CN104135007B - 无输出滤波器的有源电力滤波器的控制及投入与切除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种无输出滤波器的有源电力滤波器的控制及投入与切除方法，包括其结构和控制策略，其特征是：整个APF的每一相由N个模块化功率单元并联而成，功率单元内包含全控半导体H桥、储能电容、接触器、充电电阻、放电电阻、联络电抗、驱动板、采样装置和控制器等，其特点是单元内无OF，仅在每一相并网节点处设置一个滤波器。其控制的特点是对每相N个功率单元采用载波移相控制，并可通过改变移相角度实现功率单元的热插拔。本发明在去掉每个单元中OF的情况下可以保证较小的输出高频谐波，同时避免了OF对输出带宽的限制。本发明广泛适用于低压大容量电能质量治理工况。

Description

无输出滤波器的有源电力滤波器的控制及投入与切除方法

技术领域

本发明属于电力谐波抑制领域，具体涉及一种无输出滤波器的有源电力滤波器的控制及投入与切除方法。

背景技术

随着高压大容量电网的迅猛发展、大容量电力电子负荷的日益增多，对大容量有源滤波器的需求越来越迫切。例如电气化铁路的迅猛发展已造成对电网的严重谐波污染；大量的钢铁轧制线拖动电气设备和电弧炉也产生大量的电力谐波；铝电解行业的迅速发展也造成电力谐波污染进一步加剧。

目前国内外的大容量系统谐波抑制依旧大量采用无源滤波器，其效果不好，除了注入电力系统的谐波超标外，还容易诱发并联谐振。现在国内外都在大力推广并联型有源滤波器来解决谐波问题，国内也已经公开较多相关专利，可归纳如下：

其一是进行器件的串并联。如上海追日电气有限公司的申请号为201320056391.X的实用新型专利，该实用新型中将多个全控半导体开关器件并联当做一个全控开关半导体器件使用，虽然可以增大装置容量，但是其输出的开关次高频谐波频段与输出目标频段接近，而且高频谐波幅值很大，对滤波器的设计带来困难。

其二是采用多个H桥功率单元级联的拓扑。如南京航空航天大学的申请号为201010255223.4的发明专利、清华大学的申请号为201010624030.1的发明专利等，这些专利中提到的级联结构可以使用载波移相调制方式，提高输出等效开关频率，从而减小高频谐波，也利于输出滤波器的设计，但是其主要用于高电压小电流的场合，而对于低电压等级的大容量谐波补偿并不适用。

其三是采用多个带滤波器的功率单元并联的拓扑。如江苏德顺祥电气有限公司的申请号为201120306460.9的实用新型专利，上海市电力公司的申请号为201220129706.4的实用新型专利，思源清能电气电子有限公司的申请号为201120249005.X的实用新型专利，这些专利中提到的APF中每一个全控半导体器件H桥构成的功率单元里面都需要配置一个滤波器来消除开关次谐波，然后将滤波之后的输出电流并联入网，此方法的主要缺点是：多个滤波器成本高、体积大，且由于滤波器截止频率较低，限制了APF的输出带宽。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构简单、性能可靠、成本较低，易于扩展，并具有更宽的补偿频带和更好的补偿效果，适用于低压大容量工况的一种无输出滤波器的有源电力滤波器的控制及投入与切除方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器，其特征在于，包括：

滤波器：接连在每一相与电网连接点处；

三组模块化功率模块：每组模块化功率模块包括N个并联在每一相与电网连接点处的模块化功率单元；所述模块化功率单元包括全控半导体器件H桥、储能电容C、并网接触器S₁、充电电阻R₂、充电电阻旁路接触器S₂、放电电阻R₁以及联络电抗L；所述全控半导体器件H桥由G1，G2，G3，G4四个反并有二极管的绝缘栅双极型晶体管组成；全控半导体器件H桥直流侧为并联的储能电容C与放电电阻R₁，交流侧接依次串联的联络电抗器L、并网接触器S₁、以及充电电阻旁路接触器S₂；所述并网接触器S₂与充电电阻R₂并联，与S1配合；所述全控半导体器件H桥的的输出节点通过插接件接在每一相的母线上；

模块控制器：设置在每个模块化功率单元上，用于模块化单元的基本控制；所述基本控制包括：并网接触器S₁和充电电阻旁路接触器S₂的断开和闭合；接入点电压和单元模块输出电流采样；通过光纤信号接收来自统一控制器的电流指令信号，并控制单元跟随该信号输出；通过光纤信号接收来自统一控制器的同步信号，并同步单元载波信号；通过光纤与统一控制器相连，上传功率单元状态；

统一控制器：为有源电力滤波器的控制中枢,用于各模块化单元的协调控制；包括：与集中采样装置相连，采样系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流，并计算和分配各模块电流输出指令；与模块控制器相连，分配模块电流输出指令与同步信号，并接收来自单元控制器的单元状态信息；与人机界面相连，用于指令下发、装置状态显示；

集中采样装置：用于系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流的采样；根据不同的场合，系统电压与系统/负荷电流，也可以由装置外部提供，而不含在采样装置中；

人机界面：与统一控制器相连，用于显示装置运行状态和装置对外信息交互。

一种无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器控制方法，其特征在于：

采用载波移相的倍频调制方法，通过统一控制器发出同步信号，确保对一相中N个单元的三角载波进行180°/N的移相，使其并网时的等效开关频率提升N倍，高频谐波幅值大大减小，且高频谐波分布频段与输出目标频段差距大大增加，易于设计并网滤波器。

一种无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器单元在线投入与切除方法，其特征在于：

选择步骤1：如果在运行状态中需要将某一个单元退出运行并让其脱离系统，可以通过以下步骤实现：闭锁该单元脉冲，调整统一控制器发出的同步信号，使单元所在相的载波移相角度为180°/N-1，并重新分配电流指令，保证剩下单元正常运行；根据新的单元数调整单元输出指令，保证补偿效果；断开待移除单元内部的并网接触器S₁和充电电阻旁路接触器S₂，储能电容通过放电电阻释放能量；待储能电容上的电压下降到安全范围内后，即可拔出单元；

选择步骤2：如果在运行状态中需要将某一个单元连接上系统并投入运行，可通过以下步骤实现：首先保证单元接入主回路，闭合该单元内部的并网接触器S₁，使单元通过充电电阻建立储能电容电压；再依次启动单元的直压控制和并网控制，待直流电压达到额定值后闭合充电电阻旁路接触器S₂；统一控制器在单元启动完毕后，通过调整同步信号使该单元所在相的载波移相角度为180°/N+1；通过调整单元电流指令，重新分配各单元输出电流比重；单元接入成功。

因此，本发明具有如下优点：1、本发明的模块化功率单元中没有滤波器，而只使用了一个联络电抗器，而现有的模块化并联型APF技术需要在每一个功率单元中配置滤波器，其缺陷是：增大体积，提高成本，经过滤波器中RC支路的谐波较大，发热和噪声较大，且较大的谐波电流还占用全控半导体开关器件的通流能力；2、本发明中每一相的N个单元之间采用载波移相调制方式，从而使得在功率单元中没有滤波器的情况下让大部分高频谐波互相抵消，输出谐波畸变率很小，而现有的模块化并联型APF技术没有采用载波移相多重化的技术；3、本发明的滤波器仅在每一相并网端口上配置一个截止频率相对较高的滤波器，此滤波器可以进一步滤除剩下的小部分高频谐波，且可以在单元依次启动过程中减小进入电网的高频谐波，而现有的模块化并联型APF技术的滤波器截止频率较低，虽然可以达到消除高频谐波的目的，但是限制了输出带宽，使APF难以补偿17次以上的谐波；4、本发明通过在每一个单元中设置接触器和充电电阻实现了功率单元在运行状态中的热插拔和冗余控制，使APF的运行、扩展和检修更为方便灵活，同时提高运行可靠性。

附图说明

附图1是本发明的星形接法结构示意图。

附图2是图1所示APF中各相的模块化功率单元的结构示意图。

附图3是图1所示APF的控制系统结构示意图。

附图4是图1所示APF的功率单元热插拔流程图。

附图5是本发明一种无单元OF的并联模块化APF的三角形接法结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

图1所示拓扑是将本发明的APF连接成星形的拓扑结构。所有功率单元完全一致，每一相的N个单元是并联在该相的两根母线上的，单元与母线的接触点1、2在生产中应该设计成插接件，从而方便单元的投入和切除。滤波器配置在每一相的并网处，其作用是滤除载波移相多重化后剩余的高频谐波分量，同时满足变更载波移相角度或个别单元故障过程中谐波，变更载波移相角度的情况发生在各个单元依次启动、单元热插拔和冗余控制过程中。

图2是功率单元的内部结构。G1，G2，G3，G4是反并有续流二极管的IGBT，此IGBT可以是硅器件也可以是碳化硅器件。C是储能电容，R₁是放电电阻，用于单元切除之后给储能电容一个放电回路。R₂是充电电阻，用于在单元刚接入系统时限制储能电容充电电流。S₁是并网接触器，用于切断或建立单元与系统的主回路电气联系。S₂是充电电阻旁路接触器，用于在正常运行时旁路充电电阻R₂。L是联络电抗，可以起到限制同一相中不同单元之间的环流的作用。单元的输出节点3、4在生产中应设计成与图1中节点1、2相匹配的接插件。此全控H桥功率单元拓扑结构的技术特点是单元内部没有RC滤波支路。另外单元中还包含交流电压电流采样、直流电压采样、控制器和驱动板等未在图中标明的部分，本行业从业人员可以按照本发明精神通过多种方法轻松实现这些未标明的部分。

图3是APF整个控制系统的结构示意图。控制系统主要可分为统一控制器、单元本地控制器和人机界面，所有单元的本地控制器通过光纤与统一控制器相连。对两个控制器和人机界面具体内容的描述如下：

单元本地控制器的工作是包含交流电压采样、单元输出电流采样、直流电压控制、根据统一控制器的电流指令输出，向统一控制器上传本单元运行状态，并承载单元保护功能；；

统一控制器的工作是并网节点处的电压电流采样、补偿目标算法、单元电流指令的发出、单元同步协调、并承载系统保护功能。

人机界面的工作包含显示装置运行状态、装置对外通讯。

通过统一控制器和单元本地控制器的协调可以实现各个单元PWM信号发生的时钟同步，从而实现各个单元之间精准的三角载波移相。

图4是图1所示APF的功率单元热插拔流程图。在所有单元正常运行时，可以按照图4的流程实现在运行状态中切除或投入单元，即热插拔功能，具体步骤如下：

如果在运行状态中需要将某一个单元退出运行并让其脱离系统，可以通过以下步骤实现：闭锁该单元脉冲，并调整该单元所在相的载波移相角度为180°/N-1，从而在保证剩下单元正常运行。断开待移除单元内部的并网接触器S₁和充电电阻旁路接触器S₂，储能电容通过放电电阻释放能量。待储能电容上的电压下降到安全范围内后，即可拔出单元。

如果在运行状态中需要将某一个单元连接上系统并投入运行，可通过以下步骤实现：首先保证单元接入主回路，闭合该单元内部的并网接触器S₁，使单元通过充电电阻建立储能电容电压。再依次启动单元的直压控制和并网控制，待直流电压达到额定值后闭合充电电阻旁路接触器S₂。再启动该单元的电流输出指令，并调整该单元所在相的载波移相角度为180°/N+1。单元接入成功。

图5是本发明一种无单元OF的并联模块化APF按照三角形接法并网的拓扑结构图示例。相对于图1中的星形接法，所有单元的连接方式不变，每一相并网点的接线方式需要调整为三角形接法，滤波器和控制算法也需要作相应调整，具体调整细节不需要详述，本行业从业人员可以按照本发明精神通过多种手段轻松实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器，其特征在于，包括：

三组模块化功率模块：每组模块化功率模块包括N个并联在每一相与电网连接点处的模块化功率单元，单元与母线的接触点1、2在生产中应该设计成插接件，从而方便单元的投入和切除；滤波器配置在每一相的并网处，其作用是滤除载波移相多重化后剩余的高频谐波分量，同时满足变更载波移相角度或个别单元故障过程中谐波，变更载波移相角度的情况发生在各个单元依次启动、单元热插拔和冗余控制过程中；所述模块化功率单元包括全控半导体器件H桥、储能电容C、并网接触器S₁、充电电阻R₂、充电电阻旁路接触器S₂、放电电阻R₁以及联络电抗L；所述全控半导体器件H桥由G1，G2，G3，G4四个反并有二极管的绝缘栅双极型晶体管组成；全控半导体器件H桥直流侧为并联的储能电容C与放电电阻R₁，交流侧接依次串联的联络电抗器L、并网接触器S₁、以及充电电阻旁路接触器S₂；所述并网接触器S₂与充电电阻R₂并联，与S1配合；所述全控半导体器件H桥的输出节点通过插接件接在每一相的母线上；

模块控制器：设置在每个模块化功率单元上，用于模块化单元的基本控制；所述基本控制包括：并网接触器S₁和充电电阻旁路接触器S₂的断开和闭合；接入点电压和单元模块输出电流采样；通过光纤信号接收来自统一控制器的电流指令信号，并控制单元跟随该信号输出；通过光纤信号接收来自统一控制器的同步信号，并同步单元载波信号；通过光纤与统一控制器相连，上传功率单元状态；

统一控制器：为有源电力滤波器的控制中枢,用于各模块化单元的协调控制；包括：与集中采样装置相连，采样系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流，并计算和分配各模块电流输出指令；与模块控制器相连，分配模块电流输出指令与同步信号，并接收来自单元控制器的单元状态信息；与人机界面相连，用于指令下发、装置状态显示；

集中采样装置：用于系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流的采样；根据不同的场合，系统电压与系统/负荷电流，也可以由装置外部提供，而不含在采样装置中；

人机界面：与统一控制器相连，用于显示装置运行状态和装置对外信息交互。

2.一种无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器控制方法，其特征在于，基于无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器，包括：

滤波器：接连在每一相与电网连接点处；

三组模块化功率模块：每组模块化功率模块包括N个并联在每一相与电网连接点处的模块化功率单元；所述模块化功率单元包括全控半导体器件H桥、储能电容C、并网接触器S₁、充电电阻R₂、充电电阻旁路接触器S₂、放电电阻R₁以及联络电抗L；所述全控半导体器件H桥由G1，G2，G3，G4四个反并有二极管的绝缘栅双极型晶体管组成；全控半导体器件H桥直流侧为并联的储能电容C与放电电阻R₁，交流侧接依次串联的联络电抗器L、并网接触器S₁、以及充电电阻旁路接触器S₂；所述并网接触器S₂与充电电阻R₂并联，与S1配合；所述全控半导体器件H桥的输出节点通过插接件接在每一相的母线上；

模块控制器：设置在每个模块化功率单元上，用于模块化单元的基本控制；所述基本控制包括：并网接触器S₁和充电电阻旁路接触器S₂的断开和闭合；接入点电压和单元模块输出电流采样；通过光纤信号接收来自统一控制器的电流指令信号，并控制单元跟随该信号输出；通过光纤信号接收来自统一控制器的同步信号，并同步单元载波信号；通过光纤与统一控制器相连，上传功率单元状态；

统一控制器：为有源电力滤波器的控制中枢,用于各模块化单元的协调控制；包括：与集中采样装置相连，采样系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流，并计算和分配各模块电流输出指令；与模块控制器相连，分配模块电流输出指令与同步信号，并接收来自单元控制器的单元状态信息；与人机界面相连，用于指令下发、装置状态显示；

集中采样装置：用于系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流的采样；根据不同的场合，系统电压与系统/负荷电流，也可以由装置外部提供，而不含在采样装置中；

人机界面：与统一控制器相连，用于显示装置运行状态和装置对外信息交互；

具体方法如下：

采用载波移相的倍频调制方法，通过统一控制器发出同步信号，确保对一相中N个单元的三角载波进行180°/N的移相，使其并网时的等效开关频率提升N倍，高频谐波幅值大大减小，且高频谐波分布频段与输出目标频段差距大大增加，易于设计并网滤波器。

3.一种无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器单元在线投入与切 除方法，其特征在于：

基于无输出滤波器的并联模块化有源电力滤波器，包括：

滤波器：接连在每一相与电网连接点处；

三组模块化功率模块：每组模块化功率模块包括N个并联在每一相与电网连接点处的模块化功率单元；所述模块化功率单元包括全控半导体器件H桥、储能电容C、并网接触器S₁、充电电阻R₂、充电电阻旁路接触器S₂、放电电阻R₁以及联络电抗L；所述全控半导体器件H桥由G1，G2，G3，G4四个反并有二极管的绝缘栅双极型晶体管组成；全控半导体器件H桥直流侧为并联的储能电容C与放电电阻R₁，交流侧接依次串联的联络电抗器L、并网接触器S₁、以及充电电阻旁路接触器S₂；所述并网接触器S₂与充电电阻R₂并联，与S1配合；所述全控半导体器件H桥的输出节点通过插接件接在每一相的母线上；

模块控制器：设置在每个模块化功率单元上，用于模块化单元的基本控制；所述基本控制包括：并网接触器S₁和充电电阻旁路接触器S₂的断开和闭合；接入点电压和单元模块输出电流采样；通过光纤信号接收来自统一控制器的电流指令信号，并控制单元跟随该信号输出；通过光纤信号接收来自统一控制器的同步信号，并同步单元载波信号；通过光纤与统一控制器相连，上传功率单元状态；

统一控制器：为有源电力滤波器的控制中枢,用于各模块化单元的协调控制；包括：与集中采样装置相连，采样系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流，并计算和分配各模块电流输出指令；与模块控制器相连，分配模块电流输出指令与同步信号，并接收来自单元控制器的单元状态信息； 与人机界面相连，用于指令下发、装置状态显示；

集中采样装置：用于系统电压、系统/负荷电流、装置输出总电流的采样；根据不同的场合，系统电压与系统/负荷电流，也可以由装置外部提供，而不含在采样装置中；

人机界面：与统一控制器相连，用于显示装置运行状态和装置对外信息交互；

选择步骤1：如果在运行状态中需要将某一个单元退出运行并让其脱离系统，可以通过以下步骤实现：闭锁该单元脉冲，调整统一控制器发出的同步信号，使单元所在相的载波移相角度为180°/N-1，并重新分配电流指令，保证剩下单元正常运行；根据新的单元数调整单元输出指令，保证补偿效果；断开待移除单元内部的并网接触器S₁和充电电阻旁路接触器S₂，储能电容通过放电电阻释放能量；待储能电容上的电压下降到安全范围内后，即可拔出单元；

选择步骤2：如果在运行状态中需要将某一个单元连接上系统并投入运行，可通过以下步骤实现：首先保证单元接入主回路，闭合该单元内部的并网接触器S₁，使单元通过充电电阻建立储能电容电压；再依次启动单元的直压控制和并网控制，待直流电压达到额定值后闭合充电电阻旁路接触器S₂；统一控制器在单元启动完毕后，通过调整同步信号使该单元所在相的载波移相角度为180°/N+1；通过调整单元电流指令，重新分配各单元输出电流比重；单元接入成功。