CN101707374A

CN101707374A - H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制电路

Info

Publication number: CN101707374A
Application number: CN200910238798A
Authority: CN
Inventors: 陈峻岭; 王平; 李耀华; 姜新建; 高聪哲
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2010-05-12

Abstract

一种用于H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制电路，包括一个单相变压器组(2)，该变压器组由m个单相变压器构成且原边绕组通过公共交流母线(1)并联连接；所述的m个单相变压器的n个副边绕组通过电感和直流隔离电容与n个单相半桥变换器相连接；n个单相半桥变换器分别与H桥级联型多电平变换器各级联功率单元的直流电压支撑电容相连；m和n为2或者2以上的自然数，且m≤n。本发明均衡控制电路，可均衡级联型多电平变换器相同级联功率单元中直流电容电压，还可均衡不同级联功率单元直流电容电压。

Description

H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制电路

技术领域

本发明涉及一种H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制电路。

背景技术

随着电力电子技术的发展，各种非线性电力电子装置在电力系统、工业(特别是冶金、钢铁、化工等)、交通、楼宇自动化及家庭中获得了广泛的应用，并且其装置容量不断增大和控制方式多样化等，使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，电网中的谐波污染状况日益严重。为了克服无源电力滤波器(passive power filter，PPF)的不足，谐波抑制装置一个重要的趋势是采用有源电力滤波器(active power filter，APF)，来满足谐波标准IEEE519-1992、GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的要求。与PPF相比，APF具有以下优点和特点：

1.具有多种补偿功能，不仅能够补偿各次谐波，还可以动态补偿无功功率和负序电流等；

2.滤波性能不受电网阻抗的影响，不会与电网阻抗发生串并联谐振；

3.谐波补偿特性不受电网频率变化的影响；

4.实现了谐波动态抑制，能够快速响应谐波的频率和大小发生的变化；

5.由于装置本身的输出能力有限，即使系统谐波含量增大也不会出现过载现象；

6.具有良好的性价比，一台APF可以完成多次谐波治理；

7.可以对一个谐波源单独治理，也可以同时对多个谐波源进行集中治理。

正因为APF具有很多优点和特点，越来越被用户接受和采用。但是由于受目前电力电子开关器件的限制，APF常用于低压供电系统谐波治理场合。对于中、高压大容量谐波治理场合，APF主电路一般需要采用开关器件的串、并联，多重化和多电平技术。采用开关器件的串、并联需要解决器件的动态均压、均流问题；多重化技术中采用的变压器具有饱和性和非线性，带来控制复杂、保护困难等问题。采用多电平技术是提高APF容量的一个重要的研究方向。

1996年，F.Z.Peng，J.S.Lai等人在“A Multilevel voltage-source inverter withseparate DC source for Static Var Generation(IEEE Transactions on IndustryApplications，1996，32(5)：1130-1138)”文中提出了H桥级联型多电平逆变器的拓补结构，这种结构已经应用于静止无功发生器(SVG)，大大提高了其容量，达到了兆乏等级。若将这种拓扑结构应用于APF中，可以显著提高APF对中高压大容量非线性负载的谐波补偿能力，具有广阔的应用前景。由于级联型多电平逆变器中各H桥模块的直流电容相互独立，电容电压的控制成为其应用的关键问题。在实际中，电网电压非正弦会造成APF与电网之间的有功交换，从而引起电容电压的改变；逆变桥的开关损耗和参数的分散性也会引起电容电压的不平衡；开关器件的触发脉冲之间的微小差异也会造成稳态电容电压不平衡。这些不平衡现象会导致功率开关承受的电压不一致，威胁装置的安全运行。

美国发明专利US6075350没有采用附加设备，对直流侧电容电压进行平衡控制，图1给出了a相直流侧电容电压控制方案.根据a相一个H桥单元电容电压v_{a_dc}与给定值v_{a_dc} ^*的差值，经过电容电压反馈控制得到θ_da，去调整a相级联H桥单元的导通角α_Ca，经过波形跟踪电路和脉冲周期轮换，得到每个H桥的门极信号，其中|V_Ca|为参考电压幅值。图2给出了5个H桥单元级联脉冲周期轮换原理，脉冲P1、P2、P3、P4、P5经过5个半波周期在5个H桥单元轮换一遍，使各H桥单元的吸收平均功率以及等效损耗基本相同，即各H桥单元的工作状况在平均意义上是一致的，从而抑制各H桥单元的电容电压不平衡，其中V_Ca1、V_Ca2、V_Ca3、V_Ca4、V_Ca5为各H桥单元输出电压。这种方法需要调节时间较长，常用于SVG、静止同步补偿器(STATCOM)等无功补偿装置。对于APF来说，其补偿电流为谐波电流，需要开关频率较高，各H桥的脉宽变化大，并且要求电容电压平衡迅速，因此在APF应用中，采用脉冲周期性轮换方法很难满足谐波治理的需要。中国专利03142679.4也对H桥级联型多电平逆变器直流侧电容电压进行平衡控制，通过附加的外部设备使H桥级联功率单元之间进行有功功率交换，从而实现电容电压的均衡控制，但是其采用功率开关器件较多，增加了系统成本和控制复杂性。

发明内容

本发明的目的是针对H桥级联型多电平变换器作为主电路的APF，提供一种需要较少功率开关器件的额外附加电路、适于谐波治理需要的直流侧电容电压均衡控制电路。

本发明的直流侧电容电压均衡控制电路包含以下特征：采用一个单相变压器组实现多个单相半桥变换器并联和电气隔离功能，该单相变压器组由m个单相变压器构成且其原边绕组按照同名端通过公共交流母线并联连接；所述的m个单相变压器的n个副边绕组通过电感和直流隔离电容串联电路与n个单相半桥变换器相连接，根据H桥级联型APF接入系统电压等级和功率开关器件的耐压等级，m和n为2或者2以上的自然数；所述的直流隔离电容和电感串联连接，用于将单相半桥变换器输出的交流电压中直流分量滤除，防止单相变压器饱和；其中该电感可以由单相变压器漏感取代；利用单相半桥变换器可以对H桥级联型多电平变换器级联功率单元的直流电容充电或者将直流电容电压逆变成交流电压；所述的单相半桥变换器分别与H桥级联型多电平变换器级联功率单元的直流电压支撑单元直流电容相连。

具体地，本发明控制电路包括公共交流母线、单相变压器组、直流隔离电容和电感串联电路组、单相半桥变换器组和H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组。所述单相变压器组由m个单相变压器组成，m个单相变压器由m个原边绕组和n个副边绕组构成，所述的m个原边绕组通过公共交流母线并联连接；直流隔离电容和电感串联电路组由n个串联的直流隔离电容和电感构成；单相半桥变换器组由n个单相半桥变换器构成；H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组由n个直流电容组成。所述的m个单相变压器的n个副边绕组通过电感和直流隔离电容串联电路组与组成单相半桥变换器组的n个单相半桥变换器一一对应相连接，所述的单相半桥变换器组中，每个单相半桥变换器分别与H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组中的直流电容相连。

本发明所采用单相变压器组由m个单相变压器组成且原边绕组按照同名端通过公共交流母线并联连接，每个单相变压器可拥有1或者1个以上副边绕组，m个单相变压器的副边绕组数为n，m和n为2或者2以上的自然数，且m≤n，每个副边绕组通过直流隔离电容和电感串联电路与一个单相半桥变换器连接，而且所采用的单相变压器参数一致.

本发明控制电路，通过单相半桥变换器、直流隔离电容和电感串联电路、单相变压器和公共交流母线，实现H桥级联型多电平变换器相同或者不同级联功率单元能量流动，进而达到直流电容电压均衡。

本发明所提供的H桥级联型多电平变换器直流侧电容电压均衡控制电路具有以下优点和特点：

本发明所述的控制电路，不仅具有均衡级联型有源电力滤波器相同级联功率单元中直流电容电压，而且还可以均衡不同级联功率单元直流电容电压，同时该电路所用功率开关器件较少，减少了装置的成本和控制复杂性，另外所采用的单相变压器参数一致，工艺较为简单，便于批量生产。本发明控制电路还适用于应用H桥级联型多电平变换器的其它应用场合，如静止同步补偿器(STATCOM)、静止无功发生器(SVG)、动态电压恢复器(DVR)等系统中的直流侧电容电压控制。

附图说明

图1是美国专利US6075350直流侧电容电压控制原理图；

图2是美国专利US6075350脉冲周期轮换技术原理图；

图3是本发明H桥级联型APF直流侧电容电压均衡控制电路图；

图4是单相变压器副边绕组、直流隔离电容和电感串联电路、单相半桥变换器和H桥级联型多电平变换器级联功率单元直流电容连接方式图；

图5是单相半桥变换器结构图；

图6是H桥级联功率单元结构图；

图7是本发明H桥级联型APF直流侧电容电压均衡控制电路图(单相变压器副边绕组个数为1时的控制电路)。

具体实施方式

图3是本发明H桥级联型APF直流侧电容电压均衡控制电路图。如图3所示，本发明直流电容电压均衡控制电路包括：公共交流母线1、单相变压器组2、直流隔离电容和电感串联电路组3、单相半桥变换器组4和H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组5。6为H桥级联型多电平变换器。所述单相变压器组2由m个单相变压器AT1、AT2、…、ATm组成，m个单相变压器AT1、AT2、…、ATm由m个原边绕组P_r1、P_r2、…、P_rm和n个副边绕组S_r1、S_r2、…、S_r(n-1)、S_rn构成，所述的m个原边绕组P_r1、P_r2、…、P_rm通过公共交流母线1并联连接；直流隔离电容和电感串联电路组3由n个串联的直流隔离电容和电感构成；单相半桥变换器组4由n个单相半桥变换器构成；H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组5由n个直流电容组成。所述的m个单相变压器的n个副边绕组S_r1、S_r2、…、S_r(n-1)、S_rn通过电感和直流隔离电容串联电路组3与组成单相半桥变换器组4的n个单相半桥变换器一一对应相连接，所述的单相半桥变换器组4中，每个单相半桥变换器分别与H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组5中的直流电容相连。每个单相变压器拥有1个或者1个以上副边绕组，m个单相变压器的副边绕组数为n，m和n为2或者2以上的自然数，且m≤n。图3中各部分连接方式具体描述如下：

图4所示为单相变压器副边绕组S_ri通过电感和直流隔离电容串联电路、单相半桥变换器与H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容相连接的结构图，其中7为电感和直流隔离电容串联电路，8为单相半桥变换器，9为直流电压支撑单元直流电容。如图4所示，单相半桥变换器8的f端连接直流电容Ci的阳极，单相半桥变换器8的g端连接直流电容Ci的阴极，单相半桥变换器8的e端与电感Lri和直流隔离电容Cri串联电路7的d端相连，电感和直流隔离电容串联电路7的c端与单相变压器副边绕组S_ri同名端a相连，副边绕组S_ri；非同名端b与单相半桥变换器8的g端相连，其中i＝1、2、…、n。图3中所述的单相半桥变换器与H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元的直流电容、直流隔离电容和电感串联电路和单相变压器副边绕组连接方式均与图4所示的该组单相变压器副边绕组的连接方式相同。

图5所示为图4所述的单相半桥变换器8的电路结构，所述的单相半桥变换器由两个功率开关器件Sb1和Sb2(例如IGBT等)及其反并联的二极管D1和D2串联而成，功率开关器件Sb1的集电极与二极管D1的阴极相连的一端为f端，功率开关器件Sb2的发射极与二极管D2的阳极相连的一端为g端，两个功率开关器件和反并联的二极管串联电路的中点为e端。

图3中的H桥级联型多电平变换器6由m个H桥级联功率单元H_a1、H_a2、…、H_am级联连接而成，也即是H_a1的y1端与H_a2的x2端相连、H_a2的y2端与H_a3的x3端相连、…、H_a(m-1)的y(m-1)端与H_am的xm端相连，其中每个级联功率单元的结构如图6所示的级联功率单元H_a1的结构。如图6所示，级联功率单元H_a1的结构由功率开关器件Sa11、Sa12、Sa13和Sa14(例如IGBT等)及其反并联二极管D11、D12、D13和D14构成，由Sa11、Sa12其反并联二极管D11、D12组成的单相半桥变换器和Sa13、Sa14其反并联二极管D13、D14组成的单相半桥变换器并联而成，两个单相半桥变换器的中点分别为x1端和y1端。其它级联功率单元H_a2、H_a3、…、H_am结构与H_a1结构相同。每个级联功率单元中直流电压支撑单元由两个直流电容串联连接，这两个直流电容用于将联功率单元直流电压分压成两个直流电压，使得两个直流电容电压为该级联功率单元直流侧直流电压的一半，每个直流电容按照图4所示的方式与相应的单相半桥变换器、直流隔离电容和电感串联电路和单相变压器副边绕组连接，单相变压器组2的原边绕组P_r1、P_r2、…、P_rm再通过公共交流母线1并联连接。图3所示的本发明H桥级联型APF直流侧电容电压均衡控制电路图，适用于H桥级联型多电平变换器6中，功率开关器件电压等级高于单相半桥变换器组4中功率开关器件电压等级的应用场合。

图7给出了单相变压器的副边绕组个数为1时的本发明的控制电路，包括公共交流母线1、单相变压器组2、直流隔离电容和电感串联电路组3、单相半桥变换器组4和H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容5。6为H桥级联型多电平变换器，其中单相变压器的副边绕组个数为1，此时单相变压器原边绕组和副边绕组个数相同，H桥级型多电平变换器6级联功率单元H_a1、H_a2、…、H_am中直流电压支撑单元直流电容与单相半桥变换器、直流隔离电容和电感串联电路和单相变压器副边绕组连接方式与图4所示的单相变压器副边绕组的连接方式相同。H桥级联型多电平变换器6中各级联功率单元直流电压支撑单元直流电容按照图4方式与对应的单相变压器组2的副边绕组相连，单相变压器组2的原边绕组P_r1、P_r2、…、P_rm再通过公共交流母线1并联连接.图7适合于H桥级联型多电平变换器6中功率开关器件电压等级与单相半桥变换器组4中功率开关器件电压等级相同时的应用场合.

Claims

1.一种用于H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制电路，其特征在于所述的控制电路包括：公共交流母线(1)、单相变压器组(2)、直流隔离电容和电感串联电路组(3)、单相半桥变换器组(4)和H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组(5)；所述单相变压器组(2)由m个单相变压器(AT1、AT2、…、ATm)组成，m个单相变压器(AT1、AT2、…、ATm)由m个原边绕组(P_r1、P_r2、…、P_rm)和n个副边绕组(S_r1、S_r2、…、S_r(n-1)、S_rn)构成，所述的m个原边绕组(P_r1、P_r2、…、P_rm)通过公共交流母线(1)并联连接；直流隔离电容和电感串联电路组(3)由n个串联的直流隔离电容和电感构成；单相半桥变换器组(4)由n个单相半桥变换器(H_b1、H_b2、…、H_bn)构成；H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组(5)由n个直流电容组成；所述的m个单相变压器的n个副边绕组(S_r1、S_r2、…、S_r(n-1)、S_rn)通过电感和直流隔离电容串联电路组(3)与所述单相半桥变换器组(4)的n个单相半桥变换器一一对应相连接，所述的单相半桥变换器组(4)中，每个单相半桥变换器分别与H桥级联型多电平变换器直流电压支撑单元直流电容组(5)中的直流电容相连；每个单相变压器拥有1个或者1个以上副边绕组，m个单相变压器的副边绕组数为n，m和n为2或者2以上的自然数，且m≤n。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于在所述的单相半桥变换器组(4)中，单相半桥变换器(8)的f端连接直流电容(Ci)的阳极，单相半桥变换器(8)的g端连接直流电容(Ci)的阴极，单相半桥变换器(8)的e端与电感(Lri)和直流隔离电容(Cri)串联电路(7)的d端相连，电感(Lri)和直流隔离电容(Cri)串联电路(7)的c端与单相变压器副边绕组(S_ri)同名端a相连，副边绕组(S_ri)非同名端b与单相半桥变换器(8)的g端相连，其中i＝1、2、…、n。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于所述的单相半桥变换器(8)由两个功率开关器件和反并联的二极管串联而成，功率开关器件(Sb1)的集电极与二极管(D1)的阴极相连的一端为f端，功率开关器件(Sb2)的发射极与二极管(D2)的阳极相连的一端为g端，两个功率开关器件和反并联的二极管串联电路的中点为e端。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于所述的H桥级联型多电平变换器(6)由m个H桥级联功率单元(H_a1、H_a2、…、H_am)级联连接而成，每个级联功率单元由两个单相半桥变换器并联而成，每个级联功率单元中直流电压支撑单元由两个直流电容串联连接。