CN102130572B

CN102130572B - 一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器

Info

Publication number: CN102130572B
Application number: CN 201110108604
Authority: CN
Inventors: 杜雄; 张鸿魁; 周雒维
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: CN102130572A

Abstract

一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器。它是针对其三相整流桥交流侧的耦合元件为低频双向功率开关的和其耦合元件为阻抗的两种现有技术的改进，两个方案的共有特定技术特征是，把原相互串联的两个双向升压型功率变换器中须用的两个电容、四个高频功率开关管，改进为仅用一个电容、三个高频功率开关管了。与现有技术相比较，本发明不须设法平衡原有的两个电容之间的电压，就有较好的抑制谐波效果，也即：本发明既保持了现有技术之优点，同时又克服了其不足，且具有电路更简单，成本更低的优点。

Description

一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器

技术领域

本发明涉及在三相整流桥直流侧并联双向升压型功率变换器的有源电力滤波器。

背景技术

三相整流桥是电力系统中最主要的谐波源之一，为抑制其作用于负载的谐波分量，就出现了许多电力滤波装置，并联型有源电力滤波器（APF）就是这类装置之一。只是，由于传统的并联型有源电力滤波器都是并联在三相整流桥交流侧的，电压电流需在四象限运行而需要较多的高频功率开关，因此，其主电路的成本较高，控制电路也较复杂。为克服这一不足，公告号为CN100471016C、名称为《三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器》和申请号为（CN）2006100953953、名称为《一种采用阻抗耦合的三相整流桥有源电力滤波电路》均提出过较好的技术方案。虽然两者与三相整流桥交流侧的耦合元件有所不同，但两者均把该有源电力滤波器中由两个电容、两个电感和四个高频功率开关构成的以串联方式连接的两个双向升压型功率变换器，并联在整流桥的直流侧了。这样一来，现有的这两种有源电力滤波器的电压电流，就只需在两个象限运行，不但均据此减少了高频功率开关的数量，而且，其电路也相对简单、成本相对较低。然而，由于这两个的双向升压型功率变换器中，因串联而直接相对的两个电容和两个高频功率开关，又均必须把它们在串联处的接点连接起来（参考图3、4），于是，就带来了必须首先平衡两个电容的电压，否则，就不能对高频功率开关进行有效控制，进而造成抑制谐波（滤波）效果不好的问题。而要平衡这两个电容的电压，又要增加控制的复杂度，当然，也就必然要增大该装置的成本了。

发明内容

本发明的第一目的是针对其三相整流桥交流侧的耦合元件为低频双向功率开关的情况，提供一种在其双向升压型功率变换器中不需平衡电容电压，且其电路更简单，成本更低的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器。

本发明的第二目的是针对其三相整流桥交流侧的耦合元件为阻抗的情况，提供一种在其双向升压型功率变换器中不需平衡电容电压，且其电路更简单，成本更低的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器。

为达到所述第一目的，提供这样一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器（以下简称A方案），与现有技术相同的方面是，它包括两个双向升压型功率变换器、三个低频双向功率开关和控制电路；其中，三个低频双向功率开关在三相整流桥的交流侧与交流电网并联；两个双向升压型功率变换器是相互耦合的，耦合后构成的两个输入端，与负载一起并联在三相整流桥直流侧的正负输出端上；在两个双向升压型功率变换器中，包括有高频功率开关，电容和位于耦合后的两个双向升压型功率变换器的两个输入端处的电感Ⅰ和电感Ⅱ。其改进之处是，高频功率开关有三个，电容仅有一个，并按照高频功率开关Ⅰ、高频功率开关Ⅱ、电容、高频功率开关Ⅲ的顺序首尾连接；其中，电感Ⅰ的另一端连接在高频功率开关Ⅰ和高频功率开关Ⅲ之间的节点处，电感Ⅱ的另一端连接在高频功率开关Ⅱ和电容之间的节点处；三个低频双向功率开关的另一端，均连接在高频功率开关Ⅰ和高频功率开关Ⅱ之间的节点处。

为达到所述第二目的，提供这样一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器（以下简称B方案），与现有技术相同的方面是，它包括两个双向升压型功率变换器、三个阻抗和控制电路；其中，三个阻抗在三相整流桥的交流侧与交流电网并联；两个双向升压型功率变换器是相互耦合的，耦合后构成的两个输入端，与负载一起并联在三相整流桥直流侧的正负输出端上；在两个双向升压型功率变换器中，包括有高频功率开关，电容和位于耦合后的两个双向升压型功率变换器的两个输入端处的电感Ⅰ和电感Ⅱ。其改进之处是，高频功率开关有三个，电容仅有一个，并按照高频功率开关Ⅰ、高频功率开关Ⅱ、电容、高频功率开关Ⅲ的顺序首尾连接；其中，电感Ⅰ的另一端连接在高频功率开关Ⅰ和高频功率开关Ⅲ之间的节点处，电感Ⅱ的另一端连接在高频功率开关Ⅱ和电容之间的节点处；三个阻抗的另一端，均连接在高频功率开关Ⅰ和高频功率开关Ⅱ之间的节点处。

从上述两个方案中不难看出，相对于现有技术，两者都在其原有相互串联的两个双向升压型功率变换器中减少为只用一个电容，也即让两个双向升压型功率变换器共用一个电容。这样一来，就彻底克服了现有技术必须设法平衡原有的两个电容之间的电压，否则其抑制谐波的效果就不好之不足，然后再对高频功率开关进行有效控制，就能取得现有技术须在平衡了两个电容的电压之后，才能通过对高频功率开关进行有效控制所取得的滤波效果。验证也表明，本发明两种方案所抑制谐波的效果与现有技术相比较，基本看不出差别，都有很好的滤波作用。从上述两个方案中还可以看出，两者在减少为只用一个电容后，还同时减少了现有技术中须与该被减少电容所匹配的高频功率开关，又进一步地节省了一个元件。

简言之，本发明的两个方案均是既保持了现有技术之优点，同时又克服了其不足，且其电路更简单，成本更低的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器（DCAPF）。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——本发明A方案的电路原理图；

图2——公告号为CN100471016C之方案的电路原理图；

图3——本发明B方案的电路原理图；

图4——申请号为2006100953953之方案的电路原理图；

图5——本发明A方案的控制电路原理图；

图6——本发明B方案的控制电路原理图；

图7——一种阻抗网络实现方式示意图；

图8——三相电压区间划分图；

图9——低频双向功率开关时序图；

图10——本发明A方案区间Ⅱ等效图；

图11——高频功率开关时序图；

图12——本发明B方案区间Ⅱ等效图；

图13——本发明A方案的a相输入电流波形图；

图14——公告号为CN100471016C之方案a相输入电流波形图；

图15——本发明B方案的a相输入电流波形图；

图16——申请号为2006100953953之方案的a相输入电流波形图。

具体实施方式

本发明A方案：

一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器（参考图1），它包括两个双向升压型功率变换器、三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）和控制电路；其中，三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）在三相整流桥ZLQ的交流侧与交流电网DW并联；两个双向升压型功率变换器是相互耦合的，耦合后构成的两个输入端，与负载一起并联在三相整流桥ZLQ直流侧的正负输出端上；在两个双向升压型功率变换器中，包括有高频功率开关，电容和位于耦合后的两个双向升压型功率变换器的两个输入端处的电感ⅠL _p和电感ⅡL _n。在本发明中，高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）有三个，电容C仅有一个，并按照高频功率开关ⅠS _p1、高频功率开关ⅡS _n1、电容C、高频功率开关ⅢS _p2的顺序首尾连接；其中，电感ⅠL _p的另一端连接在高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅢS _p2之间的节点处，电感ⅡL _n的另一端连接在高频功率开关ⅡS _n1和电容C之间的节点处；三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）的另一端，均连接在高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅡS _n1之间的节点处。

如同公告号为CN100471016C、名称为《三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器》那样，在三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）的三条支路上也可以另外分别串联进各一个电感，也就是在图1中的a、b、c三处各串入一个电感。三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）也可以通过一个串联在公共连接点处的电感与两个串联的高频功率开关的连接点连接，也就是图1中的e处串入一个电感。

披露至此，本领域技术人员一定能够结合现有的相应控制电路，来实现本发明之A方案了。故，在此仅披露其中一种（参考图5）。

本发明A方案的控制电路包括：两个串接在三相整流桥ZLQ直流侧正、负输出端的各一个电流传感器（CT1、CT2）、并联在交流电网的相位检测电路VT1、与电容C并联的电压取样电路PT1，以及与两个电流传感器（CT1、CT2）的输出端、相位检测电路VT1的输出端、电压取样电路PT1的输出端连接的一个控制与驱动单元KZQDDY1；该控制与驱动单元KZQDDY1的输出端分别与三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）和三个高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）连接以用于驱动它们。

本发明B方案：

一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器（参考图3），它包括两个双向升压型功率变换器、三个阻抗（Za、Zb、Zc）和控制电路；其中，三个阻抗（Za、Zb、Zc）在三相整流桥ZLQ的交流侧与交流电网DW并联；两个双向升压型功率变换器是相互耦合的，耦合后构成的两个输入端，与负载一起并联在三相整流桥ZLQ直流侧的正负输出端上；在两个双向升压型功率变换器中，包括有高频功率开关，电容和位于耦合后的两个双向升压型功率变换器的两个输入端处的电感ⅠL _p和电感ⅡL _n。在本发明中，高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）有三个，电容C仅有一个，并按照高频功率开关ⅠS _p1、高频功率开关ⅡS _n1、电容C、高频功率开关ⅢS _p2的顺序首尾连接；其中，电感ⅠL _p的另一端连接在高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅢS _p2之间的节点处，电感ⅡL _n的另一端连接在高频功率开关ⅡS _n1和电容C之间的节点处；三个阻抗（Za、Zb、Zc）的另一端，均连接在高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅡS _n1之间的节点处。

如同申请号为（CN）2006100953953、名称为《一种采用阻抗耦合的三相整流桥有源电力滤波电路》一样，三个阻抗网络也有多种实现方式，而本发明的实现方式，或者进一步的特征是，其中的阻抗网络由三个阻抗连接成星型接法构成，流进该阻抗网络的总电流被三个阻抗支路均分。也就是说，三个阻抗的阻抗值相等（参考图7）。图7中的三个变压器（T1、T2、T3）具有相同的变比，三个变压器的一侧采用三角型接法，另一侧采用星型接法，便实现了本发明中所需要的阻抗网络。

披露至此，本领域技术人员一定能够结合现有的相应控制电路，来实现本发明之B方案了。故，在此仅披露其中一种（参考图6）。

发明B方案的控制电路包括：两个串接在三相整流桥ZLQ直流侧正、负输出端的各一个电流传感器（CT3、CT4）、并联在交流电网的相位检测电路VT2、与电容C并联的电压取样电路PT2，以及与两个电流传感器（CT3、CT4）的输出端、相位检测电路VT2的输出端、电压取样电路PT2的输出端连接的一个控制与驱动单元KZQDDY2；该控制与驱动单元KZQDDY2的输出端分别与三个高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）连接以用于驱动它们。

本领域技术人员清楚，本发明A方案和B方案所涉及的交流电网DW既可为市电电源，也可为发电机的输出。本领域技术人员同样清楚，根据其他条件或需要，A方案和B方案中的电感ⅠL _p和电感ⅡL _n的值可以相等，也可以不相等。

下面结合上述具体实施方式披露的电路，对其谐波治理过程作进一步的介绍。

在本发明的A方案中，其相位检测电路VT1通过检测电网电压得到三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）的控制时序，在每个工频周期内分成6个区间，三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）工作在二倍工频（参考图8、9）。在任意一个区间内，交流电网DW、三相整流桥ZLQ以及并联型直流侧有源电力滤波器可以等效为两个耦合的双向升压型功率变换器（参考图10，该图仅绘制出了区间Ⅱ的等效电路图）。两个变换器采用不同的调制方式（参考图11），一个采用上升沿调制，一个采用下降沿调制，即高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅡS _n1的信号分别由上升沿和下降沿调制方式取得，因为d _p1＋d _n1＞1（d _p1和d _n1分别代表高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅡS _n1的开关周期占空比），所以高频功率开关ⅠS _p1与高频功率开关ⅡS _n1不会同时关断，从而避免在高频功率开关ⅠS _p1与高频功率开关ⅡS _n1同时关断的时刻，因电感ⅠL _p和电感ⅡL _n的电流不同导致电路不能正常工作的问题，高频功率开关ⅢS _p2的驱动信号由高频功率开关ⅠS _p1、高频功率开关ⅡS _n1相与非取得。通过电流传感器（CT1、CT2）分别取得三相整流桥ZLQ输出电流信号，电压取样电路PT1取得直流侧电容C的电压信号，控制与驱动单元KZQDDY1可采用PWM调制方式产生各高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）的控制信号，并驱动本发明滤波电路中的低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）和高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）的通断，实现谐波治理的功能。

本发明B方案，在每个电网工频周期内分成6个区间（参考图8）。在任意一个区间内，交流电网DW、三相整流桥ZLQ以及并联型直流侧有源电力滤波器可以等效为两个耦合连接的双向升压型功率变换器（参考图12，该图仅绘制出了在区间Ⅱ的等效电路图）。两个变换器采用不同的调制方式（参考图11），一个采用上升沿调制，一个采用下降沿调制，即高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅡS _n1的信号分别由上升沿和下降沿调制方式取得，因为d _p1＋d _n1＞1（d _p1和d _n1分别代表高频功率开关ⅠS _p1和高频功率开关ⅡS _n1的开关周期占空比），所以高频功率开关ⅠS _p1与高频功率开关ⅡS _n1不会同时关断，从而避免在高频功率开关ⅠS _p1与高频功率开关ⅡS _n1同时关断的时刻，因电感ⅠL _p和电感ⅡL _n的电流不同导致电路不能正常工作的问题，高频功率开关ⅢS _p2的驱动信号由高频功率开关ⅠS _p1、高频功率开关ⅡS _n1相与非取得。通过电流传感器（CT3、CT4）分别取得三相整流桥ZLQ输出电流信号，电压取样电路PT2取得直流侧电容C的电压信号，控制与驱动单元KZQDDY2可采用PWM调制方式产生各高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）的控制信号，并驱动本方案滤波电路中的高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）的通断，实现谐波治理的功能。

本发明用matlab7.6仿真软件进行过模拟验证。

图13、14分别为本发明A方案和其中的两个电容在其电压平衡后的公告号CN100471016C的现有技术方案，分别模拟出的a相输入电流波形图。对比图13和图14的电流波形图后不难发现，本发明A方案和两个电容在其电压平衡后的公告号CN100471016C的现有技术方案，其a相输入电流的波形都十分接近正弦波，它们的功率因数近似为1，也即在抑制谐波方面，其效果几乎一样。

图15、16分别为本发明B方案和其中的两个电容在其电压平衡后的申请号2006100953953的现有技术方案，分别模拟出的a相输入电流波形图。对比图15和图16的电流波形图后不难发现，本发明B方案和两个电容的电压平衡后的申请号2006100953953的现有技术方案，其a相输入电流的波形，都十分接近正弦波，它们的功率因数近似为1，同样说明在抑制谐波方面，其效果几乎一样。

验证表明，本发明两种方案均“让两个双向升压型功率变换器共用一个电容”然后再“对高频功率开关进行有效控制”，就能彻底克服现有技术之不足的机理分析是准确的。确实具备既保持了现有技术之优点，同时又克服了其不足，且其具有电路更简单，成本更低的优越性。

特别说明：本发明中电感、电容及其各功率开关管的选择与现有滤波器选择的原则相同，故具体参数没有披露。

Claims

1.一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，它包括两个双向升压型功率变换器、三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）和控制电路；其中，三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）各自的一端在三相整流桥（ZLQ）的交流侧与交流电网（DW）并联；所述的两个双向升压型功率变换器是相互耦合的，耦合后构成的两个输入端，与负载一起并联在所述三相整流桥（ZLQ）直流侧的正负输出端上；在所述的两个双向升压型功率变换器中，包括有高频功率开关，电容和各自的一端与耦合后的两个双向升压型功率变换器的两个输入端连接的电感Ⅰ（L _p）和电感Ⅱ（L _n）；其特征在于，所述高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）有三个，电容（C）仅有一个，并按照高频功率开关Ⅰ（S _p1）、高频功率开关Ⅱ（S _n1）、电容（C）、高频功率开关Ⅲ（S _p2）的顺序首尾连接；其中，所述电感Ⅰ（L _p）的另一端连接在高频功率开关Ⅰ（S _p1）和高频功率开关Ⅲ（S _p2）之间的节点处，所述电感Ⅱ（L _n）的另一端连接在高频功率开关Ⅱ（S _n1）和电容（C）之间的节点处；所述的三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）的各另一端，均连接在高频功率开关Ⅰ（S _p1）和高频功率开关Ⅱ（S _n1）之间的节点处；

在所述高频功率开关Ⅰ（S _p1）和高频功率开关Ⅱ（S _n1）中，至少有一个在运行时是导通的；在所述的两个双向升压型功率变换器中，一个采用上升沿调制，一个采用下降沿调制，高频功率开关Ⅰ（S _p1）和高频功率开关Ⅱ（S _n1）的信号分别由上升沿和下降沿调制方式取得；所述的高频功率开关Ⅲ（S _p2）的驱动信号由高频功率开关Ⅰ（S _p1）、高频功率开关Ⅱ（S _n1）相与非取得。

2.根据权利要求1所述的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述控制电路包括：两个串接在三相整流桥（ZLQ）直流侧正、负输出端的各一个电流传感器（CT1、CT2）、并联在交流电网的相位检测电路（VT1）、与电容（C）并联的电压取样电路（PT1），以及与两个电流传感器（CT1、CT2）的输出端、相位检测电路（VT1）的输出端、电压取样电路（PT1）的输出端连接的一个控制与驱动单元（KZQDDY1）；该控制与驱动单元（KZQDDY1）的输出端分别与三个低频双向功率开关（S _a、S _b、S _c）和三个高频功率开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（S _p1、S _p2、S _n1）连接以用于驱动它们。

3.一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，它包括两个双向升压型功率变换器、三个阻抗（Za、Zb、Zc）和控制电路；其中，三个阻抗（Za、Zb、Zc）各自的一端在三相整流桥（ZLQ）的交流侧与交流电网（DW）并联；所述的两个双向升压型功率变换器是相互耦合的，耦合后构成的两个输入端，与负载一起并联在所述三相整流桥（ZLQ）直流侧的正负输出端上；在所述的两个双向升压型功率变换器中，包括有高频功率开关，电容和各自的一端与耦合后的两个双向升压型功率变换器的两个输入端连接的电感Ⅰ（L _p）和电感Ⅱ（L _n）；其特征在于，所述高频功率开关（S _p1、S _p2、S _n1）有三个，电容（C）仅有一个，并按照高频功率开关Ⅰ（S _p1）、高频功率开关Ⅱ（S _n1）、电容（C）、高频功率开关Ⅲ（S _p2）的顺序首尾连接；其中，所述电感Ⅰ（L _p）的另一端连接在高频功率开关Ⅰ（S _p1）和高频功率开关Ⅲ（S _p2）之间的节点处，所述电感Ⅱ（L _n）的另一端连接在高频功率开关Ⅱ（S _n1）和电容（C）之间的节点处；所述的三个阻抗（Za、Zb、Zc）的各另一端，均连接在高频功率开关Ⅰ（S _p1）和高频功率开关Ⅱ（S _n1）之间的节点处；

4.根据权利要求3所述的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述控制电路包括：两个串接在三相整流桥（ZLQ）直流侧正、负输出端的各一个电流传感器（CT3、CT4）、并联在交流电网的相位检测电路（VT2）、与电容（C）并联的电压取样电路（PT2），以及与两个电流传感器（CT3、CT4）的输出端、相位检测电路（VT2）的输出端、电压取样电路（PT2）的输出端连接的一个控制与驱动单元（KZQDDY2）；该控制与驱动单元（KZQDDY2）的输出端分别与三个高频功率开关Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（S _p1、S _p2、S _n1）连接以用于驱动它们。