CN101950969A - H桥级联型有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

一种H桥级联型有源电力滤波器，由A相阀电路LINKA、B相阀电路LINKB、C相阀电路LINKC与无源滤波电感支路，以星型或者三角型连接并入电网。每相阀电路包含公共交流母线、单相变压器组、直流隔离电容和电感串联电路组、单相H桥辅助变换器组和直流电压支撑单元直流电容组和单相H桥主变换器组，单相变压器组由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组与n个单相H桥辅助变换器相连接；n个单相H桥辅助变换器分别与n个单相H桥主变换器直流电压支撑电容相连；n个单相H桥主变换器级联后通过无源滤波电感支路与电网并联。

Description

H桥级联型有源电力滤波器

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器，特别涉及一种适用于大容量无功功率补偿和谐波抑制的H桥级联型有源电力滤波器。

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，谐波抑制装置的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 with separate DC source for Static Var Generation(IEEE Transactions on Industry Applications，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

本发明的目的是提供一种适于高压大容量无功功率补偿和谐波治理需要的H桥级联型APF。

本发明的H桥级联型有源电力滤波器包含以下特征：该H桥级联型有源电力滤波器由A相阀电路LINKA、B相阀电路LINKB、C相阀电路LINKC与无源滤波电感支路组成，以星型或者三角型连接并入电网。每相阀电路包含公共交流母线、单相变压器组、直流隔离电容和电感串联电路组、单相H桥辅助变换器组和直流电压支撑单元直流电容组和单相H桥主变换器组。每相阀电路采用一个单相变压器组实现多个单相H桥辅助变换器并联，实现电气隔离功能。所述的单相变压器组由m个单相变压器构成，所述的m个单相变压器的m个原边绕组的同名端和非同名端通过公共交流母线分别并联连接；所述的m个单相变压器的n个副边绕组通过直流隔离电容和电感串联电路与n个单相H桥辅助变换器相连接；所述的直流隔离电容和电感串联连接，用于将单相H桥辅助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H桥辅助变换器可以对直流电压支撑单元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n个单相H桥辅助变换器分别与n个单相H桥主变换器直流电压支撑电容一一相连；所述的n个单相H桥主变换器级联后通过无源滤波电感支路与电网并联。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。

本发明的H桥级联型有源电力滤波器一方面从电网中吸收有功电流来保证各相直流电容电压之和维持设定值，另一方面通过单相H桥辅助变换器组、直流隔离电容和电感串联电路组、单相变压器组和公共交流母线，实现H桥主变换器相同或者不同级联功率单元能量流动，进而达到直流电容组电压均衡。

本发明所述的控制电路，不仅具有均衡级联型APF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，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。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

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桥级联型有源电力滤波器以星型连接方式并入电网结构图；

图4是单相H桥辅助变换器结构图；

图5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H桥辅助变换器和单相H桥主变换器和直流电容连接方式图；

图6是本发明H桥级联型APF以三角型连接方式并入电网电路图；

图7是本发明单相变压器副边绕组个数为1时的H桥级联型APF电路图。

具体实施方式

图3是本发明H桥级联型APF电路图。如图3所示，所述的H桥级联型有源电力滤波器由A相阀电路LINKA 1、B相阀电路LINKB 2、C相阀电路LINKC 3与无源滤波电感支路4构成，以星型连接方式并入电网。所述的A相阀电路LINKA 1、B相阀电路LINKB 2和C相阀电路LINKC 3结构相同。每相阀电路由公共交流母线5、单相变压器组6、直流隔离电容和电感串联电路组7、单相H桥辅助变换器组8、直流电压支撑单元直流电容组9和单相H桥主变换器组10构成。所述单相变压器组6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5并联连接；直流隔离电容和电感串联电路组7由n个串联的直流隔离电容和电感构成；单相H桥辅助变换器组8由n个单相H桥辅助变换器：H_b1、H_b2、…、H_bn构成；直流电压支撑单元直流电容组9由n个直流电容C1、C2、…、Cn组成；单相H桥主变换器组10由n个单相H桥主变换器：H_a1、H_a2、…、H_an构成；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通过直流隔离电容和电感串联电路组7与所述单相H桥辅助变换器组8的n个单相H桥辅助变换器一一对应相连接，所述的单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器和单相H桥主变换器组10中的单相H桥主变换器的正端连接相应直流电压支撑单元直流电容组9中相应直流电容的阳极，负端连接相应直流电压支撑单元直流电容组9中相应直流电容的阴极；每个单相变压器拥有2个副边绕组，m为2或者2以上的自然数。

如图3所示，单相H桥主变换器组10中各单相H桥主变换器按照级联方式连接，也即是第一单相H桥主变换器(H_a1)的出线端与第二单相H桥主变换器(H_a2)的进线端相连、第二单相H桥主变换器(H_a2)的出线端与第三单相H桥主变换器(H_a3)的进线端相连，…，第n-1单相H桥主变换器(H_a(n-1))的出线端与单相H桥主变换器(H_an)的进线端相连。

图4所示为所述的单相H桥辅助变换器的结构图，所述的单相H桥辅助变换器由第一、二、三、四功率开关器件S1、S2、S3和S4及与其反并联的第一、二、三、四二极管D1、D2、D3和D4组成，第一功率开关器件S1与与其反并联的第一二极管D1和第二功率开关器件S2与与其反并联的第二二极管D2串联构成一个单相半桥变换器，第三功率开关器件S3及与其反并联的第三二极管D3和第四功率开关器件S4及与其反并联的第四二极管D4串联构成另一个单相半桥变换器，这两个单相半桥变换器并联构成单相H桥辅助变换器，第一二极管D1和第三二极管D3的阴极端为单相H桥辅助变换器的正端，第二二极管D2和第四二极管D4的阳极端为单相H桥辅助变换器的负端，两个单相半桥变换器的中点分别为进线端和出线端。功率开关器件S1、S2、S3和S4为IGBT和IGCT等。所述的单相H桥主变换器的电路结构与所述的单相H桥辅助变换器的电路结构相同。

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7与所述单相H桥辅助变换器组8的n个单相H桥辅助变换器一一对应相连接，所述的单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器和单相H桥主变换器组10中的单相H桥主变换器的正端连接相应直流电压支撑单元直流电容组9中相应直流电容的阳极，负端连接相应直流电压支撑单元直流电容组9中相应直流电容的阴极。

下面以图5为例说明单相变压器副边绕组与直流隔离电容和电感串联电路组7中相应的直流隔离电容和电感串联电路、单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器、直流电压支撑单元直流电容组9中的直流电容和单相H桥主变换器组10中的单相H桥主变换器的连接方式。

图5所示为单相变压器副边绕组S_ri与直流隔离电容和电感串联电路组7中相应的直流隔离电容和电感串联电路11、单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器12与直流电压支撑单元直流电容组9中的直流电容Ci 13和单相H桥主变换器组10中的单相H桥主变换器14连接方式。单相H桥辅助变换器12和单相H桥主变换器14的正端连接所述的直流电容Ci 13的阳极，单相H桥辅助变换器12和单相H桥主变换器14的负端连接所述的直流电容Ci 13的阴极。所述的单相H桥辅助变换器12的进线端与直流隔离电容和电感串联电路组7中的直流隔离电容Cri和电感Lri串联电路11的d端相连，直流隔离电容Cri和电感Lri串联电路11的c端与单相变压器副边绕组S_ri同名端a相连，单相变压器副边绕组S_ri非同名端b与单相H桥辅助变换器12的出线端相连。图3所示的单相变压器组6中的副边绕组和与之相对应的直流隔离电容和电感串联电路组7中直流隔离电容和电感串联电路、单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器、直流电压支撑单元直流电容组9中的直流电容和单相H桥主变换器组10中的单相H桥主变换器连接方式均与图5所示的单相变压器副边绕组S_ri与直流隔离电容和电感串联电路11、单相H桥辅助变换器12与直流电压支撑单元中的直流电容13和单相H桥主变换器14的连接方式相同。

如图3所示，A相阀电路LINKA 1的单相H桥主变换器组10中单相H桥主变换器H_a1的进线端A1通过无源滤波电感支路4的电感La接入交流电网A相；B相阀电路LINKB 2的进线端B1通过无源滤波电感支路4的电感Lb接入交流电网B相；C相阀电路LINKC 3的进线端C1通过无源滤波电感支路4的电感Lc接入交流电网C相；A相阀电路LINKA 1的单相H桥主变换器组10中单相H桥主变换器H_an的出线端A2与B相阀电路LINKB 2的出线端B2和C相阀电路LINKC 3的出线端C2连在一起。

图6所示为本发明的H桥级联型有源电力滤波器以三角形连接方式并入电网的结构图。图6中A相阀电路LINKA 1、B相阀电路LINKB 2和C相阀电路LINKC 3的结构与图3相同。A相阀电路LINKA 1的进线端A1通过无源滤波电感支路4的电感La与C相阀电路LINKC 3的出线端C2连在一起后接入交流电网A相；B相阀电路LINKB 2的进线端B1通过无源滤波电感支路4的电感Lb与A相阀电路LINKA 1的出线端A2连在一起后接入交流电网B相；C相阀电路LINKC 3的进线端C1通过无源滤波电感支路4的电感Lc与B相阀电路LINKB 2的出线端B2连在一起后接入交流电网C相。

图7所示为单相变压器的副边绕组个数为1时的本发明的一个实施例。如图7所示，所述的H桥级联型有源电力滤波器由A相阀电路LINKA 1、B相阀电路LINKB 2、C相阀电路LINKC 3与无源滤波电感支路4构成，以星型连接方式并入电网：所述的A相阀电路LINKA 1的进线端A1通过无源滤波电感支路4的电感La接入交流电网A相；B相阀电路LINKB 2的进线端B1通过无源滤波电感支路4的电感Lb接入交流电网B相；C相阀电路LINKC 3的进线端C1通过无源滤波电感支路4的电感Lc接入交流电网C相；A相阀电路LINKA 1的出线端A2与B相阀电路LINKB 2的出线端B2和C相阀电路LINKC 3的出线端C2连接。

所述的A相阀电路LINKA 1、B相阀电路LINKB 2和C相阀电路LINKC 3结构相同。每相阀电路由公共交流母线5、单相变压器组6、直流隔离电容和电感串联电路组7、单相H桥辅助变换器组8和直流电压支撑单元直流电容组9和单相H桥主变换器组10构成。所述单相变压器组6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m个副边绕组S_r1、S_r2、…、S_r(m-1)、S_rm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5并联连接；直流隔离电容和电感串联电路组7由m个串联的直流隔离电容和电感构成；单相H桥辅助变换器组8由m个单相H桥辅助变换器：H_b1、H_b2、…、H_bm构成；直流电压支撑单元直流电容组9由m个直流电容C1、C2、…、Cm组成；单相H桥主变换器组10由m个单相H桥主变换器：H_a1、H_a2、…、H_am构成；所述的m个单相变压器的m个副边绕组S_r1、S_r2、…、S_r(m-1)、S_rm通过直流隔离电容和电感串联电路组7与所述单相H桥辅助变换器组8的m个单相H桥辅助变换器一一对应相连接，所述的单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器和单相H桥主变换器组10中的单相H桥主变换器的正端连接相应直流电压支撑单元直流电容组9中相应直流电容的阳极，负端连接相应直流电压支撑单元直流电容组9中相应直流电容的阴极；每个单相变压器拥有1个副边绕组，m为2或者2以上的自然数。图7中所述的单相变压器组6中的副边绕组和与之相对应的直流隔离电容和电感串联电路组7中直流隔离电容和电感串联电路、单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器、直流电压支撑单元直流电容组9中的直流电容和单相H桥主变换器组10中的单相H桥主变换器连接方式均与图5所示的单相变压器副边绕组的连接方式相同。

Claims (7)

1.一种H桥级联型有源电力滤波器，其特征在于所述的H桥级联型有源电力滤波器由A相阀电路LINKA(1)、B相阀电路LINKB(2)、C相阀电路LINKC(3)与无源滤波电感支路(4)构成，以星型或者三角型连接方式并入电网；所述的A相阀电路LINKA(1)、B相阀电路LINKB(2)和C相阀电路LINKC(3)结构相同，每相阀电路包含公共交流母线(5)、单相变压器组(6)、直流隔离电容和电感串联电路组(7)、单相H桥辅助变换器组(8)、直流电压支撑单元直流电容组(9)和单相H桥主变换器组(10)。

2.根据权利要求1所述的H桥级联型有源电力滤波器，其特征在于所述的单相变压器组(6)由m个单相变压器(AT1、AT2、…、ATm)组成，m个单相变压器(AT1、AT2、…、ATm)的m个原边绕组(P_r1、P_r2、…、P_rm)通过公共交流母线(5)并联连接，m个单相变压器(AT1、AT2、…、ATm)的n个副边绕组(S_r1、S_r2、…、S_r(n-1)、S_rn)通过直流隔离电容和电感串联电路组(7)与所述单相H桥辅助变换器组(8)的n个单相H桥辅助变换器一一对应相连接；直流隔离电容和电感串联电路组(7)由n个串联的直流隔离电容和电感构成；单相H桥辅助变换器组(8)由n个单相H桥辅助变换器(H_b1、H_b2、…、H_bn)构成；直流电压支撑单元直流电容组(9)由n个直流电容(C1、C2、…、Cn)组成；单相H桥主变换器组(10)由n个单相H桥主变换器(H_a1、H_a2、…、H_an)构成；所述的单相H桥辅助变换器组(8)中的单相H桥辅助变换器和单相H桥主变换器组(10)中的单相H桥主变换器的正端连接直流电压支撑单元直流电容组(9)中相应的直流电容(C1、C2、…、Cn)的阳极，所述的单相H桥辅助变换器组(8)中的单相H桥辅助变换器和单相H桥主变换器组(10)中的单相H桥主变换器的负端连接相应直流电压支撑单元直流电容组(9)中相应的直流电容(C1、C2、…、Cn)的阴极；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。

3.根据权利要求2所述的H桥级联型有源电力滤波器，其特征在于在所述的单相H桥辅助变换器由第一、二、三、四功率开关器件(S1、S2、S3、S4)及与其反并联的第一、二、三、四二极管(D1、D2、D3和D4)组成；第一功率开关器件(S1)与第一二极管(D1)和第二功率开关器件(S2)与第二二极管(D2)串联构成一个单相半桥变换器，第三功率开关器件(S3)与第三二极管(D3)和第四功率开关器件(S4)与第四二极管(D4)串联构成另一个单相半桥变换器，这两个单相半桥变换器并联构成单相H桥辅助变换器，其中第一二极管(D1)和第三二极管(D3)的阴极端为单相H桥辅助变换器的正端，第二二极管(D2)和第四二极管(D4)的阳极端为单相H桥辅助变换器的负端，所述的两个单相半桥变换器的中点分别为进线端和出线端；所述的单相H桥主变换器的电路结构与所述的单相H桥辅助变换器的电路结构相同。

4.根据权利要求2所述的H桥级联型有源电力滤波器，其特征在于所述的单相H桥主变换器组(10)中各单相H桥主变换器按照级联方式连接，即第一单相H桥主变换器(H_a1)的出线端与第二单相H桥主变换器(H_a2)的进线端相连、第二单相H桥主变换器(H_a2)的出线端与第三单相H桥主变换器(H_a3)的进线端相连，…，第n-1单相H桥主变换器(H_{a (n-1)})的出线端与单相H桥主变换器(H_an)的进线端相连。

5.根据权利要求2所述的H桥级联型有源电力滤波器，其特征在于，所述的单相变压器的副边绕组(S_ri)与相应的直流隔离电容和电感串联电路(11)、单相H桥辅助变换器(12)与直流电压支撑单元直流电容(13)和单相H桥主变换器(14)相连接，其中单相H桥辅助变换器(12)和单相H桥主变换器(14)的正端连接直流电压支撑单元直流电容(13)的阳极，单相H桥辅助变换器(12)和单相H桥主变换器(14)的负端连接直流电压支撑单元直流电容(13)的阴极；所述的单相H桥辅助变换器(12)的进线端与直流隔离电容(Cri)和电感(Lri)串联电路(11)的d端相连，直流隔离电容(Cri)和电感(Lri)串联电路(11)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H桥辅助变换器(12)的出线端相连；其余单相变压器的副边绕组和与之相对应的直流隔离电容和电感串联电路组(7)中直流隔离电容和电感串联电路、单相H桥辅助变换器组8中的单相H桥辅助变换器、直流电压支撑单元直流电容组(9)中的直流电容和单相H桥主变换器组(10)中的单相H桥主变换器连接方式均与此相同。

6.根据权利要求1所述的星型连接方式H桥级联型有源电力滤波器，其特征在于，所述的A相阀电路LINKA(1)单相H桥主变换器H_a1的进线端A1通过无源滤波电感支路(4)的电感La接入交流电网A相；B相阀电路LINKB(2)的进线端B1通过无源滤波电感支路(4)的电感Lb接入交流电网B相；C相阀电路LINKC(3)的进线端C1通过无源滤波电感支路(4)的电感Lc接入交流电网C相；A相阀电路LINKA(1)的单相H桥主变换器组(10)中单相H桥主变换器H_an的出线端A2与B相阀电路LINKB(2)的出线端B2和C相阀电路LINKC(3)的出线端C2连在一起。

7.根据权利要求1所述的三角形连接方式H桥级联型有源电力滤波器，其特征在于，所述的A相阀电路LINKA(1)的进线端A1通过无源滤波电感支路(4)的电感La与C相阀电路LINKC(3)的出线端C2连在一起后接入交流电网A相；B相阀电路LINKB(2)的进线端B1通过无源滤波电感电路(4)的电感Lb与A相阀电路LINKA(1)的出线端A2连在一起后接入交流电网B相；C相阀电路LINKC(3)的进线端C1通过无源滤波电感电路(4)的电感Lc与B相阀电路LINKB(2)的出线端B2连在一起后接入交流电网C相。

Images