CN102611108B - 三电平三相四线有源电力滤波器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三电平三相四线有源电力滤波器及其控制方法，滤波器包括两个电容、三电平逆变桥、前级LC输出滤波器、后级LC输出滤波器和并网开关；两电容的中点直接接电网中性线，两个电容串接后与三电平逆变桥的3个桥臂并联；所述的三电平逆变桥为三相二极管钳位型三电平逆变桥；三电平逆变桥的输出端依次经前级LC输出滤波器、后级LC输出滤波器和并网开关接入到三相四线电源中的三相电源中。其控制方法为通过三个控制环的控制和滞环比较器实现对三电平三相四线有源电力滤波器进行控制。本发明采用分相控制，有效解决了配电网中三相不平衡谐波滤波和零序谐波问题，解决了两电容之间的电压平衡和电压稳定问题。

Description

三电平三相四线有源电力滤波器及其控制方法

技术领域

本发明属于有源电力滤波技术，涉及一种三电平三相四线有源电力滤波器及其控制方法。

背景技术

随着生活水平的提高，家用电器的使用越来越频繁，品种越来越多，而许多家用电器都是直流供电，使得配电网中的整流器越来越多，导致配电网中的谐波污染日趋严重。目前在建筑配电设计时，往往并没有考虑谐波的影响，当谐波含量过大时，就会引起跳闸，严重影响了人民的日常生活。

对谐波的治理主要分为无源电力滤波和有源电力滤波两种方式。前者利用电感和电容串联构成一条谐波通路，通过设计不同参数的电感值和电容值可以使该通路在某次谐波频率处阻抗为0，因而该次谐波直接通过这个通路旁路掉，而不会流入公网中；后者由开关器件组成，是一种电力电子装置，能补偿任意频率和大小的谐波，补偿特性不受电网阻抗和频率变化的影响，可获得比无源滤波器更好的补偿效果，是一种理想的谐波补偿装置。

在高压系统中，一般采用有源电力滤波器和无源电力滤波器相结合的方式。其主要原因是出于成本考虑，如果要利用有源部分补偿所有的谐波，需要开关器件承受极高的电压和极大的电流，这就必须用很多开关器件串并联，在成本上难以承受。因而一般的做法是将大部分谐波补偿任务交给无源电力滤波器，而有源部分只是用来改变无源滤波器的滤波性能。但这种方式并不适合于三相四线配电网，在配电网中，由于电压等级低，电流相对较小，完全可以直接利用有源电力滤波器完成所有谐波滤波任务，这还可以省去无源滤波器，降低了生产成本。

由于配电网的特殊性，三相不平衡，闪变，无功不足等现象经常发生，要求谐波滤波装置应能适应这种工作状态，本发明提出的三电平三相四线有源电力滤波器能很好地解决配电网中不平衡谐波电流滤波，无功补偿，同时还能吸收电网的尖峰电压。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种三电平三相四线有源电力滤波器及其控制方法，该三电平三相四线有源电力滤波器及其控制方法有效解决了配电网中三相不平衡谐波滤波问题。

发明的技术解决方案如下：

一种三电平三相四线有源电力滤波器，包括两个电容、三电平逆变桥、前级LC输出滤波器、后级LC输出滤波器和并网开关；

两个电容串接后与三电平逆变桥的3个桥臂并联；

所述的三电平逆变桥为三相二极管钳位型三电平逆变桥，三电平逆变桥包括12个带反向并联二极管的IGBT和6个钳位二极管，每4个IGBT串联成一个桥臂，每一个桥臂中，上、下桥臂各2个IGBT，三个桥臂的中点A，B，C作为三电平逆变桥的输出端，每个桥臂上，2个钳位二极管两两串联成支桥臂，支桥臂上端连在上桥臂的两个IGBT之间，下端连在下桥臂的两个IGBT之间；所有支桥臂的中点以及两个电容串接点都连接到三相四线电源的中线，所述的支桥臂的中点指组成支桥臂的两个钳位二极管的串接点；

三电平逆变桥的输出端依次经前级LC输出滤波器、后级LC输出滤波器和并网开关接入到三相四线电源中的三相电源中。

所述的并网开关包括工作开关、启动开关和限流电阻；工作开关串接在滤波主回路中，启动开关与限流电阻作为旁路与工作开关并联。

通过三个控制环的控制和滞环比较器实现对三电平三相四线有源电力滤波器进行控制，三个控制环为直流电压环、直流电压平衡环和谐波环；

对于直流电压环，检测得到的双电容上的电压之和U_DC与电容电压的参考值U_DCref的差值输入到第一PI控制器中，第一PI控制器的输出量为第一部分参考电流的有功分量I_pref，将I_pref和I_qref经过pq-abc变换后，获得所述滤波器的第一部分参考信号I_ref1，(为了描述方便，I_ref1包含了三相参考信号，可以分解为I_ref1-a，I_ref1-b，I_ref1-c，下同)，其中I_qref为需要补偿的无功量的设定值；

对于直流电压平衡环，U_DC1与U_DC2的差值输入到第二PI调节器中，其中，U_DC1是两个电容中上电容的电压，U_DC2是下电容上的电压，第二PI调节器的输出量为参考信号的直流分量I_dc-ref，将I_dc-ref除以3形成第二部分参考信号I_ref2；

对于谐波环，I_L与I₁的差值作为第三部分参考信号I_ref3，其中，I_L是电网负载电流瞬时采样值，I₁是电网负载基波电流；

I_ref＝I_ref1+I_ref2+I_ref3，I_ref为最终的三相参考信号，将I_ref的某一相分量与对应相的相电流I_h的差值经过滞环比较器形成对应相的触发脉冲，以控制对应相的桥臂上的IGBT，从而最终实现对整个三电平三相四线有源电力滤波器的控制。

第一PI控制器的参数设置为：第一比例系数P_dc＝0.1，第一积分系数I_dc＝100；

第二PI控制器的参数设置为：第二比例系数P_ban＝0.5，第二积分系数I_bab＝300。

滞环比较器的滞环宽度ΔU为逆变器输出电压与接入点电压差值，T_on为一个控制周期内开关导通时间，L为前级输出滤波器的电感值。

本发明的构思：所述的有源电力滤波器由双电容，三电平逆变桥，两级LC输出滤波器组成。所述的双电容串联构成三电平逆变桥的直流储能原件，电容中点接入三相四线电网的中性线；所述的三电平逆变桥由IGBT构成，一侧连接双电容，另一侧连接两级LC输出滤波器；前级LC输出滤波器的电容较大，用于滤除绝大部分开关谐波；后级LC输出滤波器直接与三相四线电网相连，主要用于保护本系统不受电网与其它系统谐振的影响，同时兼顾部分开关谐波滤波和并网功能。所述的控制方法包含三个控制环，直流电压环用来稳定电容电压和按需要进行无功补偿，直流电压平衡环用来保持两个电容的电压相等，谐波环用来滤除电网谐波。

上述的双电容工作电压可以选为800V和1000V，800V应用于国内380V电网等级中，1000V应用于北美480V电网等级中。

上述的逆变桥开关选用1200V电压等级的IGBT。

有益效果：

本发明公开了一种三电平三相四线有源电力滤波器及其控制方法。所述的有源电力滤波器由双电容，三电平逆变桥，两级LC输出滤波器组成。所述的双电容串联构成三电平逆变桥的直流储能元件，电容中点接入三相四线电网的中性线；所述的三电平逆变桥由IGBT构成，一侧连接双电容，另一侧连接两级LC输出滤波器；前级LC输出滤波器的电容较大，用于滤除绝大部分开关谐波；后级LC输出滤波器直接与三相四线电网相连，用于保护本系统不受电网尖峰电压的影响，同时兼顾部分开关谐波滤波和并网功能。本三电平三相四线有源电力滤波器，由于电容中点接入三相四线电网的中性线，可以有效滤除三相不平衡谐波；采用三电平逆变桥可以选用1200V电压等级的IGBT，能够同时应用于国内380V和北美480V电网中，降低了制作成本；采用双级LC输出滤波器在滤除开关谐波的同时，能保护本系统工作时不受外界系统的影响，提高了系统的可靠性。所述的控制方法包含三个控制环，直流电压环用来稳定电容电压和按需要进行无功补偿，直流电压平衡环用来保持两个电容的电压相等，谐波环用来滤除电网谐波，通过三环控制，提高了滤波器性能。

本发明的拓扑结构能有效解决配电网中三相不平衡谐波滤波问题，三电平逆变器提高其适用电压等级范围，两级输出滤波器的设计抑制了电网尖峰电压对本产品的影响，三环控制技术提高了滤波器性能。

本发明的有益效果是：1)电容中点接入三相四线电网的中性线，便于对逆变器进行分相控制，从而针对每一相负荷谐波输出等额反向谐波予以滤除，可以有效解决三相不平衡谐波问题；2)三电平逆变桥能降低逆变器开关元件承受的电压，因为本发明的三电平逆变桥的开关元件只承受直流母线一半的电压，采用1200V的开关器件，可以同时应用于国内380V和北美480V电网中，降低了制作成本；3)双级LC输出滤波器在滤除开关谐波的同时，次级电容能吸收电网尖峰电压，保证了系统工作时不受电网尖峰电压的影响，提高了系统的可靠性；4)启动开关串联电阻可以限制在并网过程中对电容的充电电流，当充电完毕，合上工作开关，可以消除串联电阻在正常工作时带来的损耗；5)通过三环控制，在谐波滤波同时，稳定了电容电压，调节了电容上的电压平衡，解决了由于两个电容电压不平衡或者电容电压不稳定，而使得某个电容电压过高而爆炸的问题，提高了滤波器性能。

附图说明

图1为三电平三相四线有源电力滤波器结构示意图；

图2为直流电压环控制框图；

图3为直流电压平衡环控制框图；

图4为谐波环控制框图；

图5为总体控制框图；

图6为投入滤波器后的效果图(上图)和未投入滤波器的效果图(下图)，i_g为网侧电流、i_ld为负荷电流

图7为0.2s时刻本滤波器投入前后A相电网电流波形及其频谱示意图。其中，左上是0.1s-0.2s时段的电流波形，右上是0.2s-0.3s时段的电流波形；左下是0.1s-0.2s时段的电流频谱；右下是0.2s-0.3s时段的电流频谱，THD为电流畸变率，畸变从42％降到6.9％了，说明滤波效果良好。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

图1是三电平三相四线有源电力滤波器结构示意图，由双电容，三电平逆变桥，前级输出滤波器、后级输出滤波器和并网开关组成。其中并网开关又包含启动开关和工作开关两部分。其工作过程如下，

1)启动开关合闸，滤波器上电，双电容通过逆变桥的反向二极管充电，由于启动开关串联了一个电阻，限制了充电电流的大小，保护整个滤波器在上电过程中不会受到过大的尖峰电流而毁坏；

2)检测到双电容电压之和U_DC(U_DC＝U_DC1+U_DC2)达到额定值后，控制工作开关合闸，此时，启动开关被旁路，消除了串联电阻带来的损耗。如果应用于国内380V电压等级，该电容电压额定值设置为800V；如果应用于北美480V电压等级，设置为1000V；

3)开始检测负荷电流、电容电压、后级输出滤波器上的电流，送入控制器进行计算控制，滤波器进入稳定工作状态。

三电平逆变器直流侧双电容中点直接与中性线相连，便于逆变器进行分相控制，可以有效补偿电网中出现的不平衡谐波。三电平逆变桥的每个桥臂由2个1200V的IGBT串联而成，使得本发明不仅能应用我国380V电压等级的配电网，还能应用于北美480V电压等级的配电网，适用范围大大提高。本产品设计额定电流为20A，直流侧两电容分别取值1000μF；前级LC输出滤波器，取值为：每相电感1.5mH，电容20μF，可以滤除大部分逆变器开关谐波；后级输出滤波器取值：每相电感0.5mH，电容2.2μF，主要用来吸收电网尖峰电压，消除外部环境对本产品的影响。

图2是直流电压控制框图，U_DC是检测得到的双电容上的电压之和，U_DCref是电容电压的参考值，如果应用于国内380V电压等级，设置为800V；如果应用于北美480V电压等级，设置为1000V。二者的差值经过一个PI调节器后构成第一部分参考电流的有功分量I_pref，而I_qref可以根据实际需要补偿的无功量进行设定，当系统不需要进行无功补偿时，设置为0。将I_pref、I_qref经过pq-abc变换后，获得所述滤波器的第一部分参考信号I_ref1。

PI调节器的参数设置为：P_dc＝0.1，I_dc＝100。

图3是直流电压平衡控制框图，U_DC1是双电容中上电容的电压，U_DC2是下电容上的电压，将二者的差值经过一个PI调节器后，构成了参考信号的直流分量I_dc-ref，通过该直流分量对两个电容进行单独的充放电，可以实现电容电压的平衡。为了将该直流电平均的分配到三相中，将I_dc-ref除以3，构成了所述滤波器的第二部分参考信号：I_ref2【即同一个信号I_ref2分成a、b、c相三路，和I_ref1一样，I_ref2也由三相组成】。

PI调节器的参数设置为：P_ban＝0.5，I_ban＝300。

图4是谐波环控制框图，I_L是电网负载电流瞬时采样值，I₁是电网负载基波电流，通过同步变换从I_L中分离得到，二者相减可以得到所述滤波器的第三部分参考信号：I_ref3【即同一个信号I_ref3分成a、b、c相三路，和I_ref1一样，I_ref3也由三相组成】。

图5是总体控制框图，图中，为了简化将三相控制画在了一起，以A相为例，将A相的三部分参考信号I_ref1-a，I_ref2-a，I_ref3-a相加后得到I_ref-a，然后与逆变器注入电网的A相电流I_h-a进行比较，由于滞环控制只适用于一级阶系统，考虑到本产品中的后级滤波器主要是用于吸收电网冲击电压，所以，I_h-a通过检测图1所示前级输出滤波器A相上的电感电流瞬时值得到，对I_ref-a与I_h-a差值进行滞环控制，滞环宽度可以通过下式估算：

$\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{\ΔU}\·T_{\mathrm{on}}}{L}$

其中，ΔU为逆变器输出电压V_inv与接入点电压差值，T_on为一个控制周期内开关导通时间，考虑极端情况，即接入点电压过零，

ΔU＝U_DC/2＝400V

此时，T_on很小，估算时，可以取0.01T，如果控制频率为10kHz，则T_on＝1×10^-6，所以

$\mathrm{\ΔI}=\frac{400\×1\×{10}^{-6}}{1.5\×{10}^{-3}}=0.27$

即环宽设置为0.3A，滞环控制的输出即为逆变桥开关器件的控制脉冲信号：

当I_ref-a-I_h-a＞0.3，控制逆变器输出即逆变桥A相上桥臂2个开关器件VT1、VT2同时导通，下桥臂2个开关器件VT3、VT4同时关断；

当I_ref-a-I_h-a＜-0.3，控制逆变器输出

即逆变桥A相上桥臂2个开关器件VT1、VT2同时关断，下桥臂2个开关器件VT3、VT4同时导通；

当-0.3≤I_ref-a-I_h-a≤0.3，控制逆变器输出0，即逆变桥A相中间2个开关器件VT2、VT3同时导通，另外2个开关器件VT1、VT4同时关断；

B相、C相的控制类似。

Claims (4)

1.一种三电平三相四线有源电力滤波器，其特征在于，包括两个电容、三电平逆变桥、前级LC输出滤波器、后级LC输出滤波器和并网开关；

两个电容串接后与三电平逆变桥的3个桥臂并联；

所述的三电平逆变桥为三相二极管钳位型三电平逆变桥，三电平逆变桥包括12个带反向并联二极管的IGBT和6个钳位二极管，每4个IGBT串联成一个桥臂，每一个桥臂中，上、下桥臂各2个IGBT，三个桥臂的中点A，B，C作为三电平逆变桥的输出端，每个桥臂上，2个钳位二极管两两串联成支桥臂，支桥臂上端连在上桥臂的两个IGBT之间，下端连在下桥臂的两个IGBT之间；所有支桥臂的中点以及两个电容串接点都连接到三相四线电源的中线，所述的支桥臂的中点指组成支桥臂的两个钳位二极管的串接点；

三电平逆变桥的输出端依次经前级LC输出滤波器、后级LC输出滤波器和并网开关接入到三相四线电源中的三相电源中；

通过三个控制环的控制和滞环比较器实现对三电平三相四线有源电力滤波器进行控制，三个控制环为直流电压环、直流电压平衡环和谐波环；

对于直流电压环，检测得到的双电容上的电压之和U_DC与电容电压的参考值U_DCref的差值输入到第一PI控制器中，第一PI控制器的输出量为第一部分参考电流的有功分量I_pref，将I_pref和I_qref经过pq-abc变换后，获得所述滤波器的第一部分参考信号I_ref1，其中I_qref为需要补偿的无功量的设定值；

对于直流电压平衡环，U_DC1与U_DC2的差值输入到第二PI调节器中，其中，U_DC1是两个电容中上电容的电压，U_DC2是下电容上的电压，第二PI调节器的输出量为参考信号的直流分量I_dc-ref，将I_dc-ref除以3形成第二部分参考信号I_ref2；

对于谐波环，I_L与I₁的差值作为第三部分参考信号I_ref3，其中，I_L是电网负载电流瞬时采样值，I₁是电网负载基波电流；

I_ref=I_ref1+I_ref2+I_ref3，I_ref为最终的三相参考信号，将I_ref的某一相分量与对应相的相电流I_h的差值经过滞环比较器形成对应相的触发脉冲，以控制对应相的桥臂上的IGBT，从而最终实现对整个三电平三相四线有源电力滤波器的控制。

2.根据权利要求1所述的三电平三相四线有源电力滤波器，其特征在于，所述的并网开关包括工作开关、启动开关和限流电阻；工作开关串接在滤波主回路中，启动开关与限流电阻作为旁路与工作开关并联。

3.根据权利要求2所述的三电平三相四线有源电力滤波器，其特征在于，第一PI控制器的参数设置为：第一比例系数P_dc=0.1，第一积分系数I_dc=100；

第二PI控制器的参数设置为：第二比例系数P_ban=0.5，第二积分系数I_ban=300。

4.根据权利要求2或3所述的三电平三相四线有源电力滤波器，其特征在于，滞环比较器的滞环宽度

ΔU为逆变器输出电压与接入点电压差值，T_on为一个控制周期内开关导通时间，L为前级输出滤波器的电感值。

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