[发明专利]无变压器型混合电力滤波器及设计方法

权利要求书

1.一种无变压器型混合电力滤波器，包括电网侧电压源、系统阻抗、逆变器侧直流电流源和有源电压源，其特征在于，该滤波器还包括无源滤波支路、无源串联基波谐振支路和输出滤波器，无源滤波支路和无源串联基波谐振支路均采用LC滤波器，输出滤波器采用带阻尼谐振的LCL滤波电路；电网侧电压源的一端通过系统阻抗再经由彼此串联相接的无源滤波支路和无源串联基波谐振支路与该电压源的另一端连接；该电压源的一端还通过系统阻抗并经由逆变器侧直流电流源后与该电压源的另一端连接；在无源滤波支路和无源串联基波谐振支路的相接点接入输出滤波器；输出滤波器接于有源电压源两端。

2.根据权利要求1所述的无变压器型混合电力滤波器，其特征在于，所述输出滤波器包括LCL滤波器、RC阻尼支路和单电容支路，输出滤波器中的LCL滤波器包括电网侧电感、并联电容支路和逆变器侧电感，并联电容支路包括串联相接的并联电容和电感；RC阻尼支路与输出滤波器中的LCL滤波器中并联电容支路并联相接，单电容支路也与输出滤波器中的LCL滤波器中并联电容支路并联相接。

3.根据权利要求1所述的无变压器型混合电力滤波器，其特征在于，所述两LC滤波器的串联相接点是接入有源滤波支路的连接点，且该点的基波电压是电网基波电压的1/10。

4.根据权利要求2所述的无变压器型混合电力滤波器，其特征在于，

(1)所述逆变器侧电感L₁满足下式：

$\frac{U_{dc}{T}_s}{8\×10{\mathrm{\%I}}_{refm}}\<L_1\<\frac{5U_{dc}{T}_s}{3{\mathrm{\Δi}}_{ref}}$

其中，I_refm是输出峰值电流，U_dc是直流电压，T_s是开关周期，Δi_ref是一个控制周期的参考电流变化量，取值为有源输出电流有效值的1/5；

(2)首先逆变器侧电感L₁与电网侧电感L₂二者上的总压降不能高于电网电压的10％；同时为了保证APF的低频控制性能和高频滤波性能，所述输出滤波器的谐振频率f_res满足10f₁<f_res<0.5f_s；f₁是基波频率，f_s是单倍开关频率；故该谐振频率f_res的表达式为

$f_{res}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{L_1+L_2}{L_1{L}_2{C}_{all}}}$

并联总电容表示输出滤波器中所有并联的电容的容量和；所述并联总电容的无功容量小于该混合电力滤波器无功容量的5％，结合公式X_C＝V_s²/Q_C和公式X_C＝1/C，获取单相的并联总电容C_all为：

$C_{all}=\frac{Q_C}{3{V_s}^2{w}_s}$

其中，Q_C是三相中各所述并联总电容的无功容量，V_s是IGBT开关电压，w_s是谐振点的频率；

(3)单电容支路中的电容C_h、RC阻尼支路中的电容C_d、输出滤波器的并联电容C_e满足关系：单电容支路中的电容C_h和RC阻尼支路中的电容C_d两个电容的和与输出滤波器的并联电容C_e相等，

则有RC阻尼支路中的电容C_d满足C_d＝0.5C_all，且C_h+C_e＝0.5C_all，又由此获取所述RC阻尼支路中的电容C_d、输出滤波器中与并联电容串联的电感L_e、输出滤波器的并联电容C_e和单电容支路中的电容C_h；

再将获得的单相所述输出滤波器的并联总电容C_all以及步骤1中获取的逆变器侧电感L₁按照f_res公式获取电网侧电感L₂；

(4)RC阻尼支路中的电阻R_d用于抑制所述LCL滤波器在谐振频率点的高幅值谐振峰，取R_d≤5欧姆。

5.一种适用于权利要求2所述的无变压器型混合电力滤波器的设计方法，该方法包括如下步骤：

首先，确定无源滤波支路和无源串联基波谐振支路中的各参数；

(1)设置无源滤波器为5次滤波器，则其阻抗Z_f为

$Z_f={\mathrm{jwL}}_f+\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_f}---\left(1\right)$

Z_a1为无源串联基波谐振支路，则有

$Z_{a1}={\mathrm{jwL}}_{a1}+\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_{a1}}---\left(2\right)$

(2)由于无源滤波支路和无源串联基波谐振支路的串联相接点V_1h的基波电压只能为电网基波电压的1/10，故有Z_f1/Z_a1＝9/1，即

$\frac{{\mathrm{jwL}}_f+\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_f}}{{\mathrm{jwL}}_{a1}+\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_{a1}}}=\frac{9}{1}---\left(3\right)$

令无源滤波器上的补偿基波无功功率为Q_Zf，系统电压为U_s，则单相电压为U_s/31/2，结合公式(3)则有

$\frac{{\left(0.9U_s\right)}^2}{\frac{1}{{\mathrm{jwC}}_f}}=Q_{Zf}---\left(4\right)$

其中，公式(4)中的0.9由Z_f1/Z_a1＝9/1中的比例关系获得；j为虚数的单位，w为角频率；

再令无源串联基波谐振支路中的电感L_a1为设定值，结合上述公式获取无源滤波器中的电感L_f和电容C_f的参数值，无源串联基波谐振支路中的电容C_a1的参数值；

然后，确定输出滤波器中各参数；

(1)按照下式选取逆变器侧电感L₁的参数值，以满足电流跟踪能力的要求以及满足开关纹波电流的要求；

$\frac{U_{dc}{T}_s}{8\&times;10{\mathrm{\%I}}_{refm}}\&lt;L_1\&lt;\frac{5U_{dc}{T}_s}{3{\mathrm{\&Delta;i}}_{ref}}---\left(5\right)$

其中，I_refm是输出峰值电流，U_dc是直流电压，T_s是开关周期，Δi_ref是一个控制周期的参考电流变化量，取值为有源输出电流有效值的1/5；

(2)首先逆变器侧电感L₁与电网侧电感L₂二者上的总压降不能高于电网电压的10％；同时为了保证APF的低频控制性能和高频滤波性能，所述输出滤波器的谐振频率f_res满足10f₁<f_res<0.5f_s，f₁是基波频率，f_s是单倍开关频率；故该谐振频率f_res的表达式为

$f_{res}=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{L_1+L_2}{L_1{L}_2{C}_{all}}}---\left(6\right)$

并联总电容表示输出滤波器中所有并联的电容的容量和；所述并联总电容的无功容量小于该混合电力滤波器无功容量的5％，结合公式X_C＝V_s²/Q_C和公式X_C＝1/C，获取单相的并联总电容C_all为：

$C_{all}=\frac{Q_C}{3{V_s}^2{w}_s}---\left(7\right)$

其中，Q_C是三相中各所述并联总电容的无功容量，V_s是IGBT开关电压，w_s是谐振点的频率，其取值可为谐波次数乘以基波频率；其中w_s＝N×2π×50；N为谐波次数；

再将获得的单相所述输出滤波器的并联总电容C_all以及步骤1中获取的逆变器侧电感L₁按照f_res公式获取电网侧电感L₂；

单电容支路中的电容C_h、RC阻尼支路中的电容C_d、输出滤波器的并联电容C_e满足关系：单电容支路中的电容C_h和RC阻尼支路中的电容C_d两个电容的和与原输出滤波器的并联电容C_e相等，则有RC阻尼支路中的电容C_d满足C_d＝0.5C_all，且C_h+C_e＝0.5C_all，又由此获取所述RC阻尼支路中的电容C_d、输出滤波器中与并联电容串联的电感L_e、输出滤波器的并联电容C_e和单电容支路中的电容C_h；

(3)RC阻尼支路中的电阻R_d用于抑制所述LCL滤波器在谐振频率点的高幅值谐振峰，取RC阻尼支路中的电阻R_d为1欧姆。