CN104218585A - 含有功率单元的有源电力滤波器及其控制方法 - Google Patents

含有功率单元的有源电力滤波器及其控制方法 Download PDF

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张朝龙
胡绍刚
刘君
李旭阳
陈昱达
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Abstract

木发明公开含有功率单元的有源电力滤波器及其控制方法。功率单元包括H桥逆变电路,与逆变电路直流母线相连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路,所述功率单元还包括一斩波能耗电路,结合有源电力滤波器吸收的少量有功功率实现功率单元直流母线电压的控制。有源电力滤波器包括:每相由至少一个功率单元组成的逆变器、电压检测电路、电流检测电路、中央控制系统、滤波电路、预充电电路、进线开关、接口和通信电路、冷却装置等。

Description

含有功率单元的有源电力滤波器及其控制方法
技术领域
本发明涉及含有功率单元的有源电力滤波器及其控制方法。
背景技术
由于各种非线性用电负载,如变频器、整流装置、电弧炉、高压直流输电用变流器等的增加,电网的谐波污染、功率因数下降、电压不对称、供电中断、电压波动和闪变等问题越来越突出。
中国机械工业出版社《谐波抑制和无功补偿》(ISBN7-111-06298-1/TM.728)第7章介绍了用于低压供电电网的有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行快速补偿。利用电力电子装置产生对应的谐波电流注入供电电网来抵消非线性负载产生的谐波电流,从而阻止谐波电流流入电网,避免电网电压畸变。根据需要,有源电力滤波器还能实现无功补偿功能。低压有源电力滤波器得到了广泛应用,但是由于电力电子器件耐压等级的限制,低压有源电力滤波器一般只能用于电压等级较低的电网(如380V或以下)。当电网电压等级较高(如6KV)时,通常采用低压有源电力滤波器加变压器耦合的方式。
美国专利US6075350提出了一种采用多个功率单元串联的有源电力滤波器,如图1所示。其原理是采用多个功率单元串联的方式实现高压有源电力滤波功能。其功率单元组成结构如图2所示。可以看出,组成逆变器的功率单元为单相H桥结构,由4个电力电子器件(包含反并联续流二极管)和直流环节电容及相关电路组成。
这种源电力滤波器正常工作时,所有功率单元直流母线电压必须控制在一合适的值。功率单元直流母线电压的控制是这种有源电力滤波器实现的难点。该专利提出的方法为:取其中某一功率单元直流母线电压作为反馈信号,与给定值比较,构成闭环控制,同时结合脉冲轮换的方法实现功率单元直流母线电压的控制和平衡。
该专利提出的有源电力滤波器存在的主要问题有:
1.直流母线电压控制方法只将某一特定功率单元的直流母线电压检测后传送至中央控制系统进行闭环调节,原则上只能实现该特定功率单元直流母线电压的控制。当功率单元之间特性和工况有差异时,即使采用了脉冲轮换的方法,由于其它功率单元的直流母线电压没有构成闭环控制,仍会出现其它功率单元的直流母线电压偏离给定值。
2.逆变器的输出端经过滤波器后直接连接到电网,当有源电力滤波器初次上电时,由于功率单元内部电容充电造成的冲击电流可能导致有源电力滤波器损坏。
3.当逆变器中任何一个功率单元故障时,整个有源电力滤波器就停止工作,不具有功率单元冗余功能。
中国专利200310115393.2提出了一种基于链式逆变器的无功发生装置的直流电压平衡电路,如图3所示。其原理是利用最小电容电压求取器得到所有功率单元直流母线电压中的最小值,然后将此值作为基准电压,将功率单元的直流母线电压与之进行误差调节,输出脉宽调制信号,经过放大器后调节功率单元直流母线电压,实现不同功率单元直流母线电压的平衡。
该发明能实现不同功率单元直流母线电压的平衡,但不能将功率单元的直流电压控制在某一设定值。此外,该发明中放电电阻二端没有设置续流二极管,当电阻内寄生电感较大时,直流母线调节用IGBT关断过程中产生的浪涌电压可能导致IGBT过压损坏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:提供一种克服上述不足、可实现每个功率单元直流母线电压控制的含有功率单元的有源电力滤波器及其控制方法。
本发明的技术方案一是:
一种用于有源电力滤波器的功率单元,包括H桥逆变电路,与H桥逆变电路直流母线连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路,斩波能耗电路;在所述斩波能耗电路中,放电电阻与电力电子器件串联后并接在所述H桥逆变电路直流母线两端,电压检测电路的输入端与所述H桥逆变电路的直流母线相连,电压设定电路的输出端和电压检测电路的输出端经过比较后的误差输入到电压控制电路,电压控制电路的输出端连接到驱动保护电路的输入端,驱动保护电路的输出端连接到电力电子器件的门极。
所述斩波能耗电路还包括与所述放电电阻反并联的续流二极管。
所述电压控制电路为滞环比较器、周期采样控制比较电路或开关电源用集成电路之中的一种,用于控制功率单元直流母线电压稳定在设定值。
在所述功率单元两输出端之间设有旁路电路。
在所述H桥逆变电路直流母线两端之间设有依次串联的充放电电路和储能电路。
所述旁路电路包括两个反向并联的可控硅和串接在所述功率单元一输出端与所述可控硅相连支路上的熔断器。
所述H桥逆变电路为二电平结构、三电平或多电平结构。
本发明的技术方案二是:
一种含有上述功率单元的有源电力滤波器,包括每相由至少一个功率单元组成的逆变器、电压检测电路、电流检测电路和中央控制系统;所述功率单元包括H桥逆变电路,与H桥逆变电路直流母线连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路,所述逆变器依次通过滤波电路、预充电电路、进线开关与电网相连;
所述功率单元还包括斩波能耗电路,实现对每个功率单元直流母线电压的控制;在所述斩波能耗电路中,放电电阻与电力电子器件串联后并接在所述H桥逆变电路直流母线两端,电压检测电路的输入端与所述H桥逆变电路的直流母线相连,电压设定电路的输出端和电压检测电路的输出端经过比较后的误差输入到电压控制电路,电压控制电路的输出端连接到驱动保护电路的输入端,驱动保护电路的输出端连接到电力电子器件的门极;
所述滤波电路为电抗器或LC滤波器,用于防止所述电网和所述逆变器两电压源直接耦合,同时利用该两电压源的电压差经所述电抗器作用后产生补偿电流;
所述预充电电路,由并联的限流电阻和接触器构成;当初次连接到电网时,用于限制所述功率单元内直流环节电容充电时产生的冲击电流;
所述中央控制系统中设有通过光纤向所述功率单元发送命令并接受来自所述功率单元反馈信息的光纤接口电路。
所述中央控制系统中的调理及A/D转换电路分别与用于检测电网电压的电压检测电路、用于检测所述逆变器输入电流的电流检测电路、用于检测负载电流的电流检测电路相连。
所述逆变器为三相逆变器,三相形成星形接法。
所述逆变器为三相逆变器,所述逆变器星形接法的中心点与三相电网的中心点连接。
所述逆变器为三相逆变器,三相构成三角形接法。
所述逆变器为单相逆变器,用于单相电网。
在所述功率单元两输出端之间设有旁路电路,用于将故障的功率单元自动旁路,剩余的功率单元继续工作。
还包括与所述中央控制系统相连的、用于散热的冷却装置。
还包括与所述中央控制系统相连的接口和通信电路,用于实现所述有源电力滤波器和牛部的接口及通信。
在所述H桥逆变电路直流母线两端之间设有依次串联的充放电电路和储能电路。
本发明的技术方案三是:
一种有源电力滤波器的控制方法,包括如下步骤:
1)谐波补偿电流计算:根据负载电流1L,经过谐波补偿电流计算环节,得到有源电力滤波器所需要吸收的谐波电流ih;
2)有功电流的给定:有功电流ip的相位和电网电压VS同相,其大小根据有源电力滤波器的容量按比例得到,并保证每个功率单元净有功吸取值和斩波能耗电路的放电功率平衡;
3)无功补偿电流计算:根据负载电流的无功分量和补偿后需要达到的目标功率因数,计算出有源电力滤波器需要提供的无功电流iq;
4)逆变器输入电流的给定值if=ih+ip+iq,检测逆变器实际输入电流1作为反馈值,经过电流调节和多电平PWM环节得到每个功率单元的触发脉冲,使逆变器输入电流的实际值跟踪给定值。
所述无功电流iq为零,谐波电流ih不为零,有源电力滤波器只实现谐波抑制功能。
所述谐波电流ih为零,无功电流iq不为零,有源电力滤波器只实现无功补偿功能,此时有源电力滤波器相当于静止无功发生器。
有益效果
本发明的有益效果在于:
本发明由于每个功率单元的直流母线二端并联有斩波能耗电路,解决了功率单元直流母线电压控制问题,实现了每个功率单元直流母线电压的独立控制。当有源电力滤波器初次上电时,电网电压会通过预充电电路给功率单元直流环节的电容进行充电,解决了初次上电时的冲击电流问题,使主回路器件选择更加合理,降低成本,同时减少对电网的冲击。由于功率单元特性的差异,每个功率单元的直流母线电压在充电过程中不一定相等,个别功率单元的直流母线电压可能偏高,这时斩波能耗电路就可以工作,确保功率单元的直流母线电压不会超过设定值,保证功率单元内电容和电力电子器件的安全;此时斩波能耗电路起到了预充电过程中串联在一起的功率单元之间直流母线电压的动态均衡功能。配备功率单元旁路电路后,能实现功率单元冗余功能,在功率单元故障情况下实现有源电力滤波器的继续运行。
本发明涉及的有源电力滤波器能应用于输变电、冶金、铁路等领域,尤其适用高压电网(380V以上,800KV以下),实现谐波抑制和动态无功补偿等功能。
附图说明
图1为美国专利US6075350功率单元串联式有源电力滤波器结构;
图2为美国专利US6075350的功率单元;
图3为中国专利200310115393.2的直流电压平衡电路;
图4为本发明的带斩波能耗电路的功率单元;
图5为本发明的带斩波能耗电路的功率单元串联式有源电力滤波器结构;
图6为电抗器增加滤波电容后组成LC滤波器的方案;
图7为有源电力滤波器控制原理图;
图8为有源电力滤波器工作时各支路电流波形;
图9为采用二个可控硅进行旁路的方法;
图10为用于三相四线制电网带零线的功率单元串联式有源电力滤波器;
图11为用于单相电网的功率单元串联式有源电力滤波器;
图12为增加储能环节和充放电控制电路后的功率单元。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
图4为本发明用于有源电力滤波器的带斩波能耗电路的功率单元。功率单元由四个功率器件组成H桥逆变电路,直流环节采用电容器进行滤波和储能,功率单元的直流母线二端并联有斩波能耗电路,实现功率单元直流母线电压的控制。
功率单元的电力电子器件Q1~Q4可以采用IGBT、MOSFET、IGCT、IEGT等器件,以IGBT为例说明。利用脉冲宽度调制(PWM)等方式实现直流变交流的逆变过程,输出所需的交流电压。逆变用的四个电力电子器件Q1~Q4分别和四个续流二极管D1~D4反并联,如图4所示。通常来说,现有的商品化IGBT模块已经把续流二极管和IGBT芯片封装在同一模块内。根据需要,图中所示的每个器件可以采用多个器件并联和/或串联实现,以扩展容量。每个功率单元除了上述主电路以外,还必须设置单元控制电路完成电力电子器件Q1~Q4的驱动、保护及功率单元的其它保护等功能,并通过光纤和中央控制系统进行通信。电力电子器件的驱动、保护及浪涌吸收电路和串并联技术等为本专业技术人员所公知,不再赘述。
电容器组C并联在直流母线二端,提供高频滤波和能量储存功能。电容器可采用电解电容或薄膜电容,根据需要可由多个电容串并联组成,串联时配备均压电阻。
斩波能耗电路401由电压设定电路、电压检测电路、电压控制电路、驱动保护电路、电力电子器件Q5、放电电阻Rb、续流二极管D5组成。
电压设定电路用于设定功率单元直流母线电压控制的目标值。设定值通常为一固定值,也可通过中央控制系统设定,根据不同的工作状态进行适当调整。
电压检测电路用于检测功率单元的直流母线电压,通常可用霍尔电压传感器或电阻分压等常用方法实现。
电压控制电路用于将功率单元直流母线电压的实际检测值Vdc与功率单元直流母线电压设定值Vdc*进行比较,其偏差经过滞环比较器或其它相应电路,输出脉宽调制信号。其目的是控制直流母线电压稳定在设定值。
驱动保护电路用于将电压控制电路输出的脉宽调制信号进行放大后连接到电力电子器件的门极,从而驱动电力电子器件。驱动保护电路同时对电力电子器件进行保护。比如,当检测到电力电子器件过流时,关闭触发脉冲。
电力电子器件Q5用于控制放电电阻Rb的工作,从而控制直流母线电压。电力电子器件Q5可以采用IGBT等电力电子器件。
放电电阻Rb和电力电子器件Q5串联后并联在功率单元直流母线二端。当电力电子器件Q5导通时,电容器组C上储存的能量通过放电电阻Rb进行放电,使得直流母线电压瞬时下降。
续流二极管D5和放电电阻Rb并联。主要作用是在电力电子器件Q5关断时给放电电阻Rb内寄生的寄生电感上流过的电流提供续流回路。当放电电阻Rb采用无感电阻时,续流二极管D5也可不设置。
电力电子器件Q5、放电电阻Rb以及反并联续流二极管D5的位置可以上下互换。
逆变器在工作过程中需要从电网吸取少量的有功功率以维持每个功率单元电容器组二端的直流母线电压。有源电力滤波器从电网吸取的有功功率扣除电抗器、H桥逆变环节、直流环节电容器组本身损耗等损耗后的功率定义为有源电力滤波器的净有功吸取值。当功率单元的净有功吸取值大于零时,功率单元直流环节电容被充电,直流母线电压上升,然后通过斩波能耗电路进行斩波放电,每个功率单元斩波能耗电路的平均放电功率和每个功率单元的净有功吸取值实现平衡,使直流母线电压控制在所需的数值。由于有源电力滤波器从电网吸取的有功功率非常小,‘如有源电力滤波器额定容量的1~2%,所以斩波能耗电路中电力电子器件的电流和放电电阻的平均功率也很小。但放电电阻的瞬时功率必须大于功率单元净有功吸取值,确保电力电子器件Q5导通时直流母线电压能瞬时下降。由于每个功率单元特性和工况会有差异,导致不同功率单元吸取的净有功不一致,但由于每个功率单元内采取了独立的斩波能耗电路,所以仍可保证每个功率单元直流母线电压的一致。
下面以滞环比较器作为电压控制电路的实现例子,说明斩波能耗电路的工作原理。每个功率单元直流母线电压的实际检测值Vdc与功率单元直流母线电压设定值Vdc*进行比较,其偏差经过具有滞环的比较器,控制电力电子器件Q5的导通或关断。滞环比较器的滞环宽度设定为2ΔVdc,其中ΔVdc为功率单元直流母线电压允许偏差。当实际检测值Vdc>Vd*c+ΔVdc时,滞环比较器输出高电平,经过驱动保护电路后使电力电子器件Q5导通,直流环节电容储存的能量通过放电电阻Rb进行放电,促使实际检测值Vdc下降。当Vdc<Vdc*-ΔVdc时,滞环比较器输出低电平,经过驱动保护电路后使电力电子器件Q5关断,停止放电,同时利用功率单元吸取的净有功促使直流母线电压上升。而当Vdcc*+Vdc>Vdc>Vdc*-ΔVdc时,滞环比较器输出不变。此反复通断,迫使直流母线电压跟踪设定值,仅在允许的误差范围2ΔVdc内锯齿状小幅波动,达到直流母线电压控制的目的。当然同时还需要对电力电子器件Q5的最高开关频率进行限制。
电压控制电路除了用滞环比较器外,还可采用周期采样控制比较电路、开关电源用集成电路等方式实现。
功率单元直流母线电压设定值Vdc*和功率单元直流母线电压允许偏差ΔVdc通常设为一固定值,也可通过中央控制系统设定,根据不同的工作状态进行适当调整。
功率单元直流母线电压设定值Vdo*设定原则为:在预充电过程及预充电结束后运行前,由于此时功率单元内电力电子器件Q1~Q4处于关断状态,相当于电网电压通过串联在一起的每个功率单元内的续流二极管D1~D4给每个功率单元的电容进行充电。功率单元直流母线电压设定值Vdc*确保要高于串联功率单元平均承受的直流母线电压。大部分功率单元的斩波能耗电路不作,仅有个别功率单元由于特性差异引起直流母线电压过高时通过斩波能耗电路进行调整。如果功率单元直流母线电压设定值Vdc*的设定值太低,会导致所有功率单元的直流母线电压一直高于设定值,电力电子器件Q5一直导通的情况,必须避免。在有源电力滤波装置正常工作时,应满足以下要求:功率单元串联后逆变器的最高输出电压足够支撑电网电压和电抗器L上的压降;考虑电网电压的正常波动;考虑谐波补偿时逆变器输出电压中叠加的谐波电压分量。
按照上述原则,可参考以下公式选择直流母线电压设定值Vdc*
Vdc*≥KUlnp/n
其中Ulnp为电网相电压峰值,n为每相串联功率单元个数,K为综合电网电压波动、电抗器压降和逆变器输出电压谐波分量后的系数,通常取1.2以上。
以线电压有效值为3KV的电网应用的有源电力滤波器为例,假设每相由3个功率单元串联而成,选择K=1.2,可得Vdc*≥1.2*(3000*1.414/1.732)/3=980V。可取功率单元直流母线电压设定值Vdc*为1000V。主电路可选择耐压为1700V的IGBT器件,选择额定电压为450V的电解电容3组串联。
图5为本发明的带斩波能耗电路的功率单元串联式有源电力滤波器的结构。包括每相由至少一个带斩波能耗电路的功率单元组成的逆变器、滤波电路、预充电电路、进线开关、电压检测电路和电流检测电路、中央控制系统、光纤、接口和通信电路、冷却装置等组成。
逆变器510每相由n(n大于等于1)个具有独立直流环节的带斩波能耗电路的功率单元依次串联而成。三相形成星形接法,串联后的高压输出端506,507,508通过滤波电路、预充电电路和进线开关后各自连接到电网的三相。每个功率单元输出为3个电平,分别为正的直流母线电压、负的直流母线电压和零电平,n个功率单元串联后逆变器输出相电压为2n+1个电平。通常而言,如图5中所示,逆变器中三相串联而成的功率单元形成星形接法。在特定情况下,也可将三相按照三角形接法连接。
滤波电路通常采用电抗器L作为滤波元件。电抗器L的作用是防止电网VS和逆变器输出Vf这二个电压源的直接耦合,同时利用二者的电压差经电抗器作用后产生需要补偿的电流。电抗器同时还对电力电子器件开关过程产生的高频谐波电流起到抑制作用。为了改善高频谐波抑制效果,降低有源电力滤波器的EMI(电磁干扰),除电抗器L外还可增加高频滤波电容C。组成LC滤波电路,如图6所示。滤波电路还可以采取其它各种公知的结构。电抗器可以采用如图5所示的三个单相电抗器,也可采用一个三相电抗器。电抗器可采用硅钢片或非晶合金等材料作为铁芯的电抗器或空心电抗器。
预充电电路的作用是当有源电力滤波器初次连接到电网时起到限制功率单元内电容充电时的冲击电流。如果没有预充电电路,当有源电力滤波器初次接入电网时,功率单元内的电容有一个充电过程,电网电压通过功率单元中的续流二极管D1、D2、D3和D4给每个功率单元的电容进行充电,此时四个续流二极管相当于组成了一个单相全桥整流电路。在电容未充电时,电容二端几乎相当于短路。由于逆变器和电网之间串联的电抗器L的阻抗有限,会造成很大的充电电流,对续流二极管、电容等器件造成损坏。
图5中,预充电电路由限流电阻R和接触器M并联组成,限流电阻R也可用电抗器代替,预充电电路在有源电力滤波器上电时起到限流作用,等功率单元内电容电压达到某一数值,如功率单元直流母线电压设定值Vdc*的70%时,通过中央控制系统吸合接触器M,将限流电阻旁路,完成预充电过程。也可通过检测充电电流下降到某一设定值,或延时一定的时间作为充电结束的依据。由于限流电阻工作时间很短,所以可设计成为短时工作制。接触器通常用三相交流接触器,也可用可控硅等无触点电子开关代替。在三相三线制应用时,为了节约成本,也可只在其中二相设置预充电电路。等预充电过程结束后,有源电力滤波器进入运行准备状态,随时接受运行指令,逆变器输出对应的电压进行谐波抑制和无功补偿。
进线开关VCB可采用真空断路器,如图5所示,也可采用熔断器加接触器等方案,用于有源电力滤波器不工作时和电网的隔离及在有源电力滤波器特定故障时切断电源,实现必要的保护。物理结构上,进线开关可集成在有源电力滤波器内部,也可单独设置在有源电力滤波器外部。
有源电力滤波器通常需要检测电网电压、负载电流和逆变器的输入电流作为反馈信号。电压检测装置可采用电压互感器、霍尔电压传感器、高压电阻分压等方法。可检测相电压Vsa,Vsb、和Vsc,或检测线电压Vsab、Vsbc和Vsca。电流检测装置通常采用霍尔电流传感器或其它高性能电流传感器,对于三相三线制电网,每套采用二个电流传感器即可,如图5中的电流传感器CT1和CT2用于检测负载电流,电流传感器CT3和CT4用于检测逆变器输入电流。对于三线四线制电网,负载电流检测至少需要三个电流传感器。
也可用检测总电流is的方法代替负载电流il的检测,即il=ie-if。这样,通过检测电网电压、总电流和逆变器输入电流作为反馈信号也可实现有源电力滤波器的控制。
中央控制系统509完成有源电力滤波器的核心控制功能,包括:调理及A/D转换电路、处理器、现场可编程门阵列、光纤接口电路、接口电路等组成。电压和电流检测电路的反馈信号经调理电路处理后经过A/D转换成数字信号,由处理器采集。处理器可采用DSP等高速数字信号处理器,根据采样的电压和电流进行负载的谐波电流和无功电流计算;然后根据谐波抑制和无功补偿要达到的目标,结合有功电流给定值,计算得到逆变器需要输入的电流;进行电流闭环控制,输出逆变器所需的电压指令。现场可编程门阵列器件可采用FPGA等器件,主要实现多电平PWM;光纤接口电路通过光纤给功率单元发送命令并接受来自功率单元的反馈信息,光纤传输的信号包括功率单元中电力电子器件的开关指令,功率单元的状态反馈,保护信号等。通常每个功率单元需要1对光纤,每台三相有源电力滤波器总共需要3n对光纤。中央控制系统同时还连接接口通信电路,实现和外部的接口、人机界面、通信等功能。中央控制系统还实现各种保护功能;协调控制预充电电路、冷却电路和进线开关等。
图7为有源电力滤波装置的控制原理图,图中的变量没有特别指明A,B,C三相,表示适用其中任何一相。控制算法通常通过硬件电路结合软件运算实现。
谐波补偿电流计算环节工作原理为:根据检测到的负载电流il,利用陷波器将负载电流中的基波分量ilf滤除,得到负载电流中的谐波分量ilb=il-ilf。然后根据需要达到的谐波补偿效果,得到有源电力滤波器所需要吸收的谐波电流lh*。在需要补偿全部谐波的情况下,ih*=-ilh。根据需要,也可专门针对特定次数的谐波进行针对性的补偿。
有功电流给定环节给定一有功电流ZP来保证功率单元吸收少量的有功功率,结合每个功率单元内的斩波能耗电路来独立控制每个功率单元直流母线电压。有功电流ZP的相位和电网电压Vs同相,其大小通常根据有源电力滤波器的容量,然后按照一定的比例得到,比如设定为额定电流的1~2%。有功电流ip*可以设定为一固定值,也可由中央控制系统根据运行工况进行适当调整。有功电流ZP*设置的原则是确保每个功率单元净有功吸取值和斩波能耗电路的平均放电功率平衡,实现直流母线电压的控制。
在同时需要进行无功补偿的场合,目标补偿电流还叠加了用于无功补偿的基波无功电流iq*。无功补偿电流计算环节工作原理为:利用锁相环等技术可得到的负载基波电流和电网电压之间的相位差,结合负载基波电流的幅值就可得到负载电流的无功分量。然后根据补偿后需要达到的目标功率因数,计算出有源电力滤波器需要提供的无功电流iq*。无功电流iq*和电网电压Vs相差90度,当无功电流iq*滞后电网电压Vs相位角为90度时,有源电力滤波器吸收感性无功;当无功电流iq*超前电网电压Vs相位角为90度时,有源电力滤波器发出感性无功。
综上所述,有源电力滤波器吸收的目标补偿电流可以包含三部分:用于抵消负载电流谐波分量的对应谐波电流1h*;用于维持功率单元直流母线电压的少量有功电流iP*;用于补偿负载无功的对应无功电流iq*。逆变器输入电流的给定值if-*=ih}*+iPt1*+iq*。当无功电流iq*为0时,谐波电流ih*不为0时,有源电力滤波器只实现谐波抑制功能;当谐波电流ih*为0时,无功电流lq*不为0时,有源电力滤波器只实现无功补偿功能,此时有源电力滤波器相当于静止无功发生器(SVG或STATCOM);当无功电流iq*和谐波电流In*均不为0时,有源电力滤波器同时实现谐波抑制和无功补偿功能。
检测逆变器实际输入的电流if作为反馈值,经过电流调节和多电平PWM环节后得到对应每个功率单元的触发脉冲,通过光纤传输到每个功率单元。电流调节通常采用比例积分调节器、比例调节器或其它电流控制方法,为了加快动态响应,可增设前馈环节。多电平PWM环节除了载波移相式多电平PWM方法外,还可以采取方波叠加拟合法、空间电压矢量控制法等方法。在单元控制电路性能足够的情况下,也可由光纤直接将逆变器输出电压指令Vf,传送给功率单元,由功率单元自身完成PWM控制功能,得到工GBT的触发脉冲。最终目的使逆变器输入电流实际值if快速跟踪给定值if*。
对于负载电流中谐波分量和无功分量的检测除了上述的方法外,还可以采用基于瞬时无功功率理论的实时检测方法和基于富利叶变换的方法。
图8为有源电力滤波器工作时各支路的电流波形,以A相为例,电流的参考方向按照图5中箭头所示。其中i la为A相的负载电流波形,可以看出由于负载为非线性整流负载,导致负载电流波形严重畸变,含有较大的谐波分量。当有源电力滤波器工作时,其A相输入电流波形如ifa所示。电网A相输出的总电流1sa=1la+1fa。可以看出,由于有源电力滤波器的作用,吸取了和负载电流中谐波分量相反的电流,或者可理解为发出了和负载电流中谐波分量等同的电流,导致总的电网电流中基本不含谐波,波形接近正弦波,从而保证了电网电压波形不产生畸变。接口和通信电路的作用是实现有源电力滤波器和外部的接口及通信功能,包括但不限于人机接口界面,如显示屏,指示灯,按钮等;外部控制和状态端子,如各种开关量、模拟量的输入和输出以及现场总线等。
冷却装置的作用是给IGBT或其它元件进行散热。通常可以将发热元件安装在散热片或热管上进行散热,冷却介质可以采用自然空气冷却、强迫通风冷却或水冷等。最终目的是保证器件的温度工作在允许范围内。
为了进一步提高装置的可靠性,可以采用功率单元旁路作为选件实现功率单元冗余功能。当功率单元故障时,自动将故障的功率单元旁路,剩余的功率单元继续工作。在逆变器输出电压有富裕的情况下,即每相旁路一个功率单元后剩余的功率单元串联后逆变器的输出电压足够和电网电压匹配时,可以通过旁路故障的功率单元实现有源电力滤波器继续运行。当功率单元输出电压达不到上述要求时,可以在原有基础上增加备用功率单元,即n+1的方法。正常工作时,每相的n+1个功率单元全部工作或选其中n个工作,当有功率单元故障被旁路后,确保剩余的n个功率单元能提供足够的输出电压。
带旁路功能的功率单元如图9所示。通过在现有功率单元基础上增加旁路电路901和所需的控制电路实现。功率单元正常时,可控硅SCR1和SCR2处于关断状态,当功率单元故障时,封锁电力电子器件Q1~Q4,然后触发可控硅导通,实现功率单元输出T1和T2的短接,完成旁路功能。通常还需要设置熔断器F,防止电力电子器件Q1~Q4故障无法关断时剩余的直流母线电压通过旁路电路短路造成旁路电路损坏。除了采用可控硅作为旁路开关外,也可采用其它的电力电子器件或接触器作为旁路开关。
一般而言,某一相功率单元故障旁路后,另外二相对应的功率单元也应该旁路,以保证逆变器三相电压的对称。也可采用中心点偏移式功率单元旁路技术,即只旁路故障的功率单元,通过结合三相电压之间的相位调节,将正常时的互差120度调节为其它角度,实现输出线电压的平衡。
有源电力滤波器可用于频率为50HZ,60HZ,400HZ或其它频率的供电网络。可用于三相三角形、星形接法(带零线或不带零线)的电网,或用于单相电网及多相电网(有源电力滤波器的相数和电网相数对应)。也可用于直流电网,如高压直流输电电网直流侧的谐波抑制。
有源电力滤波器还能实现三相负载电流不平衡的校正,降低流经电网的三相电流的不对称程度。
在三相四线制电网中,若把逆变器的中心点和负载的中心点连接,有源电力滤波器还能提供零序电流以减少流经电网零线的电流。对应的主电路如图10所示。此时,负载电流检测和逆变器输入电流检测各需要三个电流传感器。
用于单相电网的功率单元串联式有源电力滤波器主电路如图11所示。
若将功率单元直流环节的电容器由传统的电解电容或薄膜电容改成超级电容器后,在电网瞬时断电时,利用超级电容器储存的能量,有源电力滤波器能解决电网电压瞬时跌落问题。
如图12,在功率单元直流母线环节配备蓄电池组或超导线圈等储能电路及充放电电路,并结合有功功率控制,有源电力滤波器可以在电网断电时对负载持续供电,实现动态电压调节器(DVR)、电池储能系统(BESS)或超导储能系统(SMES)的功能。正常时有源电力滤波器从电网吸取对应的有功功率,给蓄电池组或超导线圈充电,当电网断电或跌落时,蓄电池组或超导线圈放电,有源电力滤波器向电网输出对应的有功功率。充放电电路可采用常规的蓄电池充放电电路或斩波式超导线圈能量控制电路。
功率单元除了图4所示的二电平H桥逆变电路结构外,逆变桥也可采用三电平(中心点钳位式)或多电平结构。在实际产品实现时,为了降低成本,减小体积,可以考虑在物理上把二个或多个功率单元做在一起,成为一个大单元。通常而言,一台有源电力滤波器内的功率单元规格相同,可以互换。在特殊情况下,也可采用不同电压规格的功率单元混合串联。
现有的低压有源电力滤波器由于采用的是二电平或三电平结构的三相PWM电路,为了达到理想的谐波滤波效果,电力电子器件的开关频率通常需要较高,如10KHZ。功率单元串联式有源电力滤波器中,每个功率单元内电力电子器件的开关频率可相对较低,如1KHZ左右,这样带来的优点是电力电子器件的开关损耗大大较低,同时有源电力滤波器产生的电磁干扰也大大降低。由于采用了单元串联多电平结构,逆变器输出电压等效的开关频率仍然很高,且输出相电压的电平数为2n+1个,能实现很好的谐波抑制效果。
有源电力滤波器通常和非线性负载并联使用,根据需要,也可以通过变压器耦合后串联在电源和非线性负载之间使用。当单台容量不够时,多台有源电力滤波器可并联使用以扩展容量。有源电力滤波器也可与无源电力滤波器进行混合使用,包括串联混合使用和并联混合使用等各种方式。根据需要,也可以采用变压器耦合的方法,把变压器的一侧(如6KV)接到有源电力滤波器,另一侧接到更高电压的电网(如110KV),使有源电力滤波器能用于更高电压的电网,同时串联功率单元的数量又不至于太多。采用变压器耦合时,当变压器的漏感足够大时,电抗器L可不设置,由变压器漏感代替。
以上参照本发明的具体实施方式描述了本发明,但本领域的普通技术人员显然可以对具体实施方式作各种修改、变化和改进,但这些修改、变化和改进都应该属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种含有功率单元的有源电力滤波器,每相由至少一个功率单元组成的逆变器、电压检测电路、电流检测电路和中央控制系统组成,所述功率单元包括H桥逆变电路,与H桥逆变电路直流母线连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路,其特征在于;所述逆变器依次通过滤波电路、预充电电路、进线开关与电网相连;
所述功率单元还包括斩波能耗电路,实现对每个功率单元直流母线电压的控制;在所述斩波能耗电路中,放电电阻与电力电子器件串联后并接在所述H桥逆变电路直流母线两端,电压检测电路的输入端与所述H桥逆变电路的直流母线相连,电压设定电路的输出端和电压检测电路的输出端经过比较后的误差输入到电压控制电路,电压控制电路的输出端连接到驱动保护电路的输入端,驱动保护电路的输出端连接到电力电子器件的门极;
所述滤波电路为电抗器,用于防止所述电网和所述逆变器两电压源直接耦合,同时利用该两电压源的电压差经所述电抗器作用后产生补偿电流;
所述预充电电路,由并联的限流电阻和接触器构成;当初次连接到电网时,用于限制所述功率单元内直流环节电容充电时产生的冲击电流;
所述中央控制系统中设有通过光纤向所述功率单元发送命令并接受来自所述功率单
元反馈信息的光纤接口电路;所述中央控制系统中的调理及A/D转换电路分别与用于检测电网电压的电压检测电路、用于检测所述逆变器输入电流的电流检测电路、用于检测负载电流的电流检测电路相连。
2.根据权利要求1所述的含有功率单元的有源电力滤波器,其特征在于:所述逆变器为三相逆变器,三相形成星形接法;所述逆变器星形接法的中心点与三相电网的中心点连接。
3.根据权利要求1所述的含有功率单元的有源电力滤波器,其特征在于:所述逆变器为三相逆变器,三相构成三角形接法。
4.根据权利要求1所述的含有功率单元的有源电力滤波器,其特征在于:所述逆变器为单相逆变器,用于单相电网。
5.根据权利要求1所述的含有功率单元的有源电力滤波器,其特征在于:在所述功率单元两输出端之间设有旁路电路,用于将故障的功率单元自动旁路,剩余的功率单元继续工作。
6.根据权利要求1所述的含有功率单元的有源电力滤波器,其特征在于:还包括与所述中央控制系统相连的、用于散热的冷却装置。
7.根据权利要求1所述的含有功率单元的有源电力滤波器,其特征在于:还包括与所述中央控制系统相连的接口和通信电路,用于实现所述有源电力滤波器和外部的接口及通信。
8.根据权利要求1所述的含有功率单元的有源电力滤波器,其特征在于:在所述H桥逆变电路直流母线两端之间设有依次串联的充放电电路和储能电路。
9.一种权利要求1所述含有功率单元的有源电力滤波器的控制方法,包括如下步骤:
1)谐波补偿电流计算:根据负载电流il,经过谐波补偿电流计算环节,得到有源电力滤波器所需要吸收的谐波电流ih*;
2)有功电流的给定:有功电流iP的相位和电网电压vS同相,其大小根据有源电力滤波器的容量按比例得到,并保证每个功率单元净有功吸取值和斩波能耗电路的放电功率平衡;
3)无功补偿电流计算:根据负载电流的无功分量和补偿后需要达到的目标功率因数,计算出有源电力滤波器需要提供的无功电流iq*;
4)逆变器输入电流的给定值if*=ih*+iP*+iq*,检测逆变器实际输入电流if为反馈值,经过电流调节和多电平PWM环节得到每个功率单元的触发脉冲,使逆变器输入电流的实际值跟踪给定值。
10.根据权利要求9所述含有功率单元的有源电力滤波器的控制方法,其特征在于:直流母线电压的控制方法的控制方法是:
1)所述无功电流iq*为零,谐波电流ih不为零,有源电力滤波器只实现谐波抑制功能;
2)所述谐波电流ih*为零,无功电流iq*不为零,有源电力滤波器只实现无功补偿功能,此时有源电力滤波器相当于静止无功发生器。
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