CN100370671C - 基于α-β电流分量直接注入的有源电力滤波方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于α-β电流分量直接注入的有源电力滤波方法及其装置，涉及一种有源电力滤波技术。本方法包括①引入“等量”坐标变换原理；②运用三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止垂直坐标系(α，β)的变换原理推导出三相电流源模型对应的两相模型；③根据电流源变换模型，采用两相单相逆变器组构建新型三相有源电力滤波器模型。本发明可较好地达到谐波补偿的效果，并且避免了三相有源滤波装置所带来的相互影响，适用于高电压、大功率谐波补偿，并能改善补偿性能。

Description

基于α-β电流分量直接注入的有源电力滤波方法及其装置

技术领域

本发明涉及有源电力滤波技术，尤其涉及一种基于α-β电流分量直接注入的有源电力滤波方法及其装置。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子装置被广泛应用于各种领域，为各行业的发展作出了不少贡献。传统电力电子技术的广泛应用，特别是各种使用传统相控技术的大容量非线性负荷在运行过程中会产生高谐波并使系统运行于低功率因子运行状态。电力谐波不但消耗电力系统中的有功功率和无功功率，增加数电线路损耗，而且影响继电保护、自动控制等装置的可靠运行，导致测量仪表的测量误差增加，使电器产生额外的热损耗，对通信设备造成电磁干扰等。因此，解决电力系统谐波抑制及无功补偿问题变得日益迫切。

对于谐波的综合治理，人们早期一般利用LC电路的谐振特性滤去谐波。但是，这种无源滤波方式具有以下缺点：谐振频率依赖于组件参数，因此只能对主要谐波进行滤波；滤波特性依赖于电网参数，由于电网的阻抗和频率随着电力系统的运行工况随时变化，LC网络的设计较困难；电网的参数与LC回路可能产生并联谐振，使谐波分量放大，导致电能质量下降。由于无源滤波具有这许多缺陷，人们一直努力寻求更加有效的滤波方式。

随着电力电子技术的发展，已研制出有源电力滤波器这一新型滤波设备。有源电力滤波器(active power filter，简称APF)是谐波抑制和无功补偿的先进设备，目前被广泛应用于实际的谐波治理与无功补偿，并取得了较好的效果。有源电力滤波器按连接方式分为并联型和串联型两种形式，常用方式为并联型。并联型电力有源滤波器的基本原理是：通过检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路的放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电源电流。

在实际运用中，常用三相逆变电路作为有源电力滤波器的主电路。使用三相逆变电路作为主电路时，死区设置不当，容易在三相桥臂间形成电流回路或造成短路。另外，也容易造成逆变器与系统的功率交换，增大其损失。

如图1a、图1b所示，用三相逆变电路接星型负载时，利用傅立叶分析可得图1中A相电压的瞬时值为

$v_{\mathrm{an}}=\frac{2}{\mathrm{\π}}{V}_D\{\sin \mathrm{\ωt}+\frac{1}{5}\sin 5\mathrm{\ωt}+\frac{1}{7}\sin 7\mathrm{\ωt}+\frac{1}{11}\sin 11\mathrm{\ωt}+\frac{1}{13}\sin 13\mathrm{\ωt}+\mathrm{\Λ}\}$

基波幅值   V_1m＝2V_D/π

无3次谐波，只含更高阶次谐波，n次谐波幅值为基波幅值的1/n。根据三相电路的对称性，B相和C相电压中也含有一定的谐波成分。由此可知，三相逆变器外接负载时，其本身也会产生一定的谐波，对系统造成影响。

现代应用中，对高电压、大功率的要求越来越高，采用传统三相逆变器作为有源电力滤波器的主电路，各开关期间承受的电压、电流也有越来越高的趋势。长期在这种环境下运行，器件的寿命及可靠性都不能保证，装置安全运行也受到威胁。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于α-β电流分量直接注入的有源电力滤波方法及其装置。该装置是一种新型的有源电力滤波器拓扑结构，可避免三相逆变器开关电路实现谐波补偿的相互影响，并能达到更好的实现高压大功率的谐波补偿。

本发明的目的是这样实现的：

基本思路是从坐标变换原理出发，推导出电流源电路的坐标变换模型，并将其引入至三相有源电力滤波装置，构成新型有源电力滤波装置。

1、有源电力滤波方法

包括下列步骤：

①引入“等量”坐标变换原理

下面以电流向量i为例，解释坐标变换原理，如图2所示。

若电流向量I与α轴间相角为θ，则I在α、β轴上投影和电流向量I在a、b、c三轴上的投影满足

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=M\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，M为坐标系(a，b，c)到坐标系(α，β)的变换矩阵。反之，也可以将静止的两相坐标系(α，β)等效地变为三相坐标系(a，b，c)。同样以电流为例，写成矩阵形式为

$\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=M^T\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，M^T为变换矩阵M的转置矩阵。

②运用三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止垂直坐标系(α，β)的变换原理推导出三相电流源模型对应的两相模型

设三相交流电流源I_abc为

式中₀——电流初始相位角；

    i_m——I_abc峰值。

经坐标变换后得

式中M——坐标系(a，b，c)到坐标系(α，β)的变换矩阵；

i_m——I_αβ0峰值；

i₀——三相电流零轴分量。

具体变换模型如图3所示。

③根据电流源变换模型，采用两相单相逆变器组构建新型三相有源电力滤波器模型

控制算法中，同时采用电压与电流的变换，可确保逆变器本身的电压与电流正交，使逆变器与系统交换的有功功率周期平均值为零，提高了系统运行的可控性。

2、有源电力滤波装置

运用两组单相逆变器组成三相有源电力滤波装置的主电路，如图5所示，由三相系统1、变压器2、逆变器组3组成；

第1变压器2.1和第2变压器2.2的原边串联后与第2逆变器组3.2的原边连接；

第3变压器2.3的原边与第1逆变器组3.1的原边连接；

第1变压器2.1、第2变压器2.2、第3变压器2.3的副边采用三角形连接后，分别接三相系统1的A、B、C相；

所述的第1逆变器组3.1、第2逆变器组3.2均由N个(N为1到20的自然数，视具体使用环境而定。)逆变器串联而成；

所述的逆变器是一种把直流电变成交流电的器件。

本装置的工作原理是：

第1逆变器组3.1、第2逆变器组3.2输出两相补偿电流，可以将此看作为两相电流源。运用图3所示变换的反变换，可以将这个两相的电流源变换为三相电流源，输出电流信号补偿系统电流中的谐波成分。具体变换过程是用两相电流源的电流矩阵乘以三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换矩阵M^T。在图5中，运用了变压器电磁比例关系，通过适当设置其变压器的变比，完成三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止坐标系(α，β)的反变换。变压器在这个过程中作为反变换矩阵M^T使用。这种拓扑结构直接采用两个逆变器组分别向三相系统1注入谐波电流，避免了三相逆变器开关电路实现谐波补偿的相互影响。

在实际运用中，本装置还要配合相应的控制电路联合工作。控制电流包括指令电流运算电路、电流跟踪控制电路和驱动电路。这三个电路联合为本装置提供控制信号，本装置在其控制下输出相应电流补偿系统谐波。对上述三个电路部分将另案申请。

本发明具有以下优点和积极效果：

①控制逆变器承受的电压u_α、u_β与所发出的电流i_αf、i_βf相位相差90°，见图4，使逆变器与系统不交换有功功率，避免了逆变器与系统的相互影响。

②运用单相逆变器实现主电路，有利于实现多电平技术，使此结构更有利于应用于高电压大功率场合。

③本发明可较好地达到谐波补偿的效果，并且避免了三相有源滤波装置所带来的相互影响，该电路拓扑结构可采用链式单相逆变器结构，实现高压大功率的谐波补偿。

本发明适用于高电压、大功率谐波补偿，并能改善补偿性能。

附图说明

图1a为电压型三相桥式逆变器电路图；

图1b为电压型三相桥式逆变器三角形负载图；

图2为坐标系(α，β)与坐标系(a，b，c)的  向量关系图；

图3为电流源变换模型示意图；

图4为补偿基波无功电流时电压电流向量图；

图5为本装置的主电路结构图；

图6a为负载处(即补偿前电源)电流波形图；

图6b为负载处(即补偿前电源)电流谐波分析图；

图7a为补偿后系统电流波形图；

图7b为补偿后系统电流谐波分析图。

其中：

1-三相系统；

2-变压器，包括：

2.1-第1变压器，2.2-第2变压器，2.3-第3变压器；

3-逆变器组，包括：

3.1-第1逆变器组，3.2-第2逆变器组。

具体实施方式

一、下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

1、所述的第1逆变器组3.1、第2逆变器组3.2均由3个逆变器串联而成。

采用3个逆变器串联比采用单个逆变器作为逆变主电路补偿效果更好，并且比采用更多逆变器串联较容易实现。

2、所述的第1变压器2.1、第2变压器2.2、第3变压器2.3其原边与副边的变比分别为：n₁∶N₁＝2∶1、n₂∶N₂＝2∶1、 $n_3{:N}_3=2:\sqrt{3};$

经仿真试验验证：只有采用这种比例设置，才能保证各三相电压、电流向量的幅值、相位三相条件(幅值相等，相位分别相差120°)。当然，根据使用需要还可以设置其它变比值。不过，需要注意隔离的问题，避免变压器间的相互影响。

3、本装置是运用变压器直接实现等效变换原理的一种实现方式，在这种将等效变换引入有源电力滤波装置的原理下，还可以采用多种方式实现这种等效变换的原理。例如，改变变压器的选择或连接方式的变化、改变电流输出点的连接方式等。

4、另外，对于多电平技术的运用，本装置采用了级联式多电平技术。在实际运用中还可以采取其它不同的方式，例如二极管箝位逆变器、电容箝位逆变器等。

根据多电平实现方式的不同还应适当选择调制方式来更好的实现逆变效果。

二、具体的补偿效果见图6a、6b、图7a、图7b。

可以看出，谐波含有率由最大值17％下降到0.1％以下，系统处谐波得到了很好的补偿。

Claims (1)

1.一种基于α-β电流分量直接注入的有源电力滤波方法，其特征在于：

①引入等量坐标变换原理；

②运用三相静止坐标系(a，b，c)到两相静止垂直坐标系(α，β)的变换原理推导出三相电流源模型对应的两相模型；

③根据电流源变换模型，采用两相单相逆变器组构建三相有源电力滤波器模型。

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