CN102195289A - 一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于中压配电网谐波补偿装置技术领域的一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器。它由单调谐无源滤波器、三相H桥级联型多电平逆变器和控制系统组成。三相H桥级联型多电平逆变器由3个桥臂通过Y型(或△型)连接组成，每个桥臂由1-N个H桥逆变单元直接串联构成，4个具有反并联二极管的IGBT通过H桥连接后与直流电容器C_dc并联组成H桥逆变单元，直流电容器C_dc为H桥逆变单元的电压源。单调谐无源滤波器由电抗器和电容器串联组成。控制系统由谐波电流检测模块、谐波电流控制模块、PWM信号产生模块和直流侧电压控制模块构成。本发明结构简单、产品体积小、可靠性高，对开关器件的要求低和成本低。

Description

一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器

技术领域

本发明属于中压配电网谐波补偿装置技术领域，特别涉及一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器。

背景技术

随着电力电子技术的发展，变频调速装置、交直流电弧炉设备、大功率电解装置、电气化铁道机车牵引设备等大功率电力电子装置得到广泛应用。这些装置在大幅提高生产效率的同时，也给电力系统带来很大的谐波污染，造成用电设备过载、过热、损耗增加、电容器过电压、保护误动作等多种危害，因此电网谐波治理的需求在不断增加。

目前大量使用的无源滤波器存在谐波补偿特性受电网参数影响，容易导致电网阻抗发生谐振，且在大电流情况下容易过载等缺点。因此基于动态补偿谐波的新型电力电子装置即有源电力滤波器(Active Power Filter-有源电力滤波器)得到了广泛研究与应用，它是由全控电力电子器件构成的主动式综合补偿装置，并采取PWM控制的变流器来提供与补偿电流(或电压)大小相等、极性相反的电流(或电压)，以补偿负载所产生的有害电流(或电压)。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小变化的谐波进行补偿，不容易和电网阻抗发生谐振；并且因为可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。

但是，成本较高是限制有源电力滤波器推广的主要因素，对于在中高压电网，电网的基波电压全部施加在逆变器上，受开关器件耐压水平与容量的限制，有源电力滤波器的成本极高，使其很难在中高压电网中得到推广应用。而将有源电力滤波器与无源滤波器(Passive Filter-无源滤波器)结合而构成的混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter-混合型有源电力滤波器)是当今的发展趋势，它既弥补了无源滤波器的固有缺陷，又能充分发挥有源电力滤波器的优势，成为近年来的研究热点，混合型有源电力滤波器按基本拓扑结构可划分为并联型、串联型和混联型三种。

理论和实践证明，并联混合型有源电力滤波器是混合型有源电力滤波器三种基本拓扑结构中，综合性能最好的一种。它更好地结合了无源滤波器和有源电力滤波器的优点，造价较低、性能优良。这种结构能以较小的有源装置容量实现大容量的谐波补偿，并实现了将电压等级较低的半导体功率器件安全地用于高压系统的谐波补偿，因而有着广阔的发展和应用前景。其中，1990年H.Fujit等人提出将无源滤波器与有源电力滤波器相串联后与电网并联的混合滤波方案，如图1所示，其谐波主要由无源滤波器进行补偿，而有源电力滤波器用于改善无源滤波器的谐波补偿效果，抑制无源滤波器与电网阻抗之间的并联谐振。此外，LC谐振电路对于基波而言相当于一个大电容，承受了大部分的基波电压，在低压系统应用时，使得有源电力滤波器承受的基波电压较小，有源部分的容量减小。

级联H桥多电平逆变器主拓扑结构是由田纳西大学的F.Z.Peng等人于1996年提出的。如图2所示，它的每一个桥臂由N个单相全桥模块在交流侧串联构成，直流侧相互独立，而三个桥臂通过Y型(或△型)连接构成三相系统。相对于二极管钳位型多电平变流器和飞跨电容型多电平变流器，这种级联H桥多电平逆变器各变流器单元结构相同，由于采用了模块化设计和标准组件，便于工业化生产，投资成本低；直流侧电容相互独立，容易实现电压均衡；各变流器单元结构对称，开关频率低且损耗小，整机效率高。但是采用级联H桥多电平逆变器的有源电力滤波器要求控制多个独立直流电容电压，控制系统复杂。将其应用于高电压等级时，级联的单元模块较多，成本较高，结构较复杂，从而限制了其应用。

如图1所示的混合型有源电力滤波器的逆变器为普通的三相桥式逆变器，虽然结构简单，但面临开关器件的工作频率较高，直流侧电容电压偏高等缺点，很难在中高压场合得到应用。如图3所示的基于三相中性点钳位逆变器的并联混合型有源电力滤波器设计方案，是上述方案的改进，应用于6kV系统时，直流电容电压可降至接入点电压的20％左右，易于选用耐压水平较低、成本低的IGBT。与图2所示的方案比较，具有采用电力电子器件较少的优点。但该方式仍存在应用于较高电压等级(如我国的中压10kV系统)时电力电子器件承受电压较高的问题，对这一问题虽可考虑增加电平数解决，但将使逆变器结构复杂，同时存在逆变器工作可靠性降低(任一元件的损坏都会影响装置的正常工作)以及直流侧均压控制较复杂等问题。

发明内容

本发明针对上述缺陷公开了一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器。其技术方案如下：

一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器，其特征在于，由单调谐无源滤波器、三相H桥级联型多电平逆变器和控制系统组成。三相H桥级联型多电平逆变器和单调谐无源滤波器串联后与电网并联，控制系统连接谐波负载和三相H桥级联型多电平逆变器。所述单调谐无源滤波器滤除其调谐频次附近的谐波，三相H桥级联型多电平逆变器滤除其它频次的谐波，改善单调谐无源滤波器的滤波效果，控制系统通过采集负载侧电流和电压信号，经过计算分离出谐波电流参考值，控制三相H桥级联型多电平逆变器工作。

所述三相H桥级联型多电平逆变器由3个桥臂通过Y型(或△型)连接组成，每个桥臂由1-N个H桥逆变单元直接串联构成，4个具有反并联二极管的IGBT通过H桥连接后与直流电容器C_dc并联组成H桥逆变单元，直流电容器C_dc为H桥逆变单元的电压源，H桥逆变单元是三相H桥级联型多电平逆变器的基本功率单元。

所述单调谐无源滤波器由电抗器和电容器串联组成。

所述单调谐无源滤波器的调谐次数设计为6～7次。

所述控制系统由谐波电流检测模块、谐波电流控制模块、PWM信号产生模块和直流侧电压控制模块构成；谐波电流检测模块连接谐波负载和谐波电流控制模块，PWM信号产生模块连接谐波电流控制模块、直流侧电压控制模块和三相H桥级联型多电平逆变器，直流侧电压控制模块还与三相H桥级联型多电平逆变器连接。

谐波电流检测模块分离非线性负载侧谐波电流，谐波电流控制模块产生谐波电流控制信号，PWM信号产生模块产生开关器件IGBT的触发信号，直流侧电压控制模块控制各级联H桥模块直流侧电压均衡稳定。

本发明的有益效果包括：结构简单、产品体积小、可靠性高，并且相比于使用其他种类逆变器(例如二极管钳位式和飞跨电容式)，级联H桥多电平逆变器可以进一步的降低直流侧电容电压值，从而降低对于开关器件的要求以及降低成本。

附图说明

图1所示为将无源滤波器与有源电力滤波器相串联后与电网并联的混合滤波方案；

图2所示为级联H桥多电平逆变器主拓扑结构图；

图3所示为基于三相中性点钳位逆变器的混合型有源电力滤波器拓扑结构图；

图4所示为单调谐无源滤波器、三相H桥级联型多电平逆变器和控制系统组成的级联混合型有源电力滤波器的原理图；

图5所示为单调谐无源滤波器和三相H桥级联型多电平逆变器组成的级联混合型有源电力滤波器的主拓扑结构图；

图6～图10所示为本发明的模型三的仿真结果，图6与图7所示分别为负载的A相谐波检测值与装置A相电流输出值，图8所示为0.3秒装置接入前后电网A相电流波形的变化，图9与图10所示分别为装置接入前后电网A相电流的频谱。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图4所示，基于级联结构的混合型有源电力滤波器，由单调谐无源滤波器2、三相H桥级联型多电平逆变器1和控制系统组成。三相H桥级联型多电平逆变器1和单调谐无源滤波器2串联后与电网并联，控制系统连接谐波负载和三相H桥级联型多电平逆变器1。单调谐无源滤波器2滤除其调谐频次附近的谐波，对处于谐振频率附近的谐波电流呈低阻抗，对于基波相当于一个大电容，承担了大部分的基波电压，三相H桥级联型多电平逆变器1滤除其它频次的谐波，承受的基波电压非常小，主要作用是改善无源滤波器2的滤波特性，克服无源滤波器2易受电网特性的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。控制系统通过采集负载侧电流和电压信号，经过计算分离出谐波电流参考值，控制三相H桥级联型多电平逆变器1工作。

控制系统由谐波电流检测模块、谐波电流控制模块、PWM信号产生模块和直流侧电压控制模块构成；谐波电流检测模块连接谐波负载和谐波电流控制模块，PWM信号产生模块连接谐波电流控制模块、直流侧电压控制模块和三相H桥级联型多电平逆变器1，直流侧电压控制模块还与三相H桥级联型多电平逆变器1连接。谐波电流检测模块分离非线性负载侧谐波电流，谐波电流控制模块产生谐波电流控制信号，PWM信号产生模块产生开关器件IGBT的触发信号，来控制每个开关器件IGBT的导通和关闭，直流侧电压控制模块控制各级联H桥模块直流侧电压均衡稳定，可以控制各个H桥逆变单元3的直流侧电容电压稳定在参考值左右，。

如图5所示，单调谐无源滤波器2由电抗器4和电容器5串联组成，电抗器4即作为无源滤波器的组件又充当有源电力滤波器的连接电抗器，电抗器4可一分为二安装在电容器的两侧。

在综合考虑装置的复杂度与补偿性能，在选取单调谐滤波器参数时，考虑到调谐次数接近于7的单调谐无源滤波器具有更高的基频阻抗和相对较低的高频阻抗，对于开关纹波具有更高的衰减能力，对于5次谐波，也具有一定的补偿能力，且体积与成本相对于5次谐振的无源滤波器较小，无源滤波器的调谐次数也可以根据实际负载谐波特性灵活配置。

三相H桥级联型多电平逆变器1由3个桥臂通过Y型(或△型)连接组成，每个桥臂由1-N个H桥逆变单元3直接串联构成，4个具有反并联二极管的IGBT通过H桥连接后与直流电容器C_dc并联组成H桥逆变单元3，直流电容器C_dc为H桥逆变单元3的电压源，H桥逆变单元3是三相H桥级联型多电平逆变器1的基本功率单元。每个H桥逆变单元3并联有旁路电路，在H桥逆变单元3出现故障时将其旁路，逆变器仍能正常工作，旁路电路同时也有一定的滤波作用。

为了验证本发明的可行性和优越性，使用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC建立3个模型进行仿真对比。

模型一：H桥级联型13电平普通有源电力滤波器；

模型二：H桥级联型7电平混合型有源电力滤波器；

模型三：H桥级联型13电平混合型有源电力滤波器。

三个模型的负载为三相二极管整流电路，交流侧电抗为7mH，直流侧为15mH电抗器与50Ω阻串联。基本参数电网电压为6kV，电网频率50Hz，各H桥单元的直流侧电容值选为4700μF。下表给出了三个模型的仿真参数与仿真结果：

根据上表中的仿真数据可知，三个模型的接入后负载电流总谐波失真值接近，说明三个模型的滤波效果接近。

由模型一与模型二对比可知，在逆变器直流侧电容电压相同的情况下，采用混合型有源电力滤波器可以减少级联H桥单元的数量。

由模型一与模型三对比可知，若采用相同的级联H桥单元，则采用本发明的拓扑可以有效降低直流侧电容电压值。

模型三的仿真波形图参见图6～图10，图6为非线性负载侧A相谐波电流检测值(与实际谐波电流在相同时刻幅值相等相位相反)；图7为装置A相输出电流，与图6的谐波电流监测基本一致，因此可以抵消负载侧的谐波电流；图8为装置接入时刻(0.3秒)前后电网A相电流的波形图，可知滤波器接入后，电网电流质量得到明显改善；图9与图10分别是滤波器接入时刻(0.3秒)前后电网A相电流的频谱图，可以看出，滤波器接入后谐波明显减少。

Claims (6)

1.一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器，其特征在于，由单调谐无源滤波器(2)、三相H桥级联型多电平逆变器(1)和控制系统组成；三相H桥级联型多电平逆变器(1)和单调谐无源滤波器(2)串联后与电网并联，控制系统连接谐波负载和三相H桥级联型多电平逆变器(1)；单调谐无源滤波器(2)滤除其调谐频次附近的谐波，三相H桥级联型多电平逆变器(1)滤除其它频次的谐波，改善单调谐无源滤波器(2)的滤波效果，控制系统通过采集负载侧电流和电压信号，经过计算分离出谐波电流参考值，控制三相H桥级联型多电平逆变器(1)工作。

2.根据权利要求1所述的一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器，其特征在于，所述三相H桥级联型多电平逆变器(1)由3个桥臂通过Y型(或△型)连接组成，每个桥臂由1-N个H桥逆变单元(3)直接串联构成，4个具有反并联二极管的IGBT通过H桥连接后与直流电容器(5)C_dc并联组成H桥逆变单元(3)，直流电容器(5)C_dc为H桥逆变单元(3)的电压源，H桥逆变单元(3)是三相H桥级联型多电平逆变器(1)的基本功率单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器，其特征在于，所述单调谐无源滤波器(2)由电抗器(4)和电容器(5)串联组成。

4.根据权利要求3所述的一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器，其特征在于，所述单调谐无源滤波器(2)的调谐次数设计为6～7次。

5.根据权利要求1所述的一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器，其特征在于，所述控制系统由谐波电流检测模块、谐波电流控制模块、PWM信号产生模块和直流侧电压控制模块构成；谐波电流检测模块连接谐波负载和谐波电流控制模块，PWM信号产生模块连接谐波电流控制模块、直流侧电压控制模块和三相H桥级联型多电平逆变器(1)，直流侧电压控制模块还与三相H桥级联型多电平逆变器(1)连接。

6.根据权利要求6所述的一种基于级联结构的混合型有源电力滤波器，其特征在于，所述谐波电流检测模块分离非线性负载侧谐波电流，谐波电流控制模块产生谐波电流控制信号，PWM信号产生模块产生开关器件IGBT的触发信号，直流侧电压控制模块控制各级联H桥模块直流侧电压均衡稳定。

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