CN101958549A - 多模块组合型三相并联有源电力滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多模块组合型三相并联有源电力滤波器,其各相主功率电路均由n个相同结构的模块单元串联而成,所述模块单元包括两个由功率管、二极管以及双串联电感构成的H桥和直流侧电容,其中两个H桥的双串联电感的中点分别作为模块单元的输入输出端子。本发明中,根据谐波算法和电流控制对象不同可以采样不同的电量,电流控制引入载波移相技术以提高有源滤波器的补偿容量和补偿效果。本发明可广泛适用于系统可靠性要求高、容量大的电网的谐波治理,如航空、航天、医疗机构、高精仪器制造等。
Description
技术领域:
本发明涉及一种多模块组合型三相并联有源电力滤波器,适用于高可靠性要求的各种大功率用电系统,属于电力谐波抑制技术领域。
背景技术:
早在20世纪20年代,电力系统谐波问题就引起了人们的注意。大量的高频谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生有害的影响,严重时会造成设备的损坏和电力系统事故。尤其是近年来电力电子设备的迅速增长,谐波危害也日趋严重。同时,无功功率也会对电网系统带来损耗增加,供电质量低等不良影响,因此如何解决电力系统中无功功率和谐波补偿,实现真正的“绿色电网”成为目前迫切需要解决的问题。
谐波和无功补偿装置的传统方法是采用LC调谐滤波器,因其结构简单廉价而广泛运用,但其阻抗固定,不能实现谐波和无功的动态补偿,其主体地位正逐渐被有源电力滤波器所取代。
迄今为止有源电力滤波器发展了多种拓扑结构,其中,最基本的拓扑结构是并联型、串联型和混合型等,以并联型结构应用更为广泛,研究也最多;针对大容量谐波及无功系统,目前主要采用了以下技术来实现滤波:(1)采用无源LC滤波器和有源电力滤波器的混合型系统;(2)采用多个器件串并技术;(3)采用多台小容量有源电力滤波器的并联运行实现大容量;(4)采用多重化技术提高功率管等效开关频率以实现大容量有源滤波器。
随着电力电子及相关技术进一步的发展以及电力市场的拓展,电网系统的容量必定会逐步提升,因此大容量有源电力滤波器有着良好的发展前景和潜在的技术经济效益。而且无论是多台并联运行还是多重化技术,其都是基于模块化的基本思想,因此基于模块化思想实现大容量有源电力滤波器将是一个重要的发展方向之一。
由于有源电力滤波器的主功率回路基本组成单元往往采用双开关管串联的半桥或全桥结构,开关管在高频开关工作时可能存在的危险。为了提高有源电力滤波器可靠性运行,往往是在控制手段上作出变化和改进,如增加死区时间等,这不仅影响有源电力滤波器的滤波特性,而且并没有从根本上解决桥臂直通的问题。因此,如何在不损失有源电力滤波器滤波特性的同时提高其可靠性,通过对有源电力滤波器的电路拓扑和控制策略的改进以达到谐波抑制和无功补偿的目的,对有源电力滤波器的在大容量谐波及无功治理的发展与应用有着重要意义。
发明内容
发明目的:
本发明的所要解决的技术问题是以高可靠性要求的大容量电网系统为对象针对现有技术的不足,提出一种多模块组合型三相并联有源电力滤波器,通过将功率管与二极管串联组成桥臂单元,完全杜绝桥臂直通的危险,并通过模块化级联结构的拓扑满足大容量电网的滤波要求,降低各功率器件电压等级,同时利用载波移相技术提高有源电力滤波器的谐波补偿特性。
技术方案:
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
一种多模块组合型三相并联有源电力滤波器,所述有源电力滤波器与交流电网的母线连接,所述交流电网是三相电源,所述交流电网的母线分别与三相滤波电感、三相负载连接;其中有源电力滤波器的输出端分别与三相电源的母线、三相滤波电感的输入端连接,三相滤波电感的输出端与三相负载连接;所述有源电力滤波器包括主功率电路、检测与采样装置、控制及驱动电路;所述主功率电路包括三相电路:A相电路、B相电路、C相电路,其中A相电路、B相电路、C相电路分别由n个结构相同的模块单元依次串联而成,n为自然数,且n≤5;所述三相电路的首端模块单元的输入端分别接入三相交流电网三相母线,所述三相电路的末端模块单元的输出端分别星形连接于三相APF的中性点;
交流电网的三相母线和中性点、交流电网输出侧、三相滤波电感的三相输入侧、主功率电路的三相输出侧和正负直流母线分别与检测与采样装置的输入端连接,检测与采样装置的输出端与控制及驱动电路的输入端连接,控制及驱动电路的输出端与主功率电路的输入端;
所述模块单元包括一个直流侧电容和第一H桥、第二H桥,其中直流侧电容跨接在模块单元的正负直流母线两端,直流侧电容和第一H桥、第二H桥相互并联,第一H桥的中点作为该模块单元的输入端子,第二H桥的中点作为该模块单元的输出端子。
进一步的,上述多模块组合型三相并联有源电力滤波器的第一H桥包括第一MOS管S1、第二MOS管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2;其中第一MOS管S1的源极与第一二极管D1的阴极相连、第二MOS管S2的漏极与第二二极管D2的阳极相连分别构成第一H桥的两个桥臂;第一MOS管S1的漏极和第二二极管D2的阴极连接模块单元的正直流母线,第一二极管D1的阳极和第二MOS管S2的源极连接模块单元的负直流母线;第一电感L1、第二电感L2相互串联后分别接前述第一H桥的两个桥臂的中点;所述第一H桥的中点为第一电感L1、第二电感L2的串联点;
所述第二H桥包括第三MOS管S3、第四MOS管S4、第三二极管D3、第四二极管D4、第三电感L3、第四电感L4;其中第三MOS管S3的源极与第三二极管D3的阴极相连、第四MOS管S4的漏极与第四二极管D4的阳极相连分别构成第二H桥的两个桥臂,第三MOS管S3的漏极和第四二极管D4的阴极接模块单元的正直流母线,第三二极管D3的阳极和第四MOS管S4的源极接模块单元的负直流母线;第三电感L3、第四电感L4相互串联后分别接前述第二H桥的两个桥臂的中点;所述第二H桥的中点为第三电感L3、第四电感L4的串联点。
进一步的,上述多模块组合型三相并联有源电力滤波器的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4的感值相同,第一H桥、第二H桥在模块单元里的连接方式可以互换。
进一步的,上述多模块组合型三相并联有源电力滤波器,当所述有源电力滤波器应用于三相三线制电网系统中,将N点与交流电网的中性线相连。
进一步的,上述多模块组合型三相并联有源电力滤波器的控制及驱动电路包括谐波检测运算电路、PWM电流控制和驱动电路。
进一步的,上述多模块组合型三相并联有源电力滤波器的检测与采样装置包括M个电压传感器和m个电流传感器,其中M、m均为正整数。
有益效果:
1.相对于传统桥式有源电力滤波器,能完全杜绝桥臂直通的危险,从而提高有源电力滤波系统的可靠性;
2.相对于传统桥式有源电力滤波器,能分别优化功率开关管和功率二极管,从而降低开关损耗,为进一步提高开关频率创造条件;
3.相对于单独桥式有源电力滤波器,直流侧电压降低,开关容量也降低,可以优化功率开关管的选取;
4.由于采用相同的电路结构,易实现模块化设计和组装;
5.实际开关频率相对低,等效开关频率高,电磁干扰,开关损耗较低,补偿特性好;能广泛用于三相三线制电网系统和三相四线制的大容量电网系统的谐波治理。
附图说明:
图1是本发明的多模块组合型三相并联有源电力滤波器结构示意图。
图2是图1中有源滤波器主功率电路中模块单元的电路结构示意图。
图3是本发明的单模块组合型三相并联有源电力滤波器结构示意图。
图4是本发明的双模块组合型三相并联有源电力滤波器结构示意图。
图5是本发明的单模块组合型三相并联有源电力滤波器应用于115V/400Hz电网的负载电流、补偿电流、电网电流和电网电压仿真波形。
图6是本发明的双模块组合型三相并联有源电力滤波器应用于115V/400Hz电网的负载电流、补偿电流、电网电流和电网电压仿真波形。
图中标号:1.三相交流电网,2.滤波电感,3.非线性负载,4.有源滤波器主功率电路,5.检测与采样装置,6.控制及驱动电路,7.模块单元,8.输入端子,9.第一H桥,10.第二H桥,11.直流侧电容,12.输出端子。
具体实施方案:
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述:
如图1所示,本发明的多模块组合型三相并联有源电力滤波器,包括交流电网1、非线性负载3分别是三相电源和三相负载;交流电网1三相交流母线串接滤波电感2后输入非线性负载3。多模块组合型三相并联有源电力滤波器包括主功率电路4、检测与采样装置5、控制及驱动电路6。主功率电路4三相电路均由相同结构的模块单元7串联而成;
如图2所示,每个模块单元均包括一个直流侧电容11和两个H桥;其中直流侧电容11跨接在有源滤波器正负直流母线两端,第一H桥9的双串联电感串联中点作为该模块单元输入端子8,第二H桥10的双串联电感串联中点作为该模块单元输出端子12;三相首端模块单元A1、B1、C1的输入端子8分别接入三相交流电网1三相母线,三相末端模块单元An、Bn、Cn的输出端子12星形连接于N点。检测与采样装置5包括多个电压传感器和电流传感器,多输入端分别与三相交流电网1三相母线和中性点、三相交流电网1输出侧、滤波电感2三相输入侧、有源电力滤波器三相输出侧和各模块单元正负直流母线相连,用以检测电网电压、电网电流、负载电流、补偿电流和各模块直流侧电压,输出端与控制算法及驱动电路6相连。控制算法及驱动电路6由谐波检测运算电路、PWM电流控制和驱动电路组成。检测与采样装置5输出信号通过谐波检测运算电路得到补偿电流参考信号,经过PWM电流控制环节输出控制信号,驱动电路对控制信号进行放大隔离,输入到主电路4中各模块单元7的两个H桥的MOS管栅极。
上述实施例中,第一H桥9中,MOS管S1源极与二极管D1阴极相连,MOS管S2漏极与二极管D2阳极相连分别构成第一H桥9的两个高可靠性桥臂,MOS管S1漏极和二极管D2阴极接正直流母线,二极管D1阳极和MOS管S2源极接负直流母线;双串联电感L1、L2两端分别接第一H桥9的两个高可靠性桥臂中点。第二H桥10中,MOS管S3源极与二极管D3阴极相连,MOS管S4漏极与二极管D4阳极相连分别构成第二H桥10的两个高可靠性桥臂,MOS管S3漏极和二极管D4阴极接正直流母线,二极管D3阳极和MOS管S4源极接负直流母线;双串联电感L3、L4两端分别接第二H桥10的两个高可靠性桥臂中点。
第一H桥9和第二H桥10中双串联电感L1、L2、L3、L4感值相同,第一H桥9和第二H桥10与其他部分的连接方式可以互换。
该有源电力滤波器应用于三相三线制电网系统中,针对三相四线制电网系统,将N点与中性线相连,即构成三相四线制的多模块组合型三相并联有源电力滤波器。
控制算法及驱动电路6中采用载波移相控制策略,A、B、C各相中各模块单元7中第一H桥9对应载波随k值增加依次滞后π/n,相同模块单元中第二H桥10和第一H桥9的MOS管对应载波反相,三相首端模块单元第一H桥9的MOS管对应载波相位一致。
附图3是本发明的单模块组合型三相并联有源电力滤波器结构示意图。每相只有一个模块,A1、B1、C1的输入端子8分别接入三相交流电网1三相母线,输出端子12星形连接于N点。
附图4本发明的双模块组合型三相并联有源电力滤波器结构示意图。每相存在两个串联模块,A1、B1、C1的输入端子8分别接入三相交流电网1三相母线,输出端子12接入A2、B2、C2的输入端子8,A2、B2、C2的输出端子12连接于N点。
在MATLAB软件环境下,对本发明建立了仿真模型,并进行了波形分析。附图5和图6是分别对应本发明的附图3和附图4拓扑应用于115V/400Hz电网的负载电流、补偿电流、电网电流和电网电压仿真波形。通过仿真发现本发明的电路拓扑具有良好的谐波补偿特性,电网电流经过补偿后不含有谐波和无功分量,电网电流THD分别为3.26%和0.97%,仿真结果表明:本发明能够较好实现电网谐波治理,而且随着n值提高,有源电力滤波器的补偿特性也会更好。
上述实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权力要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多模块组合型三相并联有源电力滤波器,所述有源电力滤波器与交流电网(1)的母线连接,所述交流电网(1)是三相电源,所述交流电网(1)的母线分别与三相滤波电感(2)、三相负载(3)连接;其中有源电力滤波器的输出端分别与三相电源的母线、三相滤波电感(2)的输入端连接,三相滤波电感(2)的输出端与三相负载(3)连接;其特征在于:所述有源电力滤波器包括主功率电路(4)、检测与采样装置(5)、控制及驱动电路(6),所述主功率电路(4)包括三相电路:A相电路、B相电路、C相电路,其中A相电路、B相电路、C相电路分别由n个结构相同的模块单元(7)依次串联而成,n为自然数,且n≤5;所述三相电路的首端模块单元的输入端分别接入三相交流电网(1)三相母线,所述三相电路的末端模块单元的输出端分别星形连接于三相APF的中性点N;
交流电网(1)的三相母线和中性点、交流电网(1)输出侧、三相滤波电感(2)的三相输入侧、主功率电路(4)的三相输出侧和正负直流母线分别与检测与采样装置(5)的输入端连接,检测与采样装置(5)的输出端与控制及驱动电路(6)的输入端连接,控制及驱动电路(6)的输出端与主功率电路(4)的输入端;
所述模块单元(7)包括一个直流侧电容(11)和第一H桥(9)、第二H桥(10),其中直流侧电容(11)跨接在模块单元(7)的正负直流母线两端,直流侧电容(11)和第一H桥(9)、第二H桥(10)相互并联,第一H桥(9)的中点作为该模块单元的输入端子(8),第二H桥(10)的中点作为该模块单元的输出端子(12)。
2.根据权利要求1所述的多模块组合型三相并联有源电力滤波器,其特征在于:
所述第一H桥(9)包括第一MOS管S1、第二MOS管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2;其中第一MOS管S1的源极与第一二极管D1的阴极相连、第二MOS管S2的漏极与第二二极管D2的阳极相连分别构成第一H桥(9)的两个桥臂;第一MOS管S1的漏极和第二二极管D2的阴极连接模块单元(7)的正直流母线,第一二极管D1的阳极和第二MOS管S2的源极连接模块单元(7)的负直流母线;第一电感L1、第二电感L2相互串联后分别接前述第一H桥(9)的两个桥臂的中点;所述第一H桥(9)的中点为第一电感L1、第二电感L2的串联点;
所述第二H桥(10)包括第三MOS管S3、第四MOS管S4、第三二极管D3、第四二极管D4、第三电感L3、第四电感L4;其中第三MOS管S3的源极与第三二极管D3的阴极相连、第四MOS管S4的漏极与第四二极管D4的阳极相连分别构成第二H桥(10)的两个桥臂,第三MOS管S3的漏极和第四二极管D4的阴极接模块单元(7)的正直流母线,第三二极管D3的阳极和第四MOS管S4的源极接模块单元(7)的负直流母线;第三电感L3、第四电感L4相互串联后分别接前述第二H桥(10)的两个桥臂的中点;所述第二H桥(10)的中点为第三电感L3、第四电感L4的串联点。
3.根据权利要求2所述的多模块组合型三相并联有源电力滤波器,其特征在于:所述第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4的感值相同,第一H桥(9)、第二H桥(10)在模块单元(7)里的连接方式可以互换。
4.根据权利要求1至3所述的多模块组合型三相并联有源电力滤波器,其特征在于:当所述有源电力滤波器应用于三相三线制电网系统中,将N点与交流电网(1)的中性线相连。
5.根据权利要求1所述的多模块组合型三相并联有源电力滤波器,其特征在于:所述控制及驱动电路(6)包括谐波检测运算电路、PWM电流控制和驱动电路。
6.根据权利要求1所述的多模块组合型三相并联有源电力滤波器,其特征在于:所述检测与采样装置(5)包括M个电压传感器和m个电流传感器,其中M、m均为正整数。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20110126 |