CN102545224A - 一种适用于中高压系统的简化型lc式混合有源电力滤波器 - Google Patents

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周柯
许飞
周一勇
覃奇
罗安
高立克
刘路
楚红波
宁文辉
刘鹏
王刚
谢宁
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Abstract

本发明公开了一种适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器。它由三个输出LC滤波器和三相二臂三电平逆变器组成，所述三相二臂三电平逆变器由两个三电平开关臂和一组串联的电容组成。本发明与采用二极管箝位式三电平逆变器的有源电力滤波器相比，其输出采用LC滤波器，可以大大减小逆变器的容量，并且减少了一个三电平开关臂，即只采用8个IGBT。在具有同样功能的前提下，与现有技术相比，本发明大大减小了补偿系统的硬件成本和复杂程度，提高了补偿系统的可靠性。

Description

一种适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器
技术领域
本发明涉及一种电力滤波器，具体是一种适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器。
背景技术
随着社会工业的发展，铁路交通，矿山冶金和石油石化行业中高压大功率负荷的投运，会产生大量的无功，负序和谐波电流，给电力系统中的发电、输电和变电设备的运行带来严重危害，增加系统的损耗，降低变压器出力等，严重影响电力系统的安全经济运行。因此，必须采取有效措施抑制大功率负荷产生的无功和谐波电流等电能质量问题。
针对上述的无功、谐波等问题，国内外学者已进行了一定的研究。大量的交流柔性输变电装置(FACTS)如APF，SATCOM和UPQC等被安装在工业现场来进行无功和谐波的动态补偿，提高电力系统的电能质量。但是APF和SATCOM一般用在低压场合，采用普通的两电平结构。由于现在高压对大功率补偿装置的需求极为渴望与迫切，传统的两电平PWM逆变器依靠单个的开关管显然承受不了直流侧的高压。除了高压缺陷以外，传统两电平逆变器还存在以下问题：1)高频产生很高的dv/dt和浪涌电压，引起电机绕组绝缘击穿；2)高频开关产生很大的器件电压应力和开关损耗，使效率降低；3)逆变器输出波形的谐波含量较大。
为了解决上述两电平的缺陷，1980年日本学者Nabae等人提出二极管中点箝位式(Neutral point clamped three-level inverter，NPCTLI)三电平结构的逆变器，如图1所示，这种结构可以使主电路开关管的电压降低一半，可以使dv/dt降低一半，由于输出多了一个电平，输出电压谐波含量减少。后来，有学者又提出了电容箝位式、H桥串联式、主管辅助箝位式等多种多电平的结构，这样有利于采用低压器件实现高压输出，减少了产品的设计，提高了设备的可靠性。但是这种多电平结构直接通过输出电感接电网，逆变器装置的交流侧需要承受电网的基波电压，从而导致装置的容量大、成本高。为此，在80年代日本学者赤木泰文提出了一种LC式混合有源滤波器，三相逆变器通过LC无源滤波器接入电网，有源部分可以向电网注入谐波电流用以补偿负载电流中的谐波分量，并且提供基波有功和无功电流以补偿无功和保持直流侧电压的稳定。由于LC滤波器的电容可以承担大部分的电网基波电压，可以大大减小有源部分的容量，所以这种结构得到了学者、专家的青睐。通过对比分析三电平逆变器和LC式混合有源滤波器两者优缺点的基础上，本专利提出了一种适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器，进一步简化混合有源滤波器的硬件结构，降低成本，提高系统的效率。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出一种结构简单、成本低、效率高的适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器。
本发明为解决上述技术问题的技术方案如是：
一种适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器，它由一个三电平逆变器和三个输出LC滤波器组成。其中：输出LC滤波器由电感L和电容C构成的三个单调谐滤波器组成；三相逆变器由a、b、c三相并联的，a相三电平开关臂由上对开关管Ta1和Ta2，下对开关管T′a1和T′a2及两个续流二极管Da1和Da2构成。三相逆变器的b相三电平开关臂由上对开关管Tb1和Tb2，下对开关管T′b1和T′b2及两个续流二极管Db1和Db2构成；三相逆变器的c相臂由电容C1和C2组成。
三电平逆变器通过三个输出LC滤波器连接到中高压电网；VSa，VSb，VSc分别是交流电源电压，逆变器的交流端输出电流为iCa，iCb，iCc；三相交流系统的c相直接连接到两直流电容的中点。
本发明的有益效果在于：本发明采用两个三电平开关臂和一组串联的电容组成一个三相逆变器，与采用二极管箝位式三电平逆变器的有源电力滤波器相比，其输出采用LC滤波器，可以大大减小逆变器的交流侧电压，故大大减小逆变器的容量和成本。与常规三电平逆变器相比，本发明结构减少了一个三电平开关臂，即只采用8个IGBT。在具有同样功能的前提下，与现有技术相比，本发明大大减小了补偿系统的硬件成本和复杂程度，提高了补偿系统的可靠性。
附图说明
图1为采用二极管箝位式三电平逆变器的有源电力滤波器结构图。
图2为三相LC式混合有源电力滤波器结构图。
图3为本发明的系统结构图。
图4为本发明的控制框图。
图中：二极管箝位式三电平逆变器1，输出电抗器2，LC输出滤波器3，三电平逆变器4。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为普通二极管箝位式三电平有源电力滤波器结构图。它由一个二极管箝位式三电平逆变器1和三个输出电抗器2组成。二极管箝位式三电平逆变器包括十二个功率开关器件和六个二极管。功率半导体器件所承受电压为直流母线电压的一半。普通NPCTLI会在交流侧端线电压会产生五个电压等级，输出波形畸变小，功率器件所承受的电压为udc的一半，但其使用了过多的功率器件，而且这种多电平结构直接通过输出电感接电网，逆变器装置的交流侧需要承受电网的基波电压，从而导致装置的容量大、成本高、损耗大。
图2为三相LC式混合有源滤波器结构图。图中，输出滤波器采用单调谐LC串联谐振电路，一般谐振频率为五次或者七次，以滤除该次谐波电流。在这种结构中，三相逆变器通过LC无源滤波器接入电网，有源部分可以向电网注入谐波电流用以补偿负载电流中的谐波分量，并且提供基波有功和无功电流以补偿无功和保持直流侧电压的稳定。由于LC滤波器的电容可以承担大部分的电网基波电压，可以大大减小有源部分的容量，而且LC滤波器在开关频率处呈现高阻抗，系统无需设置单独的开关纹波滤波器。该结构能补偿固定的基波无功功率，然后APF输出的谐波电流经过LC时会受到不同程度的衰减。总体来说，该种结构利用无源滤波器的低成本优势，来承担大部分的电网基波电压，大大减小逆变器的耐压等级，进而减少系统的容量和成本。
本发明的系统结构如图3所示，通过对比分析三电平逆变器和LC式混合有源滤波器两者优缺点的基础上，本发明提出了一种适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器，进一步简化混合有源滤波器的硬件结构，降低成本，提高系统的效率。它是由一个三电平逆变器4和三个输出LC滤波器3组成。图中，三相逆变器的A相三电平开关臂由上对开关管Ta1和Ta2，下对开关管T′a1和T′a2及两个续流二极管Da1和Da2构成；三相逆变器的B相三电平开关臂由上对开关管Tb1和Tb2，下对开关管T′b1和T′b2及两个续流二极管Db1和Db2构成；三相逆变器的C相臂由电容C1和C2组成。VSa，VSb，VSc分别是交流电源电压，滤波支路为LC串联支路，直流侧电容为C1和C2，逆变器的交流端输出电流为iCa，iCb，iCc。三相交流系统的C相直接连接到两直流电容的中点。
本发明提出的结构只需要两个三电平开关臂和一组串联的电容组成一个逆变器，与NPCTLI比较，节省了一臂功率开关器件，但具有相同的补偿能力，可以减少器件数量，降低开关损耗。通过LC滤波器的电容可以承担大部分的电网基波电压，可以大大减小有源部分的容量。总的来说，该结构结合了三电平逆变器和LC式混合有源滤波器两者优点，可以实现中高压系统的谐波、无功补偿，并且能大大减少系统的成本和容量。
本发明的控制框图如图4所示，针对该适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器，为了维持系统安全可靠的运行，这里采用一种电压外环PI控制方法，可以维持直流侧电压的稳定并弥补功率开关管的损失。将电压外环指令信号与期望补偿的无功和谐波电流参考信号相加，可以得到总的电流参考信号。为了实现内环电流的闭环跟踪，本专利采用了一种闭环PI控制方法来实现内环电流动态跟踪，通过PI控制可以得到逆变器的三相调制波。然后通过采用SPWM调制方法驱动开关管以获得期望的电流。整体控制框图如图4所示，具体方法如下：
1.首先通过检测逆变器直流电压udc，与期望的电压参考信号Uref相减进行闭环PI控制，输出为Iout。通过外环PI控制，可以实现udc的建立与稳定，无需外加独立直流电压源。
2.检测三相负载电流iLa，iLb，iLc，在以基波频率旋转的dq坐标下转换成瞬时有功电流id和瞬时无功电流iq。id和iq中的直流分量对应于负载电流中的基波分量，而交流分量则为负载电流中的谐波分量。
3.id和iq分别通过低通滤波器(lower passing filter，LPF)后，得到直流分量
Figure BSA00000658849300061
和
Figure BSA00000658849300062
4.直流有功分量
Figure BSA00000658849300063
与电压控制器的输出Iout叠加，可以得到
Figure BSA00000658849300064
直流分量无功
Figure BSA00000658849300065
与期望补偿的无功指令iqr叠加，可以得到
Figure BSA00000658849300066
这样系统能补偿期望的无功电流，并能稳定直流侧电压。
5.然后经过dq-1变换，得到电网电流的基波电流信号iaf，ibf和icf。
6.电网电流isa，isb，isc与基波电流信号iaf，ibf和icf作差，可以得到谐波、无功和有功指令信号总和
Figure BSA00000658849300067
7.谐波、无功和有功指令信号与检测到的逆变器输出的三相电流信号iCa，iCb，iCc作差后，然后进行PI调节与处理，可以得到逆变器的三相电压调制信号ua，ub，uc。
8.根据三相电压调制信号，采用SPWM调制方法生成PWM控制信号，经过驱动电路就可以控制IGBTs产生相应的谐波电流分量。

Claims (1)

1.一种适用于中高压系统的简化型LC式混合有源电力滤波器，其特征在于，它由一个三电平逆变器和三个输出LC滤波器组成，其中：输出LC滤波器由电感L和电容C构成的三个单调谐滤波器组成；三相逆变器由a、b、c三相并联的，a相三电平开关臂由上对开关管Ta1和Ta2，下对开关管T′a1和T′a2及两个续流二极管Da1和Da2构成；三相逆变器的b相三电平开关臂由上对开关管Tb1和Tb2，下对开关管T′b1和T′b2及两个续流二极管Db1和Db2构成；三相逆变器的c相臂由电容C1和C2组成；
三电平逆变器通过三个输出LC滤波器连接到中高压电网；VSa，VSb，VSc分别是交流电源电压，逆变器的交流端输出电流为iCa，iCb，iCc；三相交流系统的c相直接连接到两直流电容的中点。
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