基于正交电抗器的可调电感滤波器结构及参数设计方法与流程

本发明涉及电力设备，具体涉及一种基于正交电抗器的可调电感滤波器结构及参数设计方法。

背景技术：

1、电力电子设备和时变非线性负荷的投入给电网带来了大量的谐波分量，严重危害电能质量。常用的谐波治理手段有通过多脉波整流、多电平技术、提高器件开关频率等方法减小低次谐波。或安装滤波器，包括无源、有源或混合滤波器。在无源滤波器中，传统lc滤波器只能滤除固定次谐波，而电网谐波往往随着负载特性变化而变化，因此研制可调lc滤波器对提升电网质量有重要意义。通过调整电感值大小改变电抗率，完成对不同频率的谐波滤除。

2、中国专利文献zl202221987493.9记载了一种滤波器及其电感电感包括磁芯以及缠绕在磁芯上的导电部件(导电排)，利用凸凹结构使导电排间具有更大接触面，提升了连接强度。

3、中国专利文献zl202220702544.2记载了一种可以调节漏感的电感滤波器电感包括磁芯以及与磁芯相配合的l形基座和平面基座。该专利将导磁体独立设置，有利于高强度的生产加工，便于后期镶嵌组装；通过表面涂设的绝缘油漆进行连接或通过绝缘外壳进行连接，保证空气间隙的同时降低生产难度，提高成品率。

4、上述专利文献所研究的都是固定电抗器滤波器，对滤波器结构进行了改进。但是电网谐波往往随着负载特性变化而变化，而固定电感滤波器只能滤除固定次谐波，往往无法起到良好的滤波效果。

5、中国专利文献zl201810487674.7记载了一种可以调节漏感的电感滤波器，由主回路铁心，主回路绕组，控制回路铁芯，控制回路绕组构成。工作铁心与控制铁心使用平行嵌入的口字形结构，控制绕组加直流电流时产生同向磁场，降低主回路的电抗值并抵消主回路对控制回路的感应电动势，保护控制回路。该设计结构简单，设备体积小，减少了调试维护量，达到了电感可调的效果。采用大小两个口字型铁心平行镶嵌的拓扑结构，虽然能够调节电感，但是空间利用率较低。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于正交电抗器的可调电感滤波器结构及参数设计方法，该滤波器具有优秀的线性调节能力，谐波更低，且所采用的拓扑结构更加紧凑，提升了空间占用率并降低了设计成本，为正交可控电抗器在滤波器中的应用提供了一种可执行方案。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、基于正交电抗器的可调电感滤波器结构，可调电感滤波器结构包括正交可控电抗器，正交可控电抗器的铁芯部分由一个“口”字形闭合式交流铁芯和两个“c”形开口式直流铁芯构成，“c”形开口式直流铁芯由上下的水平铁芯连接垂直铁芯构成，上下的水平铁芯与“口”字形闭合式交流铁芯的中部接触，“口”字形闭合式交流铁芯的两个垂直部分铁芯外缠绕有串联的两个交流绕组，两个“c”形开口式直流铁芯的垂直铁芯外缠绕有串联的直流绕组，交流绕组接入工作回路，直流绕组接入控制回路；通过改变施加在直流绕组的电流值，改变正交区域的磁感应强度和对应的磁导率，从而改变交流铁心磁路的磁阻，实现交流绕组呈现的电感随施加直流电流变化而变化。

4、上述的可调电感滤波器结构还包括与正交可控电抗器串联的电容c以及电阻r，可调电感滤波器通过接触器k与线路中的非线性负载并联，非线性负载由交流电源e供电。

5、使用上述的基于正交电抗器的可调电感滤波器结构的滤波参数设计方法，包括：step1、基于想要滤除的n次谐波，即调谐次数为n的可调滤波器，其电容电感值满足：

6、

7、其中，ω1为系统基波角频率；设计滤波器时，将系统电压等效为标准正弦波，其有效值为u1，由于系统电流可分为基波电流i1和n次谐波电流in两个分量；求解出滤波器的电容器c的最小容量；

8、step2、对滤波器的电感进行计算；

9、step3、对滤波器的电阻r进行计算。

10、上述的step1求解滤波器的电容器c的最小容量过程为：

11、通过电容安装容量sc需满足基波无功功率q1w和谐波无功功率qnw的容量要求，以及基波电流和谐波电流的无功分量的计算得到滤波器输出的基波无功容量qlb的表达式；然后通过谐波无功功率qnw和基波电流的的无功分量表达式i1w代入电容安装容量sc表达式，得到谐波无功容量为snw表达式并将其标幺化，根据标幺后的基准无功容量最小值可以得到滤波器的基波无功容量最小值表达式，进而得到滤波器的电容器最小容量表达式。

12、上述的通过电容安装容量sc需满足基波无功功率q1w和谐波无功功率qnw的容量要求，以及基波电流和谐波电流的无功分量的计算得到滤波器输出的基波无功容量qlb的表达式的过程为：

13、电容安装容量sc需满足基波无功功率q1w和谐波无功功率qnw的容量要求，即：

14、sc＝q1w+qnw；    (2)

15、其中，q1w和qnw的计算表达式为：

16、

17、

18、其中，i1w和inw分别为基波电流和谐波电流的无功分量，i1w计算表达式为：

19、

20、式(1)代入式(5)中得：

21、

22、滤波器输出的基波无功容量为：

23、

24、qlb为滤波器输出的基波无功容量。

25、上述的通过谐波无功功率qnw和基波电流的的无功分量表达式i1w代入电容安装容量sc表达式，得到谐波无功容量为snw表达式并将其标幺化过程为：

26、将式(4)和式(5)代入式(1)中得：

27、

28、取基准无功容量为sbw＝u1inw，将式(8)标幺化得：

29、

30、上述的根据标幺后的基准无功容量最小值可以得到基波无功容量最小值表达式过程为：

31、当时，有最小值

32、

33、由于n2＞＞1，式(10)可简化为：

34、

35、因此，滤波器的基波无功容量最小值可表示为：

36、

37、上述的滤波器的电容器最小容量表达式为：

38、

39、上述的step2中滤波器的电感计算过程为：

40、电感可调滤波器的最大和最小电感值应分别满足对最低和最高治理谐波的调谐需求，设所要治理的谐波次数为n次～m次，则有：

41、

42、上述的step3中滤波器的电阻r计算过程为：

43、lc滤波器的电阻r的计算表达式为：

44、

45、其中，qopt为单调谐滤波器的最佳品质因数；电阻包含电抗器的绕组电阻和外加电阻两部分。

46、本发明提供的一种基于正交电抗器的可调电感滤波器结构及参数设计方法，相比传统磁控电抗器，它通过改变铁芯拓扑使控制绕组和工作绕组磁路正交，从而解决了一系列问题，如传统磁控电抗器在工频周期电感值不稳定，工作电流会在控制绕组产生大的感应电压。正交可控电抗器能够克服这些问题，具有优秀的线性调节、低谐波、一二次绕组解耦合等特性。