CN204361686U - 一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，可实现对基波磁通补偿滤波器基波电流的准确跟踪。该系统包括供电单元、检测单元1、补偿变压器单元、H级联桥电流补偿单元、控制器单元、PWM调制波单元、检测单元2、无源滤波器单元、负载谐波源单元。其中，控制器单元的控制基于PI^λD^μ进行，以实现具体参数的调节。该系统把检测单元1分离出的基波电流正弦波信号作为载波移相的参考信号，通过调节H级联桥电流补偿单元电压的幅值间接达到快速跟踪基波电流，其中电压环控制器采用分数阶PI^λD^μ控制器。本实用新型通过采用载波移相级联H桥多电平的方法，达到提高基波磁通补偿有源滤波器容量的目的，增强了电路的安全性。

Description

一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统

技术领域

本实用新型属于电力电子与电力传动技术领域，具体涉及一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统。

背景技术

近年来，随着高压直流输电和轨道交通的快速发展，大量的电力电子变流装置及非线性负载得到了广泛的应用，从而使得电力系统谐波污染问题更加严重。有源滤波器技术在滤除谐波方面具有良好的动态抑制特性，同时还能够补偿无功，是一种得到工程验证的有效滤波方法。

目前传统有源滤波器的电路拓扑结构主要有：并联无源加并联有源相结合、并联无源加串联有源滤波器相结合、无源和有源滤波器串联联接。

并联无源加并联有源相结合，这种方案有两种形式，一种是并联型有源滤波器滤除低次谐波，而无源滤波器滤除高次谐波，这种方案对减小有源滤波器的容量起不到明显的作用，因开关频率要求不高，故实现大容量会更容易一些。另一种是无源滤波器包括多组单调谐滤波器和高通滤波器，并联有源滤波器仍起着谐波补偿作用，无源滤波器滤除大部分谐波，所需的有源滤波器的容量可以大幅度降低，但是需要对有源滤波器进行有效的控制以防止可能发生的谐振。这种装置在使用时，系统与有源滤波器及有源滤波器与无源滤波器之间存在谐波通道，特别是有源滤波器与无源滤波器之间的谐波通道，可能使有源滤波器注入的谐波又流入系统及无源滤波 器中。

并联无源加串联有源滤波器相结合，这种方案在1988年由Peng F Z等人提出，采用串联有源滤波器和并联无源滤波器构成，将一个电流互感器一次侧串联联接在电力系统和谐波源之间，根据瞬时无功功率理论检测出系统的谐波电流，采用PWM逆变器产生与串入系统的谐波电流成K倍比例的谐波电压施加在电流互感器的二次侧，这样有源滤波器对谐波而言相当于阻值为K的电阻，而对基波阻抗为零。这种方案中串联型有源滤波器不是直接补偿谐波而是起提高系统的谐波阻抗的作用，从而使谐波流入无源支路。其优点是可以采用较小容量的有源滤波器和并联无源滤波器结合完成大容量的滤波任务，缺点是K很难确定，设计不好可能导致系统稳定性问题。

并联无源和有源滤波器串联联接，这种方案并联无源滤波器起抑制谐波的作用，而有源滤波器用来提高无源滤波器的性能，克服了只用无源滤波器的缺点。该有源滤波器的容量远小于普通的并联型有源滤波器的容量。由于注入变压器联接在Y型联接的无源滤波器的中性点上，方便保护隔离，因此更适合于高电压系统中应用，但是该电路对电网中的谐波电压非常敏感。

文献“基于载波移相技术的H桥级联高压APF研究”分析了H级联桥在传统有源滤波器中的应用，但是该文献并未涉及基波磁通补偿技术。专利号为CN200810197002.9，名称为“一种串联混合型有源电力滤波装置”的发明专利申请设计了一种基于基波磁通补偿的混合型有源滤波器，但是 该专利并未考虑大容量情况下采用多电平技术，没有考虑到被补偿正弦波电流信号完全可以作为载波移相调制波的调制信号。

目前，基于多电平技术的基波磁通补偿滤波器还未见报道。并且，目前关于基波磁通补偿滤波器补偿电流变换器拓扑结构的研究主要是在两电平的情况下进行的，具有一定的局限性。而现实中，有源滤波器的容量越来越大，器件的安全性、能耗与容量是矛盾的，利用多电平技术能够很好的解决这一问题，更加接近现实情况。

综上所述，考虑到目前基波磁通补偿滤波器两电平存在的问题，需要一种新的多电平系统解决上述问题。

实用新型内容

为克服上述缺陷，本实用新型提供了一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，该系统基于H级联桥多电平拓扑本身的优良特性，利用载波移相调制技术，把被补偿电流的正弦波信号作为载波移相的调制信号，通过分数阶PI^λD^μ控制器调节，使H级联桥变换器输出电流快速跟踪基波电流，从而实现多电平大容量基波磁通补偿滤波的效果。

为实现上述目的，本实用新型提供一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，其特征在于：该系统包括供电单元、检测单元1、补偿变压器单元、H级联桥电流补偿单元、控制器单元、PWM调制波单元、检测单元2、无源滤波器单元、负载谐波源单元；

其中，控制器单元采用分数阶PI^λD^μ控制器进行控制；

供电单元的输出端与检测单元1的输入端连接，检测单元1的第一输 出端与补偿变压器单元的一次侧连接，检测单元1的第二输出端与控制器单元的第一输入端连接，补偿变压器单元的二次侧与无源滤波器单元的输入端连接，补偿变压器单元的输出端与检测单元2的第一输入端连接，无源滤波器单元的输出端与负载谐波源单元的输入端连接，检测单元2的输出端与控制器单元的第二输入端连接，控制器单元的输出端与PWM调制波单元的输入端连接，PWM调制波单元的输出端与H级联桥电流补偿单元的输入端连接，H级联桥电流补偿单元的输出端与检测单元2的第二输入端连接；

检测单元1分离出系统中的基波电流，为多电平载波移相电流补偿提供参考信号；

H级联桥电流补偿单元为补偿变压器单元注入满足基波磁通补偿条件的电流，检测单元2为控制器单元输送反馈电流信号，PWM调制波单元为H级联桥电流补偿单元提供载波移相调制波信号，无源滤波单元为谐波提供低阻抗通道。

所述H级联桥电流补偿单元中的功率器件采用基于碳化硅材料制成的全控功率器件。

所述H级联桥电流补偿单元的拓扑采用多电平结构，具体包括H级联桥电路拓扑、二极管钳位多电平拓扑、飞跨电容钳位多电平拓扑、模块化多电平扑结构。

所述H级联桥电路拓扑由两个或两个以上模块化H桥单元串联组成，拓扑单元电压电平数≥5。

与现有技术相比，本实用新型基于多电平大容量基波磁通补偿滤波系统具有以下优势：

1)对于m电平的逆变器，所需的单相全桥逆变器个数和独立电源个数为(m-1)/2，输出相电压的电平数为m，输出线电压的电平数为2m-1。电平数越多，输出电压波形中的谐波含量越少。

2)容易实现模块化，易于扩展，不存在电容电压平衡问题。

3)控制方法简单、容易实现，每一个功率单元均可以独立进行控制。

4)载波移相调制技术可以在较低的开关频率下实现较高开关频率的效果，使SPWM技术应用于大功率场合成为可能。

5)在提高装置容量的同时，有效地减少输出谐波，提高了整个装置的信号传输带宽。

6)对直流侧电容要求降低，经济性能和系统的安全性均得到了提高。

7)低压开关器件实现高压输出。

8)多电平逆变器补偿电流含有较少的谐波，使得补偿变压器能够更好的对谐波呈现高阻抗。

9)本实用新型改进了基波磁通补偿有源滤波器电流补偿变换器的拓扑结构，与两电平变换器拓扑结构相比，多点平拓扑在系统电流补偿方面，补偿电流谐波含量少，在系统中具备较好的动静态性能。

附图说明

图1为本实用新型所述基于多电平大容量基波磁通补偿滤波系统示意图。

图2为本实用新型所述多电平级联H桥拓扑电路示意图。

图3为本实用新型所述多电平电流闭环控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐明本实用新型。

需要声明的是，本实用新型内容及具体实施方式意在证明本实用新型所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本实用新型保护范围的限定。本领域技术人员在本实用新型的精神和原理启发下，可作各种修改、等同替换、或改进。但这些变更或修改均在申请待批的保护范围内。

图1本实用新型提供一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统示意图，本实用新型系统包括供电单元、检测单元1、补偿变压器单元、H级联桥电流补偿单元、控制器单元、PWM调制波单元、检测单元2、无源滤波器单元、负载谐波源单元；

其中，控制器单元采用分数阶PI^λD^μ控制器进行控制；

供电单元的输出端与检测单元1的输入端连接，检测单元1的第一输出端与补偿变压器单元的一次侧连接，检测单元1的第二输出端与控制器单元的第一输入端连接，补偿变压器单元的二次侧与无源滤波器单元的输入端连接，补偿变压器单元的输出端与检测单元2的第一输入端连接，无源滤波器单元的输出端与负载谐波源单元的输入端连接，检测单元2的输出端与控制器单元的第二输入端连接，控制器单元的输出端与PWM调制波单元的输入端连接，PWM调制波单元的输出端与H级联桥电流补偿单元的输入端连接，H级联桥电流补偿单元的输出端与检测单元2的第二输入端 连接；

检测单元1分离出系统中的基波电流，为多电平载波移相电流补偿提供参考信号；

H级联桥电流补偿单元为补偿变压器单元注入满足基波磁通补偿条件的电流，检测单元2为控制器单元输送反馈电流信号，PWM调制波单元为H级联桥电流补偿单元提供载波移相调制波信号，无源滤波单元为谐波提供低阻抗通道。

所述H级联桥电流补偿单元中的功率器件采用基于碳化硅材料制成的全控功率器件，电流密度高、功率损耗低、高温稳定性好。

所述H级联桥电流补偿单元的拓扑采用多电平结构，具体包括H级联桥电路拓扑、二极管钳位多电平拓扑、飞跨电容钳位多电平拓扑、模块化多电平扑结构。

所述H级联桥电路拓扑由两个或两个以上模块化H桥单元串联组成，拓扑单元电压电平数≥5。

图2为本实用新型所述多电平级联H桥拓扑电路示意图。H级联式多电平逆变器是由基本H桥功率单元直接串联叠加组成的一种级联式电路结构，每一个功率单元必须具有四种工作状态，即正向导通工作状态、反向导通工作状态、正向旁路工作状态和反向旁路工作状态。

多级级联H桥单元进行串联叠加时，应采用相同的直流电源电压，它们的三角载波初始相位角应依次超前2π/N，用同一个正弦波sinω_st作为调制波，得到输出电压u_a1b1～u_anbn，每个功率单元具有相同的基波电压，当N 个H桥单元级联时，总的输出电压为：

$\begin{array}{c}u=u_{a1b1}+...+u_{\mathrm{anbn}}\\ =\mathrm{NME}\sin {\mathrm{\ω}}_{s}t+\frac{2\mathrm{NE}}{\mathrm{\π}}\underset{m^{\′}=N,2N,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=\±1,\±3,...}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{J_n\left(m^{\′}\mathrm{M\π}\right)}{m^{\′}}\cos m^{\′}\mathrm{\π}\sin \left[(m^{\′}{F}^{\′}+n){\mathrm{\ω}}_{s}t\right]\end{array}---\left(1\right)$

N为级联单元的个数，M为调制度，m′为级联个数的偶数倍，F′为载波比。由式(1)可知，当把检测到的正弦波基波电流信号作为载波移相调制波的参考信号时，N级H桥级联后的输出电压的相位和基波信号同相位，只需要调节逆变器电压的幅值就可达到快速跟踪基波电流的目的。

图3为本实用新型所述多电平电流闭环控制示意图。直接引入变换器电流的反馈控制，基波电流的给定值为i_ref，使逆变器输出紧跟参考值，图中，K_F为反馈通道增益，T_F为输出电流检测环节的时间常数，T_S为逆变器的时间常数，K_PWM为逆变器增益，L_S为逆变器总的输出等效电感值，r为逆变器输出总的等效电阻值。

Claims (4)

1.一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，其特征在于：该系统包括供电单元、检测单元1、补偿变压器单元、H级联桥电流补偿单元、控制器单元、PWM调制波单元、检测单元2、无源滤波器单元、负载谐波源单元；

其中，控制器单元采用分数阶PI^λD^μ控制器进行控制；

供电单元的输出端与检测单元1的输入端连接，检测单元1的第一输出端与补偿变压器单元的一次侧连接，检测单元1的第二输出端与控制器单元的第一输入端连接，补偿变压器单元的二次侧与无源滤波器单元的输入端连接，补偿变压器单元的输出端与检测单元2的第一输入端连接，无源滤波器单元的输出端与负载谐波源单元的输入端连接，检测单元2的输出端与控制器单元的第二输入端连接，控制器单元的输出端与PWM调制波单元的输入端连接，PWM调制波单元的输出端与H级联桥电流补偿单元的输入端连接，H级联桥电流补偿单元的输出端与检测单元2的第二输入端连接；

检测单元1分离出系统中的基波电流，为多电平载波移相电流补偿提供参考信号；

H级联桥电流补偿单元为补偿变压器单元注入满足基波磁通补偿条件的电流，检测单元2为控制器单元输送反馈电流信号，PWM调制波单元为H级联桥电流补偿单元提供载波移相调制波信号，无源滤波单元为谐波提供低阻抗通道。

2.根据权利要求1所述的一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，其特征在于：所述H级联桥电流补偿单元中的功率器件采用基于碳化硅材料制成的全控功率器件。

3.根据权利要求1所述的一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，其特征在于：所述H级联桥电流补偿单元的拓扑采用多电平结构，具体包括H级联桥电路拓扑、二极管钳位多电平拓扑、飞跨电容钳位多电平拓扑、模块化多电平扑结构。

4.根据权利要求3所述的一种多电平大容量基波磁通补偿滤波系统，其特征在于：所述H级联桥电路拓扑由两个或两个以上模块化H桥单元串联组成，拓扑单元电压电平数≥5。