CN104993679A - 一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器 - Google Patents

Abstract

一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器。涉及有源滤波装置。拓扑结构简单，不需要大容量直流储能元件。包括三组呈Y型连接的相补偿电路，该相补偿电路包括滤波电感、浮动电容和八个带反向并联二极管的功率开关管。本发明的有益效果是无需使用传统三电平有源滤波器拓扑结构中的大容量直流储能元件，大大降低了成本，也缩小了装置体积；浮动电容选取寿命较长的薄膜电容，提高了装置的可靠性，也降低了装置的维护成本；新型拓扑结构相比于传统三电平有源滤波器的拓扑结构更加简单，从而使电能损耗和控制算法的复杂性降低，维护更加方便。

Description

一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器

技术领域

本发明涉及到一种有源滤波装置，尤其是一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器。

背景技术

随着电力电子技术的深入发展与广泛应用，以谐波和无功功率为主的电能质量问题日趋严重。电力电子设备工作所产生的谐波会对局部电网产生严重的污染，主要体现在会增加开关器件的附加损耗，使电能的发生、传输及使用效率大大降低；可能造成继电保护和自动装置发生误动作，使电能计量出现混乱；使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；可能引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。无功功率对供电系统和负载的运行都是十分重要的，无功功率的波动会产生很多不利影响，比如引起电网电压的波动与震荡，造成电压波形的严重畸变，降低了电网的稳定性。

有源滤波器作为电能变换技术应用的典型代表，能有效地综合治理谐波与无功功率引起的电能质量问题。国家知识产权局2012-04-04公开的发明专利申请（专利名称：一种三电平四桥臂有源滤波器装置，申请号：ZL2011103899097）公开了一种三电平四桥臂有源滤波器装置，采用三电平四桥臂逆变器和鲁棒控制器实现滤波功能，其缺陷在于，三电平四四桥臂逆变器采用交-直-交拓扑结构实现电流的整流逆变，结构复杂，对电能损耗多，为了实现滤波功能其直流侧需要用电解电容作为大容量储能元件，电解电容存在稳定性差，体积大，维护费用高，使用周期短等缺点。

发明内容

鉴于传统三电平有源滤波器的以上问题，发明了一种拓扑结构简单，不需要大容量直流储能元件的基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器。

本发明的技术方案是：

包括三组相补偿电路，相补偿电路中包括滤波电感、浮动电容和第一~第八带反向并联二极管的功率开关管；滤波电感与相补偿电路对应的电网相母线连接；三组相补偿电路呈Y型连接，三组相补偿电路的Y型连接的连接节点位于第六或第七带反向并联二极管的功率开关管的集电极连接端；浮动电容连接于第二带反向并联二极管的功率开关管的集电极和第三带反向并联二极管的功率开关管的集电极之间。

相补偿电路的连接方式为：第一带反向并联二极管的功率开关管的集电极与所述滤波电感的另一端相连接，第二带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第一带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第二带反向并联二极管的功率开关管的集电极与所述浮动电容相连接，所述浮动电容的另一端与第三带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第三带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第四带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第四带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第一带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第五带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第二带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第五带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第六带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第六带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第七带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第七带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第八带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第八带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第三带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接。

相补偿电路中，第一带反向并联二极管的功率开关管与第四带反向并联二极管的功率开关管、第二带反向并联二极管的功率开关管与第三带反向并联二极管的功率开关管、第五带反向并联二极管的功率开关管与第八带反向并联二极管的功率开关管、第六带反向并联二极管的功率开关管与第七带反向并联二极管的功率开关管互补导通。

第一~第八带反向并联二极管的功率开关管的驱动信号是脉冲信号；

脉冲信号的相位差为180°；所述脉冲信号通过脉冲宽度调制。

第一~第八带反向并联二极管的功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

浮动电容为薄膜电容。

本发明采用三组结构简单的呈Y型连接的相补偿电路实现对电网中谐波分量的过滤，每组相补偿电路都由滤波电感、浮动电容和八个带反相并联的二极管的功率开关管连接而成。相较于传统三电平有源滤波器采用的交-直-交结构实现滤波功能，本发明省略了中间直流环节，降低电能损耗；简化了装置的拓扑结构，降低了控制算法难度，使安装维修更加方便；规避了传统三电平有源滤波器中直流侧的大容量储能元件所存在的可靠性低，装置体积大、使用寿命短、安装维护不方便等缺点；本发明所使用的浮动电容采用了高稳定性、小体积、低成本的薄膜电容，提高了装置可靠性降低了装置成本。

附图说明

图1为本发明的一组相补偿电路结构示意图，

图2为本发明的有源滤波器的主电路拓扑结构示意图，

图3为本发明并联于电网的结构示意图；

图中

L是连接于不同相母线的三个滤波电感（L_a、L_b、L_c），

C是连接于三组相补偿电路的浮动电容（C_a、C_b、C_c），

1是第一带反向并联二极管的功率开关管（S_a11、S_b11、S_c11），

2是第二带反向并联二极管的功率开关管（S_a12、S_b12、S_c12），

3是第三带反向并联二极管的功率开关管（S_a13、S_b13、S_c13），

4是第四带反向并联二极管的功率开关管（S_a14、S_b14、S_c14），

5是第五带反向并联二极管的功率开关管（S_a21、S_b21、S_c21），

6是第六带反向并联二极管的功率开关管（S_a22、S_b22、S_c22），

7是第七带反向并联二极管的功率开关管（S_a23、S_b23、S_c23），

8是第八带反向并联二极管的功率开关管（S_a24、S_b24、S_c24）。

具体实施方式

本发明如图1-3所示，相补偿电路中包括滤波电感L、浮动电容C和第一~第八带反向并联二极管的功率开关管1-8；

滤波电感L与相补偿电路对应的电网相母线连接；

三组所述相补偿电路呈Y型连接，三组所述相补偿电路的Y型连接的连接节点位于第六带反向并联二极管的功率开关管6的集电极连接端或第七带反向并联二极管的功率开关管7的集电极连接端；

所述浮动电容C连接于第二带反向并联二极管的功率开关管2的集电极和第三带反向并联二极管的功率开关管3的集电极之间。

所述相补偿电路的连接方式为：第一带反向并联二极管的功率开关管1的集电极与所述滤波电感L的另一端相连接，第二带反向并联二极管的功率开关管2的发射极与第一带反向并联二极管1的功率开关管的发射极相连接，第二带反向并联二极管的功率开关管2的集电极与所述浮动电容C的一端相连接，所述浮动电容C的另一端与第三带反向并联二极管的功率开关管3的集电极相连接，第三带反向并联二极管的功率开关管3的发射极与第四带反向并联二极管的功率开关管4的发射极相连接，第四带反向并联二极管的功率开关管4的集电极与第一带反向并联二极管的功率开关管1的集电极相连接，第五带反向并联二极管的功率开关管5的集电极与第二带反向并联二极管的功率开关管2的集电极相连接，第五带反向并联二极管的功率开关管5的发射极与第六带反向并联二极管的功率开关管6的发射极相连接，第六带反向并联二极管的功率开关管6的集电极与第七带反向并联二极管的功率开关管7的集电极相连接，第七带反向并联二极管的功率开关管7的发射极与第八带反向并联二极管的功率开关管8的发射极相连接，第八带反向并联二极管的功率开关管8的集电极与第三带反向并联二极管的功率开关管3的集电极相连接。

所述相补偿电路中，第一带反向并联二极管的功率开关管1与第四带反向并联二极管的功率开关管4、第二带反向并联二极管的功率开关管2与第三带反向并联二极管的功率开关管3、第五带反向并联二极管的功率开关管5与第八带反向并联二极管的功率开关管8、第六带反向并联二极管的功率开关管6与第七带反向并联二极管的功率开关管7互补导通。

第一~第八带反向并联二极管的功率开关管1-8的驱动信号是脉冲信号；脉冲信号的相位差为180°；脉冲信号通过脉冲宽度调制。第一~第八带反向并联二极管的功率开关管，为使用寿命长，导通与关断的反应时间短，性能稳定的绝缘栅双极型晶体管。浮动电容为体积小，使用时间长，性能更加可靠的薄膜电容。

如图2所示，三组呈Y型连接的相补偿电路。

A相补偿电路包含滤波电感L(L_a)、浮动电容C（C_a）和八个带反向并联二极管的功率开关管1~8（S_a11、S_a12、S_a13、S_a14、S_a21、S_a22、S_a23、S_a24）。其中滤波电感L(L_a)一端与A相补偿电路对应的电网A相母线连接，另一端与带反向并联二极管的功率开关管1（S_a11）的集电极和带反向并联二极管的功率开关管4（S_a14）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管1（S_a11）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管2（S_a12）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管2（S_a12）的集电极与浮动电容C（C_a）的一端和带反向并联二极管的功率开关管5（S_a21）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管3（S_a13）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管4（S_a14）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管3（S_a13）的集电极与浮动电容C（C_a）的另一端和带反向并联二极管的功率开关管8（S_a24）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管5（S_a21）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管6（S_a22）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管6（S_a22）的集电极与带反向并联二极管的功率开关管7（S_a23）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管7（S_a23）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管8（S_a24）的发射极连接。所有功率开关管的门极都接收PWM脉冲驱动信号，其中带反向并联二极管的功率开关管1（S_a11）与带反向并联二极管的功率开关管4（S_a14）、带反向并联二极管的功率开关管2（S_a12）与带反向并联二极管的功率开关管3（S_a13）、带反向并联二极管的功率开关管5（S_a21）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_a24）、带反向并联二极管的功率开关管6（S_a22）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_a23）互补导通，即PWM脉冲驱动信号相位相差180°。A相补偿电路在输入电压正半周情况下包括四种工作模式，第一种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管1（S_a11）与带反向并联二极管的功率开关管5（S_a21）导通，第二种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管1（S_a11）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_a24）导通，第三种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管4（S_a14）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_a24）导通，第四种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管4（S_a14）与带反向并联二极管的功率开关管5（S_a21）导通；A相补偿电路在输入电压负半周情况下包括四种工作模式，第一种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管2（S_a12）与带反向并联二极管的功率开关管6（S_a22）导通，第二种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管2（S_a12）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_a23）导通，第三种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管3（S_a13）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_a23）导通，第四种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管3（S_a13）带反向并联二极管的功率开关管3（S_a13）与带反向并联二极管的功率开关管6（S_a22）导通。

B相补偿电路包含滤波电感L(L_b)、浮动电容C（C_b）和八个带反向并联二极管的功率开关管1~8（S_b11、S_b12、S_b13、S_b14、S_b21、S_b22、S_b23、S_b24）。其中滤波电感L(L_b)一端与B相补偿电路对应的电网B相母线连接，另一端与带反向并联二极管的功率开关管1（S_b11）的集电极和带反向并联二极管的功率开关管4（S_b14）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管1（S_b11）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管2（S_b12）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管2（S_b12）的集电极与浮动电容C（C_b）的一端和带反向并联二极管的功率开关管5（S_b21）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管3（S_b13）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管4（S_b14）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管3（S_b13）的集电极与浮动电容C（C_b）的另一端和带反向并联二极管的功率开关管8（S_b24）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管5（S_b21）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管6（S_b22）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管6（S_b22）的集电极与带反向并联二极管的功率开关管7（S_a23）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管7（S_b23）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管8（S_b24）的发射极连接。所有功率开关管的门极都接收PWM脉冲驱动信号，其中带反向并联二极管的功率开关管1（S_b11）与带反向并联二极管的功率开关管4（S_b14）、带反向并联二极管的功率开关管2（S_b12）与带反向并联二极管的功率开关管3（S_b13）、带反向并联二极管的功率开关管5（S_b21）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_b24）、带反向并联二极管的功率开关管6（S_b22）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_b23）互补导通，即PWM脉冲驱动信号相位相差180°。B相补偿电路在输入电压正半周情况下包括四种工作模式，第一种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管1（S_b11）与带反向并联二极管的功率开关管5（S_b21）导通，第二种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管1（S_b11）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_b24）导通，第三种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管4（S_b14）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_b24）导通，第四种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管4（S_b14）与带反向并联二极管的功率开关管5（S_b21）导通；B相补偿电路在输入电压负半周情况下包括四种工作模式，第一种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管2（S_b12）与带反向并联二极管的功率开关管6（S_b22）导通，第二种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管2（S_b12）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_b23）导通，第三种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管3（S_b13）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_b23）导通，第四种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管3（S_b13）带反向并联二极管的功率开关管3（S_b13）与带反向并联二极管的功率开关管6（S_b22）导通。

C相补偿电路包含滤波电感L(L_c)、浮动电容C（C_c）和八个带反向并联二极管的功率开关管1~8（S_c11、S_c12、S_c13、S_c14、S_c21、S_c22、S_c23、S_c24）。其中滤波电感L(L_c)一端与C相补偿电路对应的电网C相母线连接，另一端与带反向并联二极管的功率开关管1（S_c11）的集电极和带反向并联二极管的功率开关管4（S_c14）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管1（S_c11）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管2（S_c12）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管2（S_c12）的集电极与浮动电容C（C_c）的一端和带反向并联二极管的功率开关管5（S_c21）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管3（S_c13）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管4（S_c14）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管3（S_c13）的集电极与浮动电容C（C_c）的另一端和带反向并联二极管的功率开关管8（S_c24）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管5（S_c21）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管6（S_c22）的发射极连接，带反向并联二极管的功率开关管6（S_c22）的集电极与带反向并联二极管的功率开关管7（S_c23）的集电极连接，带反向并联二极管的功率开关管7（S_c23）的发射极与带反向并联二极管的功率开关管8（S_c24）的发射极连接。所有功率开关管的门极都接收PWM脉冲驱动信号，其中带反向并联二极管的功率开关管1（S_c11）与带反向并联二极管的功率开关管4（S_c14）、带反向并联二极管的功率开关管2（S_c12）与带反向并联二极管的功率开关管3（S_c13）、带反向并联二极管的功率开关管5（S_c21）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_c24）、带反向并联二极管的功率开关管6（S_c22）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_c23）互补导通，即PWM脉冲驱动信号相位相差180°。C相补偿电路在输入电压正半周情况下包括四种工作模式，第一种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管1（S_c11）与带反向并联二极管的功率开关管5（S_c21）导通，第二种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管1（S_c11）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_c24）导通，第三种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管4（S_c14）与带反向并联二极管的功率开关管8（S_c24）导通，第四种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管4（S_c14）与带反向并联二极管的功率开关管5（S_c21）导通；C相补偿电路在输入电压负半周情况下包括四种工作模式，第一种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管2（S_c12）与带反向并联二极管的功率开关管6（S_c22）导通，第二种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管2（S_c12）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_c23）导通，第三种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管3（S_c13）与带反向并联二极管的功率开关管7（S_c23）导通，第四种工作模式是带反向并联二极管的功率开关管3（S_c13）带反向并联二极管的功率开关管3（S_c13）与带反向并联二极管的功率开关管6（S_c22）导通。

运用交-交变频，取消中间直流环节，同时也取消了直流环节所必须采用的大容量直流储能元件，也就克服了大容量直流储能元件体积大，而且性能不稳定，使用寿命短，安装维护不方便的缺点；取消中间直流环节，使电路的拓扑结构简单，降低控制算法的难度，降低电能损耗，节约了能源，降低了成本。

运用基于虚拟正交电源的电压合成策略，即对所述三电平直接交-交变换器的占空比进行实时控制，实现对输出电压幅值、相位、频率的连续调节。从而可产生与电网谐波电流幅值相等、相位相反的补偿电流，将谐波分量消除，并且可以发出指定无功电流，实现有源滤波器的功能。

Claims (6)

1.一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器，包括三组相补偿电路，其特征在于，

所述相补偿电路中包括滤波电感、浮动电容和第一~第八带反向并联二极管的功率开关管；

所述滤波电感与相补偿电路对应的电网相母线连接；

三组所述相补偿电路呈Y型连接，三组所述相补偿电路的Y型连接的连接节点位于第六或第七带反向并联二极管的功率开关管的集电极连接端；

所述浮动电容连接于第二带反向并联二极管的功率开关管的集电极和第三带反向并联二极管的功率开关管的集电极之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器，其特征在于，

所述相补偿电路的连接方式为：第一带反向并联二极管的功率开关管的集电极与所述滤波电感的另一端相连接，第二带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第一带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第二带反向并联二极管的功率开关管的集电极与所述浮动电容相连接，所述浮动电容的另一端与第三带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第三带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第四带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第四带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第一带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第五带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第二带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第五带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第六带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第六带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第七带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接，第七带反向并联二极管的功率开关管的发射极与第八带反向并联二极管的功率开关管的发射极相连接，第八带反向并联二极管的功率开关管的集电极与第三带反向并联二极管的功率开关管的集电极相连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器，其特征在于，

所述相补偿电路中，第一带反向并联二极管的功率开关管与第四带反向并联二极管的功率开关管、第二带反向并联二极管的功率开关管与第三带反向并联二极管的功率开关管、第五带反向并联二极管的功率开关管与第八带反向并联二极管的功率开关管、第六带反向并联二极管的功率开关管与第七带反向并联二极管的功率开关管互补导通。

4.根据权利要求3所述的一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器，其特征在于，

所述第一~第八带反向并联二极管的功率开关管的驱动信号是脉冲信号；

所述脉冲信号的相位差为180°；

所述脉冲信号通过脉冲宽度调制。

5.根据权利要求1所述的一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器，其特征在于，

所述第一~第八带反向并联二极管的功率开关管为绝缘栅双极型晶体管。

6.根据权利要求1所述的一种基于三电平直接交-交变换器的有源滤波器，其特征在于，

所述浮动电容为薄膜电容。