一种可调结构的谐波抑制电路设计

一种可调结构的谐波抑制电路设计

广电计量检测集团股份有限公司 吕东方吴益源党云昊

摘要

本论文设计了一种具有可调结构的谐波抑制电路，通过开关切换选择不同的滤波模块。主要模块有星形无源滤波模块、三角形无源滤波模块、有源滤波模块和混合型有源滤波模块。其中混合型有源滤波模块由无源滤波器和有源滤波器串联构成，与被补偿的谐波负载并联，控制有源滤波器输出，使滤波器串联支路对各次谐波的阻抗都为零，大大提高了无源滤波器 的滤波效果。分析了滤波原理及选择不同滤波电路的方法。因此本论文提供了一种在电力系 统谐振抑制调试阶段，方便调节和选择的电力谐波抑制电路，针对性解决电力系统中非线性 负载产生的谐波干扰，一方面方便在调试阶段进行参数调整，抑制电力系统产生的谐波干扰，

另一方面在达到谐波抑制的同时，可根据成本和性能要求选择合适的电力谐波抑制电路。

关键词

谐波抑制 无源滤波 有源滤波混合型有源滤波

Abstract

This paperdesignsa harmonicsuppressioncircuit withanadjustablestructure, whichselects different filtering modules through switch switching. The main modules includestar passivefilteringmodule,trianglepassive filtering module, active filtering module, and hybrid activefiltering module. The hybrid active filter module is composed ofa passivefilterandanactivefilter in series,whichare connectedinparallelwiththe compensatedharmonic loadtocontrolthe output oftheactivefilter, so that theimpedanceoftheseries branchofthefiltertoeachharmonic iszero,greatlyimprovingthefilteringeffectof thepassivefilter. Analyzedthefilteringprinciple andmethodsforselectingdifferentfilteringcircuits. Therefore, thispaperprovidesapowerharmonicsuppressioncircuitthatiseasytoadjustandselectduringtheresonancesuppression debuggingstageofthe powersystem,specificallysolving the harmonicinterference generatedby nonlinear loads in the power system.Ontheone hand,itisconvenienttoadjustparametersduring thedebuggingstage tosuppress harmonicinterference generated bythe powersystem,andonthe otherhand,it achieves harmonic suppression while achieving harmonic suppression, Suitable power harmonic suppression circuits can be selected based oncostand performance requirements.

Key words:

harmonicsuppression; passive filter; active filter; hybridactive power filter

0引言

在电力系统中，随着电力技术的不断发展，电力系统中的非线性负载越来越复杂，因此造成谐波对电网的干扰越来越大，电网稳定性变差，电能质量下降，大型设备的用电安全性较低，事故发生率增长。在电力电子装置中，利用变流器等设备对电流、电压以及能量进行

变换和控制，可以提高电力电子装置的性能，但是引入了复杂谐波。

目前电力电子设备中主要通过LC无源滤波器抑制谐波。LC无源滤波只能滤除特定的 高次谐波，也会出现与系统发生谐振，可能对系统造成损害。随着大功率可关断器件（IGBT） 技术的不断发展进步，电力系统中谐波抑制和补偿装置中广泛应用有源滤波器APF。因此

本文提出了一种混合型谐波抑制电路，针对性解决电力系统中非线性负载产生的谐波干扰。

1电路设计原理

电力系统谐波污染主要来源于电子器件的整流电源、开关电源、整流器等非线性负载。 由于这些装置直流侧一般都含有大容量电容的整流电路，其在本质上属于电压源型谐波负载。 图1 为混合型谐波抑制电路结构图，有源滤波器和无源滤波器混合使用方式正是为了克服只 有有源滤波器时安装容量较大的缺点，它的本质是利用技术成熟，成本较低的无源滤波器来 承担有源滤波器的一部分补偿任务。与有源电力滤波器相比，无源LC滤波器其结构简单，

易于实现且成本低，而有源滤波器具有补偿性能好的优点。

对于负载侧的谐波电流源，有源滤波器被控制为一个等效谐波阻抗，它使无源和有源滤波器总的串联谐波阻抗对各次谐波都为零，从而使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器支路，达到提高无源滤波器滤波效果的目的，此时有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压。对于电源电压中的畸变电压，有源滤波器被控制产生与其相同的谐波补偿电压，以抑制电源电压畸变产生的谐波电流。另外，有源滤波器的投入还可有效地抑制电力系统阻抗和无源滤波器之间可能产生的串、并联谐振。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除，而是起到提高无源滤波器滤波效果的目的，它所产生的补偿电压中不含有基波电网电压，只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的经济性，适

于对大容量的谐滤负载进行补偿。

图1可调结构的谐波抑制电路

图1中各标号代表的模块具体指：1-非线性负载，2-星形第一无源滤波模块，3-三角形 第二无源滤波模块，4-耦合变压器，5-星形第三无源滤波模块，APF1-第一有源滤波模块， APF2 第二有源滤波模块。其中耦合变压器、星形第三无源滤波模块和APF2有源滤波模块

构成混合型谐波抑制电路。

2 电路结构

图1 可调结构的谐波抑制电路主要包括无源滤波模块、有源滤波模块和混合型滤波模块。 其中混合型滤波模块（主要包括4-耦合变压器、5-无源滤波模块和APF2-有源滤波模块）， 无源滤波模块一般由两个单调谐和一个高通滤波器组成，有源滤波器由电压源型PWM（脉 宽调制）逆变器构成，通过变压器与无源滤波器串联连接。由于有源滤波器基本上不向电网 提供平均有功功率，可由一个直流电容器提供直流支撑电压，L5为小容量的滤波电感。由 于有源滤波器的功率容量主要是由所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的谐波电压峰 值决定的，通过对无源滤波器进行优化设计可以有效地减小有源滤波器的功率容量。由于流

过有源滤波器的电流为基波无功电流和所有的负载谐波电流，电流很大；而其产生的电压为

谐波补偿电压，电压很小；变压器一个重要的作用就是使构成有源滤波器的 PWM 逆变器的电流和电压容量取值合理，由此可以确定变压器的变比和其它参数。有源滤波器直流电容器电压决定滤波系统的谐波电流跟踪能力，取值过低不能将谐波电流完全消除，过高又将使逆变器和电容器的电压容量增大，应考虑两方面的因素综合选取。直流电容器容值的选取也应考虑到两方面的因素，容值过小将使直流电压波动过大，影响到有源滤波器的正常工作，过大将会使成本增加。滤波电感L5是用来滤除PWM 载波谐波的，L5大有利于载波谐波的消除，

但同时也会影响有源滤波器的动态性能，选取时要综合考虑到两方面的因素。

3电路结构选择

如图1所示，可调结构的谐波抑制电路主要通过开关选择控制不同的滤波模块。可根据

实际电路的特点和精度要求按如下方法选择不同的工作模式：

（1）对于精度要求低，需控制成本的情况下，闭合第一开关K1 和第三开关K3 选择三 角形第二无源滤波模块3，其中无源滤波器LC3-1、无源滤波器LC3-2、无源滤波器LC3-3

分别都是由M 组单调谐滤波器并联构成，其中单调谐滤波器由电容和电感组成；

M的值主要由电路中产生的主要谐波次数决定，单调谐滤波器对n次谐波的阻抗：

Zfn=Rfn+j(|nwsL-1)|

其中Zfn表示单调滤波器对n次谐波的阻抗，Rfn表示n次谐波时电路的电阻值，ωs为基

1

波角频率；L 为电感值；C 为电容值；n 为谐振次数，谐振次数n 为n =

wn

,在谐振点

Zfn=Rfn

时，滤波效果最好。

（2）对于功率小或者传输距离近的情况，交流220V的电路中闭合第一开关K1 和第二开关K2 选择星形第一无源滤波模块2，根据电路的电流大小和谐波频率，调节无源滤波器的参数电感和电容的值，使得在谐振频点处滤波效果最好。在谐振点处时，Zfn= Rfn，此时

Rfn很小，谐波电流此时经Rfn分流，因此很少流入电路，达到了最好的滤波效果。

（3）对于精度要求高、功率大的高压电力系统，并且需具有动态监测能力的情况时， 闭合第一开关K1 和第四开关K4 选择有源滤波或者闭合第一开关K1和第五开关K5 选择混

合滤波；

4结论

本文基于电力系统的谐波抑制难题，提出了一种开关型混合电力谐波抑制电路，能够根

据不同的要求和应用场景，选择不同的滤波电路。混合型有源滤波方式既能滤除特定的谐波， 又能动态响应谐波的频率与大小的变化，具有较大的灵活性，可以很好地适应各种工况的变

化。

参考文献

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