利要求1所述的适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，其特征在于，有源环节等效为一个受控电流源，用于超高次谐波补偿，有源环节输出指令为超高次谐波电流指令叠加无功电流指令，在无源环节上产生与并网点电压幅值相同、相位相反的基频压降。

5.根据权利要求1所述的适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，其特征在于，有源环节无功电流指令的幅值根据下式计算：

6.根据权利要求1所述的适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，其特征在于，所述负反馈放大电路包括：第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第六电阻rsense、电容c及运算放大器；运算放大器的同相输入端和输出端通过第二电阻r2连接；运算放大器的反相输入端和输出端通过电容c连接；运算放大器的反相输入端与参考地通过第六电阻rsense连接；运算放大器的输出端为负反馈放大电路的输出端；推挽放大电路的输入端和负反馈放大电路输出端通过第三电阻r3连接；推挽放大电路的输出端与第六电阻rsense连接。

7.根据权利要求6所述的适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器，其特征在于，所述推挽放大电路包括：第一达林顿管q1、第二达林顿管q2、第一二极管d1、第二二极管d2、第四电阻r4、第五电阻r5、正供电电源vcc及负供电电源vdd；第一达林顿管q1集电极与负供电电源vdd相连，第一达林顿管q1发射极与第五电阻r5相连，第一达林顿管q1基极与第一二极管d1阴极相连；第二达林顿管q2集电极与正供电电源vcc相连，第二达林顿管q2发射极与第四电阻r4相连，第二达林顿管q2基极与第二二极管d2阳极相连；第一二极管d1阳极和二二极管d2阴极相连，作为推挽放大电路的输入端；第四电阻r4和第五电阻r5相连，作为推挽放大电路的输出端。

8.如权利要求1-7任一项所述适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器的应用，其特征在于，动态补偿电网系统中2khz-5khz超高次谐波。

技术总结
本发明提出了一种适用于超高次谐波治理的混合型电力滤波器及应用，有源电力滤波器和无源电力滤波器串联结构与电网并联，有源滤波器采用线性放大电路，无源滤波器采用一阶高通滤波器电路；有源滤波器为电流源模拟电路，电流源模拟电路中设置采样电阻，包括基本运放电路和推挽放大电路；无源滤波环节采用一阶高通滤波器电路，设计为对开关频率及其整数倍频次的谐波为低阻抗通路，具备基波阻抗，使得APF产生的基波无功电流在其上产生基波压降，基本运放电路工作在闭环负反馈状态，推挽电路输出侧连接PF与电网后再串接采样电阻并接地，运放负输入端连接采样电阻构成闭环，结合传统有源和无源滤波器的优点，克服各自缺点，以较低成本实现可靠的滤波。

技术研发人员：何英杰,李嘉豪,徐龙玉
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16