CN109473987B - 一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置 - Google Patents

一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，涉及高频谐波并联补偿技术领域，本发明所提供的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，通过谐波源模拟非线性负载产生谐波；通过在有源滤波器内设电容，使电容串接在源滤波器与三相交流电网之间，可以有效降低有源滤波器输出侧的电压等级，使有源滤波器可以应用于高压网络；同时对基波电流表现出高阻抗，对谐波电流表现出低阻抗；通过有源滤波器产生能够与谐波源产生的谐波中的负载电流中的谐波电流分量相互抵消的谐波补偿电流，从而解决现有有源滤波器主要使用IGBT开关器件，使得有源滤波器对于高频谐波的补偿能力受制于IGBT的开关频率，无法有效对高频谐波进行补偿的缺点。

Description

一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置
技术领域
本发明属于高频谐波并联补偿技术领域，尤其涉及一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置。
背景技术
近些年来，电网中接入了大量的分布式新能源发电设备，使得电网的电源类型与特性、电网的拓扑结构和负荷构成等都发生着深刻变化，致使电网中的谐波表现出低次谐波含量逐渐降低、中高频段谐波含量不断上升、谐波频域跨度大的“宽频域”新特征。同时由于长距离输电线路的分布参数等效于在电路中串接了多个LCL电路，导致特定频率的谐波由于线路的谐振而出现放大现象，产生很强的电磁干扰，对电力系统的安全、优质、经济运行构成潜在威胁，并对周围电气环境造成潜在污染。
现阶段针对谐波的抑制措施包括预防性措施与补偿性措施。
预防性措施主要指在供电设备或者变流器设计、制造的时候针对谐波采取的限制方法，例如增加变流器的脉动数或者采用可控整流对其谐波进行抑制。
补偿性措施包括采取无源滤波器改变输电线参数或者使用有源滤波器进行谐波补偿。无源滤波器可以有效滤除特定频率的谐波，其成本低，但滤波效果不好，如果谐振频率设定不妥，会与系统发生谐振。有源滤波器效果相对无源滤波器要好，但其性能会受到电力电子元件耐压值以及额定电流的限制。目前大多数的有源滤波器主要使用IGBT开关器件，使得有源滤波器对于高频谐波的补偿能力受制于IGBT的开关频率，无法有效对高频谐波进行补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，从而解决了现有有源滤波器主要使用IGBT开关器件，使得有源滤波器对于高频谐波的补偿能力受制于IGBT的开关频率，无法有效对高频谐波进行补偿的缺点。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，包括：有源滤波器和谐波源；
所述谐波源，其并联于三相交流电网上，用于模拟非线性负载产生谐波；
所述有源滤波器，其并联于所述谐波源与三相交流电网之间，用于产生能够与所述谐波源产生的负载电流中的谐波电流分量相互抵消的谐波补偿电流；
所述有源滤波器内设有电容，所述电容串接在所述有源滤波器与三相交流电网之间，用于降低所述有源滤波器输出侧的额定电压，同时使所述有源滤波器对基波电流表现出高阻抗。
进一步的，所述有源滤波器包括并联混合型有源滤波器和控制回路；
所述电容设置在所述并联混合型有源滤波器中，所述并联混合型有源滤波器中设有开关管；所述有源滤波器用于通过所述控制回路控制并联混合型有源滤波器输出谐波补偿电流，谐波补偿电流能够与所述谐波源产生的负载电流中的谐波电流分量相互抵消达到谐波补偿的目的；
所述控制回路，用于将采集到的所述谐波源产生的负载电流变换到基于alpha/beta坐标系的信号，然后对负载电流中特定频率的谐波电流进行采样，并对得到的负载电流进行相位补偿，得到所述有源滤波器的谐波补偿分量，即基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量(属于谐波电流补偿信号中的一部分)；再将所述基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量转换为基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量；最后通过将所述有源滤波器产生的直流侧电压补偿分量与所述基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量相叠加使有源滤波器的谐波电流补偿信号中包含直流侧电压控制信号，滞环控制器根据该(包含直流侧电压控制信号的)谐波电流补偿信号，控制所述并联混合型有源滤波器产生相应的谐波补偿电流。
进一步的，所述开关管采用碳化硅。
进一步的，所述控制回路包括：
谐波采样装置，其输入端同所述谐波源的输出端连接，用以将采集到的所述谐波源产生的负载电流变换到基于alpha/beta坐标系的信号，提取所述负载电流中特定频率的谐波电流分量，用于作为参考，从而控制有源滤波器产生一个等幅同频反相的补偿电流，即基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量；
直流侧电压控制模块，其并联在坐标转换模块上，用于产生直流侧电压的控制信号，并将所述直流侧电压的控制信号叠加到谐波采样装置输出的信号中；
所述坐标转换模块，与所述谐波采样装置连接，用于将所述基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量变换至基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量，并将所述直流侧电压的控制信号叠加至基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量中用以控制直流侧电压，然后将叠加后的信号变换到基于三相坐标系的信号；及
所述滞环控制器，其输入端与所述坐标转换模块的输出端连接，输出端连接到并联混合型有源滤波器的开关管处，用于根据所述基于三相坐标系的信号产生门级信号，并通过所述门级信号控制所述并联混合型有源滤波器产生谐波补偿电流。
进一步的，所述谐波采样装置为基于二阶广义积分器的谐波采样装置。
进一步的，所述谐波采样装置包括串联的谐波电流提取模块和二阶低通滤波器。
进一步的，所述滞环控制器通过添加电压外环控制所述有源滤波器产生的直流侧电压。
进一步的，所述谐波采样装置通过电流互感器采集到的所述谐波源产生的负载电流保证有源滤波器直流侧电压的恒定。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明所提供的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，通过谐波源模拟非线性负载产生谐波；通过在有源滤波器内设电容，使电容串接在源滤波器与三相交流电网之间，可以有效降低有源滤波器输出侧的电压等级，使有源滤波器可以应用于高压网络；同时对基波电流表现出高阻抗，对谐波电流表现出低阻抗；通过有源滤波器产生能够与谐波源产生的谐波中的负载电流中的谐波电流分量相互抵消的谐波补偿电流，从而解决现有有源滤波器主要使用IGBT开关器件，使得有源滤波器对于高频谐波的补偿能力受制于IGBT的开关频率，无法有效对高频谐波进行补偿的缺点。
2、本发明所提供的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，通过在控制回路中引入特定的二阶低通滤波器调节电容特性，使电容在特定的频率下表现出电阻特性，从而改善引入电容造成的谐波补偿电流相位偏移问题，对特定的高次谐波进行补偿。
3、本发明所提供的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，采用碳化硅器件作为有源滤波器的开关管，碳化硅是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，与普通的硅IGBT相比，碳化硅开关管具有高耐压，高开关速率的优点，其耐压等级与开关频率均优于硅IGBT，使得基于碳化硅器件的有源滤波器可以应用于高频高压场合。选用碳化硅开关管作为有源滤波器的开关管，利用其高频开关的性能可以将有源滤波器应用于高次谐波污染严重的网络。
4、本发明所提供的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，采用基于二阶广义积分器的方法对线路中的特定频率谐波进行采样，控制有源滤波器产生相应的补偿电流。由于二阶广义积分器本身的滤波特性以及低通滤波器的存在，有源滤波器调制产生的开关谐波不会对线路造成干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置的原理示意图；
其中：1-LC串联电路，2-有源滤波器一，3-谐波电流提取模块，4-二阶滤波器，5-坐标转换模块，6-直流侧电压控制模块，7-滞环控制器，8-谐波源，9-有源滤波器；
图2是本发明本实施例的相频曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所提供的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置包括：有源滤波器9和谐波源8；有源滤波器9的输入端并联在三相交流电网；电容C设置在有源滤波器9中，电容C串接在有源滤波器9与三相交流电网之间，用于降低有源滤波器9输出侧的额定电压，基波电流表现出高阻抗,同时使有源滤波器9对基波电流表现出高阻抗；谐波源8并联在有源滤波器9与三相交流电网连接之间，用于模拟非线性负载产生谐波这一特性。谐波源8输出的isa、isb、isc为负载电流，负载电流中包含基波电流分量与所要滤除的谐波电流分量。
继续参考图1，有源滤波器9包括并联混合型有源滤波器和控制回路。其中，并联混合型有源滤波器包括三组分别连接在三相交流电网上的LC串联电路1，LC串联电路1又均连接至有源滤波器一2；LC串联电路1包括依次串联在三相交流电网上的电容C和电感L，其中的电容C用于降低有源滤波器9输出侧的额定电压，电感L用于滤除有源滤波器9本身的开关谐波；有源滤波器一2包括电容Cdc和三组分别并联在电容两端的开关管组，每组电容开关组均包括两个串联的开关管，开关管g1～g6均为碳化硅开关管，碳化硅开关管能够应用于高频高压场合。通过控制回路控制所有开关管，再经过LC串联电路1输出的iAfa、iAfb、iAfc为谐波补偿电流，谐波补偿电流能够与谐波源8产生的负载电流中的谐波分量相互抵消，达到谐波补偿的目的。
本实施例采用的电容C＝100μF，电感L＝5mH。
进一步参考图1，控制回路的输入端与谐波源8(即负载)的输出端连接，输出端与开关管连接，用于将采样到的谐波源产生的负载电流变换到基于alpha/beta坐标系的信号，然后对负载电流中特定频率的谐波电流进行采样，并使用二阶滤波器对得到的负载电流进行相位补偿，得到有源滤波器9的谐波补偿分量，即基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量(属于谐波电流补偿信号中的一部分)；再将基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量转换为基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量(属于谐波电流补偿信号中的一部分)；最后通过将控制回路产生的直流侧电压补偿分量(属于谐波电流补偿信号中的另一部分)与基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量(属于谐波电流补偿信号中的一部分)相叠加使有源滤波器9的谐波电流补偿信号中包含直流侧电压控制信号，滞环控制器7根据该(包含直流侧电压控制信号的)谐波电流补偿信号，控制并联混合型有源滤波器产生相应的谐波补偿电流。
控制回路包括：谐波采样装置，坐标转换模块5，直流侧电压控制模块6及滞环控制器7。
谐波采样装置的输入端同谐波源8(即负载)的输出端连接，通过电流互感器CT采集到的谐波源8产生的负载电流，将采集到的负载电流变换到基于alpha/beta坐标系的信号，提取负载电流中特定次数的谐波分量，用于作为参考，从而控制有源滤波器9产生一个等幅同频反相的补偿电流，即基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量；
直流侧电压控制模块6并联在坐标转换模块5上，直流侧电压控制模块6用于产生直流侧电压的控制信号，并将直流侧电压的控制信号叠加到谐波采样装置输出的信号中；
坐标转换模块5与谐波采样装置连接，用于将基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量变换至基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量，并将直流侧电压的控制信号叠加至基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量中用以控制直流侧电压，之后将叠加后的信号变换到基于abc三相坐标系的信号；
滞环控制器7的输入端与坐标转换模块5的输出端连接，输出端连接到有源滤波器9的开关管处，滞环控制器7用于根据基于三相坐标系的信号产生门级信号，并通过门级信号对开关管9控制从而使有源滤波器9的并联混合型有源滤波器产生一个等幅同频反相的谐波补偿电流。
再进一步参考图1，谐波采样装置采用基于二阶广义积分器(SOGI)的谐波检测方法对线路中的谐波采样，二阶广义积分器包含一个低通滤波器和一个带通滤波器，通过设定二阶广义积分器的中心角频率，能够达到提取特定频率谐波的目的。谐波采样装置的输入端输入为负载电流，输出为负载电流中指定频率的谐波电流分量isαh、isβh。通过将谐波电流分量作为参考，控制有源滤波器9产生一个等幅同频反相的补偿电流。
谐波采样装置包括谐波电流提取模块3和二阶低通滤波器4，谐波电流提取模块3的输入端与谐波源8(即负载)的输出端连接；二阶低通滤波器4的输入端与谐波电流提取模块3的输出端连接。谐波电流提取模块3的基本原理是对指定频率的信号无衰减，对其他信号有衰减作用，可以等效为一个带通滤波器，对应的传递函数为：
Figure BDA0001909201370000081
式(1)中，k为
Figure BDA0001909201370000083
n为谐波次数，ω0为中心角频率，ω0＝2πf，其中f为谐波频率(s是一个用于传函分析的变量，这里不做说明)。
二阶低通滤波器4在此处的作用为修正电流相位，当电流流经一个二阶滤波器4与电容的串联时，由其相频曲线可以看到在特定的频率处电流不会发生相位的变化(如图2中曲线上的点所示)，即对外表现出电阻特性。二阶低通滤波器4的传递函数为：
Figure BDA0001909201370000082
式(2)中：ωc取0.2π；h为谐波需要补偿相位的谐波次数，这里取23(对23次谐波进行修正)，ω1为基波频率，ω1＝100π，C取100μF。
坐标转换模块5中包括串联的alpha/beta静止坐标系至d/q旋转坐标系模块和d/q旋转坐标系模块至abc静止坐标系模块，其中alpha/beta静止坐标系模块至d/q旋转坐标系模块的信号变换矩阵C2S/2R为：
Figure BDA0001909201370000091
d/q旋转坐标系模块至abc静止坐标系模块的信号的变换矩阵C2S/3R为：
Figure BDA0001909201370000092
式(3)和式(4)中，θ为a相电压的旋转角度。
直流侧电压控制模块6采用PI控制器，输入为参考电压与实际电压的误差值，输出为所需的控制信号，PI控制器的传递函数为：
Figure BDA0001909201370000093
式(5)中，kp为比例参数，ki为积分参数，取值不固定，需要根据具体应用场景调整。
滞环控制器7是将补偿电流的参考信号与实际的补偿电流信号进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，当参考电流与实际电流的差值大于某个阈值时，滞环比较器发生相应动作，利用滞环比较器产生控制有源滤波器9的开关管的调制信号，控制有源滤波器9产生补偿电流。将直流侧电压参考值udcref与实际值udc的误差信号经PI控制器后得到调节信号，作为无功电流参考值叠加到无功电流分量(既dq旋转坐标系中的q轴分量)中，这里因为主电路中电容的串入使有源滤波器9的电流为无功电流，故使用dq坐标系中的q轴分量控制有源滤波器直流侧电压，将直流侧电容电压调节至指定值。
实施例1：
isa，isb，isc为谐波源8(负载)输出的电流，其中包括基波分量isaf，isbf，iscf与谐波分量isah(n)，isbh(n)，isch(n)，其中isah(n)表示a相电流第n次谐波，isbh(n)表示b相电流第n次谐波，isch(n)表示c相电流第n次谐波，即：
Figure BDA0001909201370000101
式(6)中，∑nisah(n)表示a相所有频率谐波之和，∑nisbh(n)表示b相所有频率谐波之和，∑nisch(n)表示c相所有频率谐波之和。
假设谐波源8中含有第23次谐波，则对应的谐波源电流的表达式如式(7)所示：
Figure BDA0001909201370000102
将谐波采集装置提取到的谐波源电流从abc三相静止坐标系变换至alpha/beta两相静止坐标系下，三相静止坐标系变换至两相静止坐标系的计算公式如式(8)所示：
Figure BDA0001909201370000103
变换后的电流为(0轴分量为0)如式(9)所示：
Figure BDA0001909201370000111
变换后的电流isα和isβ经过谐波电流提取模块3后输出谐波电流中频率等于谐波电流提取模块3的中心角频率的电流分量，通过设定谐波电流提取模块3的中心角频率为23次基波频率可以达到这一目的，谐波电流提取模块3仅输出电流中的谐波分量为isαh和isβh，如式(10)所示：
Figure BDA0001909201370000112
提取出的谐波分量isαh和isβh经过二阶低通滤波器4进行相位补偿，此时的二阶滤波器4的传递函数G1为：
Figure BDA0001909201370000113
式(11)中，ω1为基波频率100π，h为谐波需要补偿相位的谐波次数，在这里是23，这里的二阶低通滤波器主要目的仅仅是对谐波补偿电流进行相位的调整，用以抵消串联的电容对其相位的影响；
之后将二阶低通滤波器4的输出的电流变换到d/q静止坐标系模块下，在其q轴上叠加电压控制分量，根据alpha/beta静止坐标系模块到d/q旋转坐标系模块的信号变换公式(3)，可以得到：
Figure BDA0001909201370000114
将电压调节值叠加到q轴分量(也就是式12中的isqh)中，假设此处电压调节值为iu，则isqh’＝isqh+iu，则
Figure BDA0001909201370000115
之后将d/q旋转坐标系变换为abc静止坐标系后取反，便能够得到有源滤波器9输出补偿电流的指定值，补偿电流的指定值与有源滤波器9输出补偿电流的实际值相减得到误差，作为滞环控制的输入，滞环控制调节此误差于设定的阈值内，理想情况下，误差为0，d/q旋转坐标系模块到abc静止坐标系模块的变换公式如公式(4)所示；
坐标变换并反相后得到有源滤波器9输出的参考电流，在理想情况下这也就是有源滤波器9输出的电流iref为：
Figure BDA0001909201370000121
令isah(23)，isbh(23)，isch(23)分别为：
isah(23)＝Icos(θ)
Figure BDA0001909201370000122
Figure BDA0001909201370000123
带入式(12)和式(13)，再带入式(14)可得：
Figure BDA0001909201370000124
iref即有源滤波器9需要理想的输出电流，从而滞环控制器7输出gate1～gate6信号控制并联混合型有源滤波器的开关管输出补偿电流。可以看出有源滤波器产生了与谐波源8同频反相的谐波电流，幅值稍有差异是由于为了维持有源滤波器直流侧电压的恒定，需要在直流侧与交流侧交换能量。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，其特征在于：包括：有源滤波器和谐波源；所述谐波源，其并联于三相交流电网上，用于模拟非线性负载产生谐波；
所述有源滤波器，其并联于所述谐波源与三相交流电网之间，用于产生能够与所述谐波源产生的负载电流中的谐波电流分量相互抵消的谐波补偿电流；
所述有源滤波器内设有电容，所述电容串接在所述有源滤波器与三相交流电网之间，用于降低所述有源滤波器输出侧的额定电压，同时使所述有源滤波器对基波电流表现出高阻抗；
所述有源滤波器包括并联混合型有源滤波器和控制回路；
所述电容设置在所述并联混合型有源滤波器中，所述并联混合型有源滤波器中设有开关管；
所述有源滤波器用于通过所述控制回路控制并联混合型有源滤波器输出谐波补偿电流，谐波补偿电流能够与所述谐波源产生的负载电流中的谐波电流分量相互抵消达到谐波补偿的目的；所述开关管采用碳化硅；
所述控制回路，用于将采集到的所述谐波源产生的负载电流变换到基于alpha/beta坐标系的信号，然后对负载电流中特定频率的谐波电流进行采样，并对得到的负载电流进行相位补偿，得到所述有源滤波器的谐波补偿分量，即基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量；再将所述基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量转换为基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量；最后通过将所述有源滤波器产生的直流侧电压补偿分量与所述基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量相叠加使有源滤波器的谐波电流补偿信号中包含直流侧电压控制信号，滞环控制器根据该谐波电流补偿信号，控制所述并联混合型有源滤波器产生相应的谐波补偿电流；
所述控制回路包括谐波采样装置，所述谐波采样装置为基于二阶广义积分器的谐波采样装置，所述谐波采样装置包括串联的谐波电流提取模块和二阶低通滤波器，通过设定所述二阶广义积分器的中心角频率提取特定频率谐波；
所述有源滤波器包括并联混合型有源滤波器和控制回路，所述并联混合型有源滤波器包括三组分别连接在三相交流电网上的LC串联电路，LC串联电路又均连接至有源滤波器一，有源滤波器一包括电容Cdc和三组分别并联在电容两端的开关管组，每组电容开关组均包括两个串联的开关管；
所述二阶低通滤波器的传递函数G为：
Figure FDA0003662470600000011
上式中，s是一个用于传函分析的变量，ωc取0.2π；h为谐波需要补偿相位的谐波次数，ω1为基波频率，ω1＝100π，C取100μF；
所述有源滤波器产生的直流侧电压补偿分量通过所述基于d/q旋转坐标系的q轴相叠。
2.根据权利要求1所述的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，其特征在于：所述控制回路包括：
谐波采样装置，其输入端同所述谐波源的输出端连接，用以将采集到的所述谐波源产生的负载电流变换到基于alpha/beta坐标系的信号，提取所述负载电流中特定频率的谐波电流分量，用于作为参考，从而控制有源滤波器产生一个等幅同频反相的补偿电流，即基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量；
直流侧电压控制模块，其并联在坐标转换模块上，用于产生直流侧电压的控制信号，并将所述直流侧电压的控制信号叠加到谐波采样装置输出的信号中；
所述坐标转换模块，与所述谐波采样装置连接，用于将所述基于alpha/beta坐标系的谐波补偿分量变换至基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量，并将所述直流侧电压的控制信号叠加至基于d/q旋转坐标系的谐波补偿分量中用以控制直流侧电压，然后将叠加后的信号变换到基于三相坐标系的信号；及
所述滞环控制器，其输入端与所述坐标转换模块的输出端连接，输出端连接到并联混合型有源滤波器的开关管处，用于根据所述基于三相坐标系的信号产生门级信号，并通过所述门级信号控制所述并联混合型有源滤波器产生谐波补偿电流。
3.根据权利要求1所述的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，其特征在于：所述滞环控制器通过添加电压外环控制所述有源滤波器产生的直流侧电压。
4.根据权利要求1所述的基于碳化硅的高频谐波并联补偿装置，其特征在于：所述谐波采样装置通过电流互感器采集到的所述谐波源产生的负载电流。
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