CN104934978A - 两相连接方式级联型有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的两相连接方式级联型有源电力滤波器，由依次相连的电网部分、补偿装置和控制回路组成，电网部分包括相连的三相电网和非线性负载，控制回路用于根据指令电流对补偿装置进行PWM控制，补偿装置包括两个相同的H桥级联逆变器，两个相同的H桥级联逆变器分别与不同相电网相连，另一相被短接后接入第三相电网中。本发明两相连接方式级联型有源电力滤波器在实现谐波补偿的同时，还保留了三角形连接方式容易控制的优点，同时降低了H桥单元的总数量，节约了硬件成本；不但具备处理高压大容量功率的能力，同时满足补偿高次谐波的要求；可单独补偿5、7、11和13次谐波，单次谐波补偿率>90％，母线电流THD<5％。

Description

两相连接方式级联型有源电力滤波器

技术领域

本发明属于谐波治理技术领域，具体涉及一种两相连接方式级联型有源电力滤波器。

背景技术

随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，大功率电力电子装置以及大量冲击性负荷如电弧炉、电力机车等设备被广泛使用，公用电网已被谐波严重污染，这对电力系统安全、稳定、经济运行构成了严重威胁。

目前，谐波被认为是电网的一大公害，给电力系统带来了严重的谐波污染。而谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)。有源电力滤波器作为一种可动态补偿谐波的电力电子装置得到广泛的关注和研究，有源电力滤波器的基本原理是从待补偿对象中检测出谐波电流，由可控的功率半导体器件构成的补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对变化的谐波进行实时跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。

在谐波治理过程中，人们一方面希望谐波治理装置能够承受尽可能高的电压，具备尽可能大的功率处理能力；另一方面，为了满足补偿高次谐波的要求，又希望这些大功率电力电子装置能够工作在高开关频率下。但以现有电力电子器件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的，往往功率越大开关频率越低。为了解决这一矛盾，谐波治理装置一般采用多重化和多电平技术，即多电平级联型有源电力滤波器。

多电平级联型有源电力滤波器主要由多个H桥逆变器串联而成。在高压大容量应用场合，当装置接入电网时，多个H桥逆变器串联，实现多个H桥单元共同承受网侧高压。同时控制每个H桥逆变器的输出电平，多个H桥的输出电平台阶互相组合，以逼近正弦输出电压。作为新型高压大容量功率变换器，它可弥补一般APF容量不足的缺陷。

对于多电平级联型有源电力滤波器，其连接方式分为星形连接和三角形连接。对于星形连接，单相H桥承受相电压，星形连接时存在中性点悬浮问题，不对称补偿能力弱，并且不易实现负序补偿；对于三角形连接，单相H桥承受线电压，三角形连接方式下中性点消失，因此不存在中性点悬浮问题。但是对于三角形连接，单相H桥需承受线电压，在同等电压等级下，相比于星形连接，三角形连接的单相H桥数量增加了大约一倍，所用H桥数量较多。故本专利(两相连接方式级联型有源电力滤波器)综合了星形连接级联APF和三角形连接级联APF各自的优点，在实现谐波补偿的同时，它保留了三角形连接方式较易控制的优点，同时降低了H桥单元的总数量，节约了硬件成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两相连接方式级联型有源电力滤波器，其综合了星形连接方式级联型APF和三角形连接方式级联型APF各自的优点，在实现谐波补偿的同时，还保留了三角形连接方式下较易控制的优点，同时降低了H桥单元的总数量，节约了硬件成本。

本发明所采用的技术方案是：两相连接方式级联型有源电力滤波器，由依次相连的电网部分、补偿装置和控制回路组成，电网部分包括相连的三相电网和非线性负载，控制回路用于根据指令电流对补偿装置进行PWM控制，补偿装置包括两个相同的H桥级联逆变器，两个相同的H桥级联逆变器分别与不同相电网相连，另一相被短接后接入第三相电网中。

本发明的特点还在于，

控制回路包括依次相连的指令电流计算单元、电流跟踪控制单元和驱动单元组成，所述指令电流计算单元用于获取非线性负载中的5、7、11和13次谐波分量；电流跟踪控制单元用于实现两个H桥级联逆变器发出的谐波电流与指令电流的跟踪控制，两个H桥级联逆变器发出的谐波电流与指令电流的误差经过处理后与三角波比较，实现PWM调制；驱动单元用于将调制后的PWM信号进行功率放大，驱动开关管，最终实现对两个H桥级联逆变器的PWM控制。

本发明的有益效果是：本发明两相连接方式级联型有源电力滤波器综合了星形连接级联APF和三角形连接级联APF各自的优点，在实现谐波补偿的同时，还保留了三角形连接方式较易控制的优点，同时降低了H桥单元的总数量，节约了硬件成本。具有以下有益效果：

1、不但具备处理高压大容量功率的能力，同时满足补偿高次谐波的要求；

2、相比于星形连接，不存在中性点悬浮问题，不对称补偿能力强，可实现分相补偿；

3、综合了星形连接和三角形连接的优点，在实现谐波补偿的同时，保留了三角形连接方式较易控制的优点，同时降低了H桥单元的总数量，相比于三角形连接，在同等条件下，H桥单元的总数量减少1/3，节约了硬件成本；

4、可单独补偿5，7，11，13次谐波，单次谐波补偿率>90％，母线电流THD<5％。

附图说明

图1是本发明的两相连接方式级联型有源电力滤波器的结构示意图；

图2是本发明的两相连接方式级联型有源电力滤波器的单次谐波电流检测流程图；

图3是本发明的两相连接方式级联型有源电力滤波器的电流跟踪流程图；

图4是本发明的两相连接方式级联型有源电力滤波器的补偿前后的三相电网电流波形对比图。

图中，1.电网部分，2.控制回路，3.补偿装置，4.H桥级联逆变器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的两相连接方式级联型有源电力滤波器的补偿原理为：根据对称分量法，如果系统是三角形接法，或者是没有中性线(包括以地为中性线)的星形接法，三相电流之和总为零，不存在零序电流分量。因此三相电流可以分解为对称的正序分量和负序分量。

以三相不控整流桥为例，a,b,c三相负载电流为i_al,i_bl,i_cl，各相负载电流的基波和谐波有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{al}=i_{af}+\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{i}_{af(6k\&PlusMinus;1)}\\ i_{bl}=i_{bf}+\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{i}_{bf(6k\&PlusMinus;1)}\\ i_{cl}=i_{cf}+\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{i}_{cf(6k\&PlusMinus;1)}\end{array}\right.---\left(1\right),$

其中，i_af、i_bf、i_cf为a,b,c三相基波电流，i_af(6k±1)、i_bf(6k±1)、i_cf(6k±1)(k＝1,2,3......n)为a,b,c三相谐波电流，谐波次数为6k±1次(k＝1,2,3...n)。

根据对称分量法，三相谐波存在如下关系式：

i_af(6k±1)+i_bf(6k±1)+i_cf(6k±1)＝0(k＝1,2,3...n)      (2)，

由式(2)可知，对于任意次谐波都存在上述关系，以5次谐波为例，当k＝1时，对于5次谐波有：

i_af5+i_bf5+i_cf5＝0              (3)，

对于式(3)，若

i_af5＝0,i_cf5＝0             (4)，

则有

i_bf5＝0                (5)。

式(3)、(4)、(5)的物理意义在于，对于5次谐波，若APF装置发出和a,c两相5次谐波电流大小相等方向相反的电流，使a,c两相的5次谐波电流被装置发出的5次谐波电流抵消，即i_af5＝0,i_cf5＝0，则b相5次谐波i_bf5＝0，这样就实现了三相谐波补偿。

同理，对于5次以上的谐波i_af(6k±1)、i_bf(6k±1)、i_cf(6k±1)(k＝1,2,3......n)，也可以用相同的原理来实现三相谐波补偿。

本发明提供的两相连接方式级联型有源电力滤波器的结构如图1所示，由依次相连的电网部分1、补偿装置3和控制回路2组成，电网部分1包括相连的三相电网和非线性负载，控制回路2用于根据谐波电流对补偿装置3进行PWM控制，补偿装置3包括两个相同的H桥级联逆变器4，两个相同的H桥级联逆变器4分别与不同相电网相连，另一相被短接后接入第三相电网中。

本发明的两相连接方式级联型有源电力滤波器谐波补偿的具体工作过程包括以下步骤：

步骤一，首先通过传感器采集a相电网电压信号U_sa、三相负载电流信号i_abcl和H桥级联逆变器4发出的谐波电流信号i_abcf。i_abcl代表了一系列负载电流信号的集合，这其中包括三相负载电流i_al，i_bl和i_cl。i_abcf代表了一系列谐波信号的集合，这其中包括H桥级联逆变器4发出谐波电流i_af和i_cf；

步骤二，指令电流计算单元根据获得的a相电网电压信号U_sa和三相负载电流信号i_abcl，计算负载中的5、7、11、13次谐波分量。指令电流计算单元的输出信号为i_abcf.ref，i_abcf.ref为三相谐波谐波指令信号i_ah，i_bh和i_ch的集合。对指令电流计算单元，单次谐波分量的提取方法如如图2所示：

首先通过传感器检测网侧相电压U_sa，然后由软件锁相环得到h次谐波的实时同步相位hwt，计算正弦信号sin(hωt)和其相对应的余弦信号-cos(hωt)。同时将检测得到的网侧三相负载电流i_al、i_bl、i_cl，经过C_αβ坐标变换到静止坐标系α-β下(3/2变换)，进而得到两相静止矢量i_α、i_β，然后经过C_pq3对上述两相静止矢量进行p-q坐标变换，得出其变换后的瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q。经过3/2变换和p-q变换便可以将负载电流中的单次谐波电流分离出来，再通过低通滤波器进行滤波后即可得到其直流分量，经过p-q逆变换和2/3变换得到所需的三相负载电流单次谐波分量i_ah、i_bh、i_ch，

其中：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)---\left(6\right),$

$C_{\mathrm{\&alpha;}\mathrm{\&beta;}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}p& -\frac{\sqrt{3}}{2}p\end{array}\right)---\left(7\right),$

式中，p表示相序，正序时p＝1，负序时p＝-1。一般而言，(3n+1)次谐波为正序，而(3n-1)次谐波为负序，不同相序的谐波其α-β变换有所不同。

步骤三，电流跟踪控制单元如图3所示，以i_abc.ref为参考，将i_abc.ref和i_abcf作差后，经过PI控制器输出，将PI控制器的输出和三角载波比较后输出PWM控制信号。每一相的H桥级联逆变器4是多个H桥的串联，同一相内不同H桥是通过载波移相的方法来实现调制的；

步骤四，驱动单元用于将调制后的跟踪控制信号进行功率放大，驱动开关管，最终实现对两个H桥级联逆变器4的PWM控制。

以10kV、1MVA的系统为例，星形连接方式，三角形连接方式和本发明两相连接方式级联型有源电力滤波器的对比效果如表1所示：

表1

为了验证本发明的两相连接方式级联型有源电力滤波器的谐波补偿效果、谐波补偿原理以及谐波检测方法的正确性以及有效性，在MATLAB/Simulink上搭建仿真环境，本发明的两相连接方式级联有源电力滤波器补偿前与补偿后的三相电网电流对比图如图4所示，其谐波补偿效果如表2所示：

表2

从其中可知，单独补偿5，7，11，13次谐波，单次谐波补偿率>90％，母线电流THD<5％。

Claims (2)

1.两相连接方式级联型有源电力滤波器，其特征在于，由依次相连的电网部分(1)、补偿装置(3)和控制回路(2)组成，所述电网部分(1)包括相连的三相电网和非线性负载，所述控制回路(2)用于根据指令电流对补偿装置(3)进行PWM控制，所述补偿装置(3)包括两个相同的H桥级联逆变器(4)，所述两个相同的H桥级联逆变器(4)分别与不同相电网相连，另一相被短接后接入第三相电网中。

2.如权利要求1所述的两相连接方式级联型有源电力滤波器，其特征在于，所述控制回路(2)包括依次相连的指令电流计算单元、电流跟踪控制单元和驱动单元组成，所述指令电流计算单元用于获取非线性负载中的5、7、11和13次谐波分量；所述电流跟踪控制单元用于实现两个H桥级联逆变器(4)发出的谐波电流与指令电流的跟踪控制，两个H桥级联逆变器(4)发出的谐波电流与指令电流的误差经过处理后与三角波比较，实现PWM调制；所述驱动单元用于将调制后的跟踪控制信号进行功率放大，驱动开关管，最终实现对两个H桥级联逆变器(4)的PWM控制。