CN102769291A

CN102769291A - 一种基于多相变流结构的有源电力滤波器

Info

Publication number: CN102769291A
Application number: CN2012102359965A
Authority: CN
Inventors: 杨家强; 尹宏清; 俞年昌; 陈诗澜; 曾争
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN102769291B

Abstract

本发明公开了一种基于多相变流结构的有源电力滤波器，包括：多相变流器、多相滤波器、控制器和多相变压器。本发明有源电力滤波器采用多相补偿电流发生装置和多相变三相的变压器构建，利用多相PWM变流器具有多个控制自由度的特点，实现了低压大功率化，在避免了电力电子功率器件的直接串并联的前提下更易于实现；与现有多电平有源电力滤波器相比，本发明结构简单，易于整体控制，完美统一协调输出，能量密度高；变流器采用低压功率器件，降低成本，容易实现容错控制，一相或几相出现故障时，只需切除对应相，不影响系统的整体输出，具有更高的可靠性；同时通过改变多相变压器结构，也可以适用于船舰等独立供电系统，适用范围广。

Description

一种基于多相变流结构的有源电力滤波器

技术领域

本发明属于谐波补偿技术领域，具体涉及一种基于多相变流结构的有源电力滤波器。

背景技术

近年来，大量非线性负载的使用使得谐波污染和功率因素下降问题日益凸显，谐波的有效治理对电力系统和电力用户具有重要的意义。对于高电压，大容量谐波源，目前市场采用的LC无源滤波器(Passive Filter，PF)滤波性能对系统阻抗，频率等参数变化要求极为敏感，动态性能差，难以达到预期的滤波效果。而有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)能够对频率和幅值均发生变化的谐波和无功进行动态补偿，阻尼局部电网谐振，减小电压闪变，弥补了传统无源电力滤波器的不足。

有源电力滤波器的结构如图1所示，其由变流器和滤波器件组成，变流器的电网侧通过滤波器件接入三相电网，直流侧并联有直流母线电容C_dc；另外，有源电力滤波器还需要一台检测控制设备对其进行控制，检测控制设备根据电网电压u_s、负载电流i_L以及补偿电流i_C生成相应的PWM信号以对变流器中的功率开关器件进行开关控制。

在传统有源电力滤波器中，两电平有源电力滤波器已无法满足大功率和高频化要求；考虑到功率半导体器件的容量限制，现阶段在高压和大功率领域多采用多电平有源电力滤波器。多电平有源电力滤波器每个功率器件承受

的直流母线电压(n为电平数)，可以以低耐压器件实现高压大功率化，但受限于大功率半导体电压型全控开关器IGBT耐压值和IGCT的开关频率，同时多电平的PWM变流器有n³的开关变量，控制难度大大增加；另外多电平变流器由于采用了多个功率器件，系统价格昂贵，可靠性较低，而且高压多电平三相有源电力滤波器系统的一个器件故障就可导致整个系统无法运行。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于多相变流结构的有源电力滤波器，能够实现低压大功率化，降低系统成本，且可靠性高。

一种基于多相变流结构的有源电力滤波器，包括：

多相变流器，用于产生多相补偿电流；

多相滤波器，用于对所述的多相补偿电流进行滤波；

控制器，用于对所述的多相变流器进行控制；

多相变压器，用于将滤波过后的多相补偿电流转变为三相补偿电流，进而将该三相补偿电流注入电网。

所述的控制器包括：

检测单元，用于采集电网电压、负载电流和三相补偿电流；

控制单元，用于根据采集到的电网电压、负载电流和三相补偿电流进行谐波检测、指令提取及信号处理，进而输出PWM信号；

驱动单元，用于对所述的PWM信号功率放大后以控制所述的多相变流器。

所述的多相变流器由多相半桥电路与一直流母线电容并联而成。

所述的多相半桥电路由n个桥臂并联组成，n为相数且为大于4的自然数；每个桥臂由两个IGBT串联而成，其中，上桥臂IGBT的集电极与直流母线电容的一端相连，上桥臂IGBT的发射极与下桥臂IGBT的集电极相连且为多相变流器的相输出端，下桥臂IGBT的发射极与直流母线电容的另一端相连。

所述的多相滤波器由n个网侧电感、n个桥臂侧电感和n条RC链路组成；其中，所述的桥臂侧电感的一端为多相滤波器的相输入端，桥臂侧电感的另一端与对应网侧电感的一端和对应RC链路的输入端相连，该对应网侧电感的另一端为多相滤波器的相输出端，n条RC链路的输出端均共连。

所述的RC链路由一电容和一电阻组成；其中，电容的一端为RC链路的输入端，电容的另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端为RC链路的输出端。

所述的多相变流器的任一相输出端与多相滤波器对应的相输入端相连，多相滤波器的任一相输出端与多相变压器对应的相输入端相连。

所述的负载电流为连接于电网的负载的输入电流。

本发明有源电力滤波器采用多相补偿电流发生装置和多相变三相的变压器构建，利用多相PWM变流器具有多个控制自由度的特点，实现了低压大功率化，在避免了电力电子功率器件的直接串并联的前提下更易于实现；与现有多电平有源电力滤波器相比，本发明结构简单，易于整体控制，完美统一协调输出，能量密度高；变流器采用低压功率器件，降低成本，容易实现容错控制，一相或几相出现故障时，只需切除对应相，不影响系统的整体输出，具有更高的可靠性；同时通过改变多相变压器结构，也可以适用于船舰等独立供电系统，适用范围广。

附图说明

图1为传统有源电力滤波器的结构及其应用示意图。

图2为本发明有源电力滤波器的结构及其应用示意图。

图3为多相变压器的结构原理示意图。

图4为多相变压器的向量图。

具体实施方式

为了更具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示，以接入电网的基于五相变流结构的有源电力滤波器为例，其包括：多相变流器、多相滤波器、控制器和多相变压器；控制器与多相变流器相连，多相变流器与多相滤波器相连，多相滤波器与多相变压器相连，多相变压器接入电网；其中：

多相变流器用于产生五相补偿电流；其由多相半桥电路与一直流母线电容C_dc并联而成；本实施方式中，多相半桥电路由5个桥臂并联组成，故多相变流器具有5个相输出端，每个桥臂由两个IGBT串联而成，其中，上桥臂IGBT的集电极与直流母线电容C_dc的一端相连，上桥臂IGBT的发射极与下桥臂IGBT的集电极相连且为多相变流器的相输出端，下桥臂IGBT的发射极与直流母线电容C_dc的另一端相连。多相变流器的任一相输出端与多相滤波器对应的相输入端相连。

多相滤波器用于对五相补偿电流进行滤波；其由5个网侧电感L2、5个桥臂侧电感L1和5条RC链路组成，故本实施方式中，多相滤波器具有5个相输入端和5个相输出端；其中，任一桥臂侧电感L1的一端为多相滤波器的相输入端，桥臂侧电感L1的另一端与对应网侧电感L2的一端和对应RC链路的输入端相连，该对应网侧电感L2的另一端为多相滤波器的相输出端，5条RC链路的输出端均共连。RC链路由一电容C和一电阻R组成；其中，电容C的一端为RC链路的输入端，电容C的另一端与电阻R的一端相连，电阻R的另一端为RC链路的输出端。多相滤波器的任一相输出端与多相变压器对应的相输入端相连。

多相变压器用于将滤波过后的五相补偿电流转变为三相补偿电流i_C，进而将该三相补偿电流i_C注入电网。如图3所示，本实施方式中，多相变压器具有五个相输入端(Va，Vb，Vc，Vd，Ve)三个相输出端(Vx，Vy，Vz)，其通过相输出端与三相电网相接，五相星型输入端的绕组分布3个独立的磁芯，其中有两个分别带着1个一次侧线圈和3个二次侧线圈(C1C2-c1c2/c3c4/c5c6)(B1B2-b1b2/b3b4/b5b6)；另一个带有1个一次侧线圈和2个二次侧线圈(A1A2-a1a2/a3a4)。6个接口的一次侧3个线圈以星型或三角形方式连接，16个接口的二次侧8个线圈则以星型或多边形方式连接；通过选择合适的绕组匝数构建出输出相之间的72度相角。

图4为多相变压器的向量图，输出相用字母x，y，z标示，输入相用字母a，b，c，d，e标示；输入相a沿着输出相x方向，输入相b是绕组电压c5c6和b1b2的向量和，输入相c是绕组电压a3a4和b3b4的向量和，输入相d是绕组电压a3a4和c1c2的向量和，类似的输入相e是绕组电压c3c4和b5b6的向量和；这样便获得了5相电压，变压器从5相到3相可以由以下矩阵变换公式得到：

[\begin{matrix} V_{x} \\ V_{y} \\ V_{z} \end{matrix}] = \frac{1}{\sin (\frac{2 π}{5})} \times [\begin{matrix} \sin (\frac{2 π}{5}) & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \sin (\frac{2 π}{15}) & \sin (\frac{4 π}{15}) & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \sin (\frac{2 π}{15}) & \sin (\frac{2 π}{15}) \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{a} \\ V_{b} \\ V_{c} \\ V_{d} \\ V_{e} \end{matrix}]

控制器用于对多相变流器中各IGBT的通断进行控制；其包括检测单元、控制单元和驱动单元；检测单元与控制单元相连，控制单元与驱动单元相连，驱动单元与多相变流器相连；其中：

检测单元用于采集电网电压u_s、负载电流i_L和三相补偿电流i_C；其由一些电压互感器和电流互感器构建实现。

控制单元用于根据采集到的电网电压u_s、负载电流i_L和三相补偿电流i_C进行谐波检测、指令提取及信号处理，进而输出PWM信号；本实施方式中，控制单元通过DSP芯片编程实现。

驱动单元用于对PWM信号功率放大后以控制多相变流器中各IGBT的通断。

本实施方式的有源电力滤波器将变流器产生的多相补偿电流通过多相变压器转变为三相后接入电网；电网中的非线性负载为谐波源，其产生谐波电流并消耗无功。有源电力滤波器系统中的补偿电流发生装置为多相变流器，而由LCL组成的多相滤波器主要用来滤除开关噪声附近的开关纹波电流。

电网电流等于负载电流与补偿电流之和，本实施方式控制单元采用检测负载电流的控制策略，系统先通过检测单元采集负载电流，通过计算提取出负载电流的谐波分量，确定指令电流信号，进而构造生成PWM信号，通过PWM信号驱动控制多相变流器产生一个经多相变压器变换后与负载谐波电流大小相等相位相反的补偿电流，并注入电网，从而使得电网电流只含基波分量，达到治理滤波的目的。

检测单元通过电压和电流传感器获取非线性负载的电流信号和电网的电压信号，通过低通滤波器(Low Pass Filter，LPF)得到负载电流i_L的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流i_C的指令信号；控制单元通过比较指令信号与实际补偿电流的关系，得到控制多相变流器中各IGBT通断的PWM信号，以保证有源滤波器的输出电流实时跟踪指令电流的变化，电流的跟踪控制是整个控制单元的核心控制环节，直接决定了系统性能的好坏。

如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时补偿负载的无功功率，则检测单元检测出谐波源的谐波分量和无功分量，然后反极性作为补偿电流的指令信号，再由多相变流器生成与负载电流中谐波和无功分量大小相等，方向相反的补偿电流，从而使得电网电流为基波有功电流，达到谐波抑制和无功补偿的作用。

Claims

1.一种基于多相变流结构的有源电力滤波器，其特征在于，包括：

多相变流器，用于产生多相补偿电流；

多相滤波器，用于对所述的多相补偿电流进行滤波；

控制器，用于对所述的多相变流器进行控制；

2.根据权利要求1所述的基于多相变流结构的有源电力滤波器，其特征在于：所述的控制器包括：

检测单元，用于采集电网电压、负载电流和三相补偿电流；

3.根据权利要求1所述的基于多相变流结构的有源电力滤波器，其特征在于：所述的多相变流器由多相半桥电路与一直流母线电容并联而成。

4.根据权利要求3所述的基于多相变流结构的有源电力滤波器，其特征在于：所述的多相半桥电路由n个桥臂并联组成，n为相数且为大于4的自然数；每个桥臂由两个IGBT串联而成，其中，上桥臂IGBT的集电极与直流母线电容的一端相连，上桥臂IGBT的发射极与下桥臂IGBT的集电极相连且为多相变流器的相输出端，下桥臂IGBT的发射极与直流母线电容的另一端相连。

5.根据权利要求1所述的基于多相变流结构的有源电力滤波器，其特征在于：所述的多相滤波器由n个网侧电感、n个桥臂侧电感和n条RC链路组成；其中，所述的桥臂侧电感的一端为多相滤波器的相输入端，桥臂侧电感的另一端与对应网侧电感的一端和对应RC链路的输入端相连，该对应网侧电感的另一端为多相滤波器的相输出端，n条RC链路的输出端均共连。

6.根据权利要求5所述的基于多相变流结构的有源电力滤波器，其特征在于：所述的RC链路由一电容和一电阻组成；其中，电容的一端为RC链路的输入端，电容的另一端与电阻的一端相连，电阻的另一端为RC链路的输出端。