CN105811418A - 一种并联混合型单开关器件电力滤波器 - Google Patents

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沈爱弟
高迪驹
刘昭
褚建新
黄细霞
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Abstract

本发明设计了一种并联混合型单开关元件电力滤波器。该电力滤波器由无源滤波单元和有源滤波单元两部分组成。无源滤波单元为LC二阶滤波网络，串接在非线性负载的输入端，抑制特定次数的谐波；有源滤波单元并接在无源滤波单元的输入端，向电网注入等幅反向的谐波电流，补偿电网谐波电流分量，改善电网电流波形，同时提高电网功率因数。有源滤波单元采用单开关元件Boost升压电路，极大地减少了开关元件数量，简化主电路结构和控制单元，与传统有源滤波相比，有效地降低了滤波器的整体功耗。

Description

一种并联混合型单开关器件电力滤波器
技术领域
本发明涉及电力系统电能质量控制技术，具体是一种并联混合型单开关器件电力滤波器。
技术背景
随着电力电子技术的发展，电力电子设备在电力系统的应用日益广泛，由于这些设备在运行过程中呈现非线性、不平衡性和冲击性的特点，造成电网的电压与电流波形畸变、功率因数降低，导致电网电能质量劣化。近年来，出现了多种混合型滤波器，尽管它们的拓扑各有差异，但有源滤波部分多数采用全桥逆变技术。这些滤波器存在开关元件数量多、功耗大、效率低和电路结构复杂等缺陷。
本发明的并联混合型单开关元件滤波器，有源滤波单元以并联形式向电网注入补偿电流，降低电网电流谐波分量，提高电网功率因数。有源滤波的补偿电路应用Boost升压技术，采用单开关元件，简化主电路结构，降低控制单元的复杂度，提高电力滤波器的能耗效率。
发明内容
针对上述现状与相关技术存在的问题，本发明设计了一种并联混合型单开关元件电力滤波器。该电力滤波器由无源滤波单元和有源滤波单元两部分组成。无源滤波单元为LC二阶滤波网络，串接在非线性负载的输入端，抑制特定次数的谐波；有源滤波单元并接在无源滤波单元的输入端，向电网注入等幅反向的谐波电流，补偿电网谐波电流分量，改善电网电流波形，同时提高电网功率因数。有源滤波单元采用单开关元件Boost升压电路，极大地减少了开关元件数量，简化主电路结构和控制单元，与传统有源滤波相比，有效地降低了滤波器的整体功耗。
本发明并联混合型单开关元件滤波器的具体技术方案如下：
一种并联混合型单开关元件电力滤波器，由无源滤波单元和有源滤波单元两部分组成，。无源滤波单元为LC二阶滤波网络，串接在非线性负载的输入端，抑制特定次数的谐波。有源滤波单元由补偿电路和控制电路组成，并接在无源滤波单元的输入端，向电网注入等幅反向的谐波电流，补偿电网谐波电流分量。补偿电路由Boost电抗L、整流器、开关元件IGBT、续流二极管D和RC电路组成。控制电路包括峰值检测器、乘法器、参考电流信号源、电网电流实际信号绝对值电路、电网电流设定信号绝对值电路、PI调节器以及PWM发生器。
附图说明
图1是本发明并联混合型单开关元件电力滤波器结构示意图
图2是本发明并联混合型单开关元件电力滤波器的补偿电路示意图
图3是本发明并联混合型单开关元件电力滤波器的控制电路示意图
图4是本发明并联混合型单开关元件电力滤波器的控制电路信号波形示意图
其中，1是峰值检测器；2是乘法器；3是参考电流信号源；4是电网电流实际信号绝对值电路；5是电网电流设定信号绝对值电路；6是PI调节器；7是PWM发生器；11是无源滤波单元；12是非线性负载；13是补偿电路；14是控制电路；iS *是电网电流设定信号；iS是电网实际电流信号；iSabs *是电网设定电流绝对值信号；iSabs是电网实际电流绝对值信号；iSerr＝iSabs *-iSabs是偏差电流信号。
具体实施方式
本发明的并联混合型单开关元件电力滤波器由无源滤波单元11和有源滤波单元两部分组成，如图1所示。无源滤波单元11采用LC二阶滤波网络，串接在非线性负载12的输入端，抑制特定次数的谐波。有源滤波单元由补偿电路13和控制电路14组成，并接在无源滤波单元11的输入端，向电网注入等幅反向的谐波电流，补偿电网谐波电流分量，改善电网电流波形，同时提高电网功率因数。
(1)补偿电路
补偿电路13由Boost电抗L、整流器、开关元件IGBT、续流二极管D和RC电路组成，如图2所示。当IGBT导通时，二极管D截止，Boost电抗L在电网电压作用下电流线性上升，L存储的能量逐渐增加；当IGBT截止时，电抗L中电流不能突变而使两端电压反向，二极管D导通，二极管D和RC电路为电抗L中电流提供通路，电抗L中能量向电容C转移。补偿电路参数设计要求，在IGBT截止期间电抗L中电流不能降至零，存储在电抗L中的能量不能完全释放，保持一定的剩余量。这样，IGBT由截止变为导通时，电抗L中电流值取决于剩余能量。
假定电网电压不含谐波分量，为理想正弦波形：
uS(t)＝USsin(ωt)(1)
非线性设备的负载电流为：
式中，IL1-基波幅值；ω基波角频率；-基波初相位；n-谐波次数；ILn-n次谐波幅值；次谐波初相位。
负载电流的基波分量可以分解为有功分量与无功分量：
整合(2)式与(3)式，负载电流可改写为：
令补偿电流为：
电网电流为负载电流与补偿电流之和：
iS(t)＝iL(t)+iF(t)＝ILPsin(ωt)(6)
可见，通过有源滤波器的补偿，电网电流仅为负载电流的基波有功分量，消除了谐波分量，并使电网侧的功率因数提高为1。
(2)控制电路
控制电路的结构原理如图3所示，主要由峰值检测器1、乘法器2、参考电流信号源3、电网电流实际信号绝对值电路4、电网电流设定信号绝对值电路5、PI调节器6以及PWM发生器7组成。
峰值检测器1实时检测电网电流，获得电网瞬时电流的幅值。参考电流信号源3的参考电流信号是一个单位正弦信号。乘法器2将电网电流幅值和单位正弦信号作乘法运算，输出电网设定电流信号iS *，如图4所示。电网设定电流信号iS *是理想的正弦波，其幅值等于电网电流iS的峰值。电网电流实际信号绝对值电路4和电网电流设定信号绝对值电路5分别将电网电流实际信号与电网电流设定信号取绝对值运算，输出电网实际电流绝对值信号iSabs和电网设定电流绝对值信号iSabs *。PI调节器6对偏差电流信号iSerr(＝iSabs *-iSabs)作比例-积分运算，PWM发生器7根据调节器输出与载波信号向IGBT发送出发脉冲。IGBT的开关频率越高，补偿电路输出的电流波形越接近偏差电流，电网电流波形和功率因数越理想。但是，由于补偿电路的损耗以及寄生电容与电抗的存在，IGBT的开关频率不可能无限增加。

Claims (1)

1.一种并联混合型单开关元件电力滤波器，由无源滤波单元和有源滤波单元两部分组成，其特征在于，无源滤波单元为LC二阶滤波网络，串接在一个非线性负载的输入端，抑制特定次数的谐波；有源滤波单元由补偿电路和控制电路组成，并接在无源滤波单元的输入端，向电网注入等幅反向的谐波电流，补偿电网谐波电流分量；补偿电路由Boost电抗L、整流器、开关元件IGBT、续流二极管D和RC电路组成；电网交流电通过电抗L由整流器整流成直流，电抗L、二极管D和RC电路在IGBT导通与截止控制下实现充放电，电能在电抗L与电容C之间流动，形成补偿电流，改善电网电流波形；控制电路包括峰值检测器、乘法器、参考电流信号源、电网电流实际信号绝对值电路、电网电流设定信号绝对值电路、PI调节器以及PWM发生器，峰值检测器检测出电网电流最大值，并送给乘法器，乘法器将来自参考电流信号源的单位正弦信号与电网电流最大值作乘积运算，输出希望的电网设定电流信号，二个绝对值电路分别将电网电流实际信号与电网电流设定信号取绝对值运算，PI调节器对电网电流设定信号与实际信号的偏差作比例-积分运算，PWM发生器根据PI调节器输出与载波信号形成PWM脉冲，输出至IGBT触发端，控制IGBT的导通与截止。
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6154090A (en) * 1998-04-15 2000-11-28 Hilti Aktiengesellschaft Method of and an active filter for reducing a residual ripple of a current drawn by a load from a network
CN103368179A (zh) * 2013-05-21 2013-10-23 太原理工大学 一种混合电力滤波器
CN204928130U (zh) * 2015-07-22 2015-12-30 利思电气（上海）有限公司 一种带分时存能的高压有源滤波装置

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