抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法和无源带通滤波器与流程

本公开涉及电力电子，尤其涉及一种抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法和无源带通滤波器。

背景技术：

1、本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

2、随着新型电力系统和分布式电源技术的发展，电力电子装置在电力系统中的应用越来越广泛，但这些装置中的非线性效应会严重影响系统电流和电压发生畸变，产生大量的高次谐波，加剧了电力系统的谐波问题，这不仅会缩短电气设备的使用寿命，还会降低电能质量，威胁着电力系统和用电设备的安全运行。所以研究稳定有效、切实可行的谐波抑制方法，对于提高谐波治理水平，保障电能质量，增强电网的稳定性和可靠型具有重要的现实意义。

3、谐波抑制技术主要分为两大类，一种是主动抑制，从谐波源头入手，改变谐波源本身的结构或特性，使其不产生谐波，达到了从根源处杜绝谐波的目的。主动抑制技术包括增加整流相数、脉冲宽度调制技术、波形重构技术等。其中，增加整流相数和波形重构技术都是旨在使电网侧的电流波形更接近理想的正弦波，从而减少谐波含量，但是相应地，电路会更加复杂，设备造价变高；脉冲宽度调制技术是根据面积等效原理，通过控制逆变电路的开关输出一系列等幅不等宽的矩形脉冲，用这些脉冲代替正弦波，应用该技术所获得的输出电压波形平滑且谐波含量低，从而有效控制谐波的畸变率，但是当开关频率增大时，会增大开关损耗，降低转换效率。

4、实际上，电力系统中存在大量电力电子装置，这些都是产生谐波的谐波源，想要从源头治理的方法过于繁琐，难以大规模应用，因此大多数情况下，使用另一种被动抑制的方法进行谐波抑制，即在电网中安装专门的滤波器件，对系统中已经产生的谐波进行滤除和抑制。

5、常见的滤波器件分为无源电力滤波器和有源电力滤波器，有源电力滤波器的原理是通过对系统中谐波分量的检测，控制系统产生一个与谐波分量幅值相同、相位相反的补偿分量，用反向补偿的方法抑制谐波，这种方法的优点在于，其抑制谐波的过程是动态进行的，能够锁定谐波频率，具有更大的谐波抑制范围，同时还可以补偿无功功率，解决电路中三相不平衡的问题。但有源电力滤波器依赖于谐波检测技术的准确性，效果受到谐波检测技术瓶颈的影响，且有源电力滤波器在设计过程中也引入了电源和非线性器件等谐波源，增加设计的复杂度和不可控性。

6、无源电力滤波器的原理是利用电阻、电容和电感元件组合成谐振电路,迫使谐波流入滤波电路,有效避免了谐波对电能质量的影响。无源滤波器设备结构简单，成本低，使用和维修方面都比较方便，但是也存在不能忽视的缺点，例如只能滤去特定次谐波，不能实现实时的跟踪补偿，性能的可靠性和稳定性比较低，可能会导致事故的发生。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开的目的在于提出一种抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法和无源带通滤波器，至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、基于上述目的，本公开示例性实施例第一方面提供了一种抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法，包括：

3、获取介质板，所述介质板包括相对设置的第一板面和第二板面；

4、在所述第一板面上设置阶跃阻抗谐振器，所述阶跃阻抗谐振器包括低阻抗部分和两个高阻抗部分，两个所述高阻抗部分分别位于所述低阻抗部分相对的两侧；确定所述阶跃阻抗谐振器对应的谐振条件，以确定所述低阻抗部分和所述高阻抗部分的电长度；

5、在所述阶跃阻抗谐振器沿第一方向的一侧设置第一环形通路，沿所述第一方向的另一侧设置第二环形通路，将所述第一环形通路和所述第二环形通路与所述阶跃阻抗谐振器连接；确定所述第一环形通路和所述第二环形通路对应的零点条件，以确定所述第一环形通路和所述第二环形通路的电长度；

6、在所述阶跃阻抗谐振器与所述第二环形通路之间设置第一阻抗一致谐振器和第二阻抗一致谐振器，所述第一阻抗一致谐振器相对于所述第二阻抗一致谐振器靠近所述阶跃阻抗谐振器，所述第二阻抗一致谐振器相对于所述第一阻抗一致谐振器靠近所述第二环形通路；确定所述第一阻抗一致谐振器和所述第二阻抗一致谐振器对应的谐振条件，以确定所述第一阻抗一致谐振器和所述第二阻抗一致谐振器的电长度；

7、在所述阶跃阻抗谐振器沿第二方向的一侧设置输入端，沿所述第二方向的另一侧设置输出端，将所述输入端通过第一交叉耦合微带线与所述阶跃阻抗谐振器连接，将所述输出端通过第二交叉耦合微带线与所述阶跃阻抗谐振器连接；确定中心频率波长，基于所述中心频率波长确定传输零点，以确定所述第一交叉耦合微带线和所述第二交叉耦合微带线的耦合长度；

8、在所述第二板面上生成金属层，对所述金属层进行刻蚀，形成第一开口谐振环和第二开口谐振环；确定所述第一开口谐振环和所述第二开口谐振环对应的传输零点，以确定所述第一开口谐振环和所述第二开口谐振环的参数。

9、基于同一发明构思，本公开示例性实施例第二方面提供了一种抑制电力谐波的无源带通滤波器，包括：

10、介质板，所述介质板包括相对设置的第一板面和第二板面；

11、所述第一板面上设置有阶跃阻抗谐振器，所述阶跃阻抗谐振器包括低阻抗部分和两个高阻抗部分，两个所述高阻抗部分分别位于所述低阻抗部分相对的两侧；

12、所述阶跃阻抗谐振器沿第一方向的一侧设置有第一环形通路，沿所述第一方向的另一侧设置有第二环形通路，所述第一环形通路和所述第二环形通路与所述阶跃阻抗谐振器连接；

13、所述阶跃阻抗谐振器与所述第二环形通路之间设置有第一阻抗一致谐振器和第二阻抗一致谐振器，所述第一阻抗一致谐振器相对于所述第二阻抗一致谐振器靠近所述阶跃阻抗谐振器，所述第二阻抗一致谐振器相对于所述第一阻抗一致谐振器靠近所述第二环形通路；

14、所述阶跃阻抗谐振器沿第二方向的一侧设置有输入端，沿所述第二方向的另一侧设置有输出端，所述输入端通过第一交叉耦合微带线与所述阶跃阻抗谐振器连接，所述输出端通过第二交叉耦合微带线与所述阶跃阻抗谐振器连接；

15、所述第二板面上设置有第一开口谐振环和第二开口谐振环。

16、从上面所述可以看出，本公开实施例提供的抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法和无源带通滤波器，该方法包括包括：获取介质板，所述介质板包括相对设置的第一板面和第二板面；在所述第一板面上设置阶跃阻抗谐振器，所述阶跃阻抗谐振器包括低阻抗部分和两个高阻抗部分，两个所述高阻抗部分分别位于所述低阻抗部分相对的两侧；确定所述阶跃阻抗谐振器对应的谐振条件，以确定所述低阻抗部分和所述高阻抗部分的电长度；在所述阶跃阻抗谐振器沿第一方向的一侧设置第一环形通路，沿所述第一方向的另一侧设置第二环形通路，将所述第一环形通路和所述第二环形通路与所述阶跃阻抗谐振器连接；确定所述第一环形通路和所述第二环形通路对应的零点条件，以确定所述第一环形通路和所述第二环形通路的电长度；在所述阶跃阻抗谐振器与所述第二环形通路之间设置第一阻抗一致谐振器和第二阻抗一致谐振器，所述第一阻抗一致谐振器相对于所述第二阻抗一致谐振器靠近所述阶跃阻抗谐振器，所述第二阻抗一致谐振器相对于所述第一阻抗一致谐振器靠近所述第二环形通路；确定所述第一阻抗一致谐振器和所述第二阻抗一致谐振器对应的谐振条件，以确定所述第一阻抗一致谐振器和所述第二阻抗一致谐振器的电长度；在所述阶跃阻抗谐振器沿第二方向的一侧设置输入端，沿所述第二方向的另一侧设置输出端，将所述输入端通过第一交叉耦合微带线与所述阶跃阻抗谐振器连接，将所述输出端通过第二交叉耦合微带线与所述阶跃阻抗谐振器连接；确定中心频率波长，基于所述中心频率波长确定传输零点，以确定所述第一交叉耦合微带线和所述第二交叉耦合微带线的耦合长度；在所述第二板面上生成金属层，对所述金属层进行刻蚀，形成第一开口谐振环和第二开口谐振环；确定所述第一开口谐振环和所述第二开口谐振环对应的传输零点，以确定所述第一开口谐振环和所述第二开口谐振环的参数。本公开设计的滤波器扩展了频带，提高了滤波选择性，提高了稳定性，减小了体积，降低了功耗。

技术特征：

1.一种抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述在所述阶跃阻抗谐振器与所述第二环形通路之间设置第一阻抗一致谐振器和第二阻抗一致谐振器，包括：

3.根据权利要求1所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法，其特征在于，所述在所述第二板面上生成金属层，对所述金属层进行刻蚀，形成第一开口谐振环和第二开口谐振环，包括：

4.一种抑制电力谐波的无源带通滤波器，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器，其特征在于，所述高阻抗部分由折叠的微带线构成。

6.根据权利要求4所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器，其特征在于，所述第一阻抗一致谐振器和所述第二阻抗一致谐振器的开口相对设置，且所述第一阻抗一致谐振器的开口在所述第二阻抗一致谐振器的开口内。

7.根据权利要求4所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器，其特征在于，所述第一环形通路和所述第二环形通路通过高阻抗连接线与所述阶跃阻抗谐振器连接。

8.根据权利要求4所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器，其特征在于，所述第二板面上设置有金属层，所述第一开口谐振环和所述第二开口谐振环由对所述金属层进行刻蚀形成。

9.根据权利要求4所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器，其特征在于，所述第一开口谐振环与所述第一环形通路相对设置，所述第一开口谐振环的中心线与所述第一环形通路的中心线对齐；

10.根据权利要求4所述的抑制电力谐波的无源带通滤波器，其特征在于，所述第一交叉耦合微带线和所述第二交叉耦合微带线均包括沿所述第一方向的微带线和沿所述第二方向的微带线。

技术总结
本公开提供一种抑制电力谐波的无源带通滤波器的设计方法和无源带通滤波器，包括：获取介质板，在第一板面上设置阶跃阻抗谐振器，基于谐振条件设计其电长度；在阶跃阻抗谐振器的两侧设置第一环形通路和第二环形通路，基于零点条件设计其电长度；在阶跃阻抗谐振器与第二环形通路之间设置第一阻抗一致谐振器和第二阻抗一致谐振器，基于谐振条件设计其电长度；在阶跃阻抗谐振器的两侧设置输入端、输出端、第一交叉耦合微带线和第二交叉耦合微带线，基于传输零点设计其耦合长度；在第二板面上设计第一开口谐振环和第二开口谐振环，基于传输零点设计其参数。本公开设计的滤波器扩展了频带，提高了滤波选择性，提高了稳定性，减小了体积，降低了功耗。

技术研发人员：夏丹蕾,李庆峰,张楠,郭永山,张帅,郝志飞,乔昱凯,刘宇航,霍赛男,刘天极,杨济源,吕东东,朱广萍
受保护的技术使用者：国网信息通信产业集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5