CN205377291U - 一种并联混合型有源滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种并联混合型有源滤波器，包括并联到三相电网和非线性负载之间的有源装置和无源装置，其中，所述无源装置包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到三相电网和非线性负载之间；所述有源装置包括两个直流侧电容和逆变器，所述直流侧电容的容值相等，两个所述直流侧电容串联后与所述逆变器并联连接，所述逆变器包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT；两个直流侧电容串接中点和所述桥臂的中点并联到所述三相电网和三相负载之间。本实用新型提出的新型并联混合型有源滤波器具有良好的谐波抑制和无功补偿性能。

Description

一种并联混合型有源滤波器

技术领域

本实用新型涉及有源电力滤波技术领域，特别是涉及一种并联混合型有源滤波器。

背景技术

谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，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。谐波可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。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。随着大量非线性负荷的使用，造成供电系统中谐波污染越来越严重，谐波损耗也日益增加，对我国节能降损的影响也日益严重。

目前已有许多学者和研究机构对谐波抑制进行了研究，常用的谐波抑制手段是在电网中装设无源滤波器(PPF)、有源滤波器(APF)或者无源滤波器和有源滤波器综合的混合型有源滤波器(HAPF)。但在中高压系统中，单独的无源滤波器只能对特定次谐波进行滤波，而单独的有源滤波器存在补偿容量较小和价格高的问题。因此混合型有源滤波器成为目前实际应用的热点。

现有技术中，混合型有源滤波器适用于中高压电网，并可进行大容量的无功补偿，但混合型有源滤波器在运行过程中，其逆变器损耗较大，整套装置成本较高。

实用新型内容

本实用新型实施例中提供了一种并联混合型有源滤波器，以解决现有技术中的混合型有源滤波器在运行过程中，逆变器损耗大，整套装置成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例公开了如下技术方案：

本实用新型实施例提供了一种并联混合型有源滤波器，包括并联到三相电网和非线性负载之间的有源装置和无源装置，其中，

所述无源装置包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到三相电网和非线性负载之间；

所述有源装置包括两个直流侧电容和逆变器，所述直流侧电容的容值相等，两个所述直流侧电容串联后与所述逆变器并联连接，所述逆变器包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT；两个直流侧电容串接的中点和所述桥臂的中点并联到所述三相电网和非线性负载之间。

优选地，所述有源装置还包括串联连接的耦合变压器和一组无源滤波器，所述耦合变压器和所述无源滤波器均与所述有源装置串联连接。

优选地，所述有源装置还包括用于补偿较大容量的无功功率的注入电容。

优选地，所述有源装置的输出端串联有用于滤除开关器件通断造成的高频毛刺的三相电感。

由以上技术方案可见，本实用新型实施例提供的并联混合型有源滤波器，包括并联到三相电网和非线性负载之间的有源装置和无源装置，其中，所述无源装置包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到三相电网和非线性负载之间；所述有源装置包括两个直流侧电容和逆变器，所述直流侧电容的容值相等，两个所述直流侧电容串联后与所述逆变器并联连接，所述逆变器包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT；两个直流侧电容串接中点和所述桥臂的中点并联到所述三相电网和三相负载之间。本实用新型提出一种新型的并联混合型有源滤波器的结构，可以进一步降低整套装置的成本，主要原理是：有源逆变器采用三相四开关结构，减少了开关器件的数量，同时降低了逆变器的损耗；此外还采用了一种单相电流的谐波检测方法，减少了相应检测器件和控制执行器件的使用，检测计算时间显著减少。仿真实验及工程应用都验证了该结构的有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为本实用新型实施例提供的一种并联混合型有源滤波器的拓扑结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种三相四开关的逆变器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种单相电气模型示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种并联混合型有源滤波系统的等效电路图；

图5为本实用新型实施例提供的一种并联混合型有源滤波器质量检测方法流程示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种计算电网参考电流的流程示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种并联混合型有源滤波器的精确等级确定流程示意图；

图8(a)为本实用新型实施例提供的一种补偿前的电网电流波形图；

图8(b)为本实用新型实施例提供的一种补偿后的电网电流波形图；

图1-图8(b)，符号表示：

1-三相电网，2-非线性负载，3-无源装置，4-注入电容，5-耦合变压器，6-三相电感，7-逆变器，71-直流侧电容，72-IGBT，8-输出滤波器的阻抗，9-耦合变压器阀侧的等效电压源。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

第一方面

参见图1，为本实用新型实施例提供的一种并联混合型有源滤波器的拓扑结构示意图，包括并联到三相电网1和非线性负载2之间的有源装置和无源装置3，所述无源装置3包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到三相电网1和非线性负载2之间；所述有源装置包括两个直流侧电容71和逆变器7，所述直流侧电容71的容值相等，两个所述直流侧电容71串联后与所述逆变器7并联连接，所述逆变器7为三相四开关电压型逆变器，是基于自关断器件的脉宽调制逆变器。

所述有源装置还包括串联连接的耦合变压器5和一组无源滤波器，所述耦合变压器5和所述无源滤波器均与所述有源装置串联连接。

所述有源装置还包括用于补偿较大容量的无功功率的注入电容4。

所述有源装置的输出端串联有用于滤除开关器件通断造成的高频毛刺的三相电感6。

有源装置由直流侧电容71和三相四开关电压型逆变器(VSC)构成，VSC为基于自关断器件的脉宽调制(PulseWidthModulation，PWM)逆变器，有源装置通过耦合变压器5与一组无源滤波器串联连接并联到电网。

无源装置3承受绝大部分的基波电压，有源装置注入需要补偿的谐波电流。整个系统结构简单，能较好治理大功率电网中的谐波，同时能够补偿大容量的无功功率。其最大的优点是有源装置承受的基波电压低，所需逆变器7的容量小。并联混合型有源滤波器由补偿电容器进行无功功率的静态补偿，并联的无源滤波器可以补偿较大容量的无功功率和滤除特定次数的谐波电流，由有源装置和无源装置3共同抑制谐波。基波无功电流基本上不会流入耦合变压器5和逆变器7，使得这种滤波装置兼具较大容量的无功补偿能力、大容量的谐波抑制能力和较小的逆变器容量，更适于大型工矿企业的谐波治理要求。

如图2所示,为本实用新型实施例提供的一种三相四开关的逆变器的结构示意图。所述逆变器7包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT72；两个直流侧电容71串接的中点和所述桥臂的中点并联到所述三相电网1和非线性负载2之间。

与常规的三相六逆变器桥相比，本实用新型实施例提供的逆变器7减少了两个开关器件，将直流侧的电容是换成容值为原来两倍的电容。从直流侧两个电容的中点引出逆变器7其中的一相，改由具有4个IGBT72(InsulatedGateBipolarTransistor,绝缘栅双极型晶体管)开关管的IPM(IntelligentPowerModule,智能功率模块)模块和两个容值相等的电容来构造三相逆变电路，相当于将三相三桥臂(6个IGBT开关管)中的一相换成电容桥臂。

IGBT72是由BJT(BipolarJunctionTransistor双极型三极管)和MOS(Metal-Oxid-Semiconductor绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,IGBT72具有驱动功率小而饱和压降低的优点，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

由基尔霍夫电压定理可得三相四开关逆变器的交流侧电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{aN}=u_{an}+u_{nN}\\ u_{bN}=u_{bn}+u_{nN}\\ u_{cN}=u_{nN}\end{array}\right.---\left(1\right)$

对平衡的三相系统，有

u_aN+u_bN+u_cN＝0(2)

将式(2)代入式(1)可得：

$u_{nN}=-\frac{u_{an}+u_{bn}}{3}---\left(3\right)$

因此，混合型并联有源滤波器的电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{aN}=\frac{2u_{an}-u_{bn}}{3}\\ u_{bN}=\frac{2u_{bn}-u_{an}}{3}\\ u_{cN}=-\frac{u_{an}+u_{bn}}{3}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

图2中，N为耦合变压器阀侧中性点，Z_a、Z_b、Z_c为输出滤波器的阻抗，n为直流侧电容的中点。与图2相对应，则式(1)-式(5)中，u_an是指a点与n点之间的电压，u_bn是指b点与n点之间的电压，u_cn是指c点与n点之间的电压，u_aN是指a点与N点之间的电压，u_bN是指b点与N点之间的电压，u_cN是指c点与N点之间的电压，u_nN是指n点与N点之间的电压，u_c1是指电容C₁的电压，u_c2是指电容C₂的电压，T_a1、T_a2、T_b1、T_b2是指4个IGBT元件上的电压，T_a1∧u_C1表示T_a1和u_C1之间的电压值，T_a2∧u_C2表示T_a2和u_C2之间的电压值，T_b1∧u_C1表示T_b1和u_C1之间的电压值，T_b2∧u_C2表示T_b2和u_C2之间的电压值。

由电压方程式(4)可以看出，只要控制A、B两相电压，C相电压就间接的控制了，因此逆变器完全可以采用三相四开关结构。在实际的工程应用中，这种逆变器结构只需控制四个开关元件的通断，从而可以有效减少检测系统和控制系统的部分执行元件，并能降低有源装置的功耗、故障率以及开关器件的成本。

本实用新型实施例提供的混合型有源滤波器的单相等效电路如图3所示。非线性负载被看作一个谐波电流源I_L，U_S为系统电源电压，有源装置被控制为一个理想的受控电压源U_C，n为耦合变压器变比。电路中其它各电量的定义和方向也如图3所示，其中I_S、I_L、I_P、I_C、I_i、I_f分别为电网支路电流、负载支路电流、并联无源支路电流、有源装置输出电流、注入支路电流、基波串联谐振支路电流，Z_S、Z_P、Z_C0、Z_f、Z_C分别为电网阻抗、无源支路阻抗、注入电容阻抗、基波谐振支路阻抗、输出滤波器阻抗。

根据基尔霍夫电流和电压定理，有：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_S=I_S{Z}_S+I_P{Z}_P\\ I_S=I_L+I_P+I_i\\ I_P{Z}_P=I_f{Z}_f+I_i{Z}_{C0}\\ I_f=I_i+I_C\\ U_C=I_C{Z}_C+I_f{Z}_f\end{array}\right.---\left(6\right)$

化简方程组(6)，得：

I_S(K₁Z_S+K₂Z_S+K₁Z_P)-I_LK₁+U_CZ_f-(K₁+K₂)U_S＝0(7)

式中， $\left\{\begin{array}{c}{K}_1=Z_C{Z}_f+Z_{C0}{Z}_L+Z_{C0}{Z}_C\\ K_2=Z_P(Z_f+Z_C)\end{array}\right.---\left(8\right)$

由式(7)可知，只要合理控制逆变器输出谐波电压U_C的大小，则可有效降低电网谐波电流I_S的含量。本文采用根据电网谐波电流的控制策略，即控制U_C＝K·I_S，K是控制放大倍数。则式(7)可化简为：

$I_S=\frac{K_1/K_1+K_2}{Z_S+\frac{K_1{Z}_P+{\mathrm{KZ}}_f}{K_1+K_2}}{I}_L+\frac{U_S}{Z_S+\frac{K_1{Z}_P+{\mathrm{KZ}}_f}{K_1+K_2}}---\left(9\right)$

由式(9)可反推出采用根据电网谐波电流来控制逆变器输出电压的控制策略时，整个系统的单相等效电路，如图4所示。

其中，等效阻抗 $Z^{\′}=\frac{K_1(Z_P-1)+{\mathrm{KZ}}_f}{K_1+K_2}---\left(9\right)$

由图4可知，这种控制策略实质上等效于通过控制有源装置的输出阻抗来等效增大了电网的谐波阻抗。电网的谐波阻抗越大，则迫使负载谐波更多的流入无源滤波器，从而提高了整个系统的滤波效果。同时，无源滤波器的谐波补偿特性受电网阻抗的影响比较大，电网阻抗越大，无源滤波器的滤波效果越好。因此这种控制策略在提高整个系统滤波效果的同时还改善了无源滤波器的并网性能。

另一方面，与本实用新型提供的一种混合型并联有源滤波器实施例相对应，本实用新型还提供了一种并联混合型有源滤波器的质量检测方法。本实用新型实施例对并联混合型滤波器进行质量检测采用的是基于电网电流误差的直接电流控制方法。参见图5，具体步骤包括：

步骤S101：计算电网参考电流。

具体的，参见图6，步骤S101包括：

步骤S201：获取单相电网电压和单相电网电流。

步骤S202：根据所述单相电网电压和单相电网电流，计算电纳性质的参数G。

步骤S203：根据所述参数G和所述单相电网电压，计算电网参考电流。

步骤S102：根据所述电网参考电流，计算电网电流的误差值。

具体推导过程如下：

定义单相电网电流i_s：

i_s＝i_f+i_h＝Gu_s+i_h(10)

式中i_h是谐波和无功电流的总和，i_f是基波电流，G是表示电纳性质的参数。i_h被补偿后等于0，则有电网参考电流并且谐波和无功电流的总和i_h满足式(11)，其中，T是电网工频。

$1/T{\∫}_0^T{u}_s{i}_{h}dt=0---\left(11\right)$

i_h＝i_s-i_f＝i_s-Gu_s(12)

将式(12)待入式(11)，有：

$1/T{\∫}_0^T{u}_s(i_s-{\mathrm{Gu}}_s)dt=0---\left(13\right)$

因此得到参数G为：

$G=\frac{1/T{\∫}_0^T{u}_s{i}_{s}dt}{1/T{\∫}_0^T{u}_s^{2}dt}=\frac{{\∫}_0^T{u}_s{i}_{s}dt}{{\∫}_0^T{u}_s^{2}dt}---\left(14\right)$

参数G确定了，电网参考电流就能确定了。

本实用新型实施例采用的逆变器是三相四开关的，只需检测两相电流。由上面的分析可知，电网A相电流误差和B相电流误差分别为：

${\mathrm{\Δi}}_{sa}=i_{sa}-i_{sa}^{*}---\left(15\right)$

${\mathrm{\Δi}}_{sb}=i_{sb}-i_{sb}^{*}---\left(16\right)$

步骤S103：根据所述电网电流的误差值，确定并联混合型有源滤波器的精确等级。

具体的，电网电流的误差值为所述单相电网电流与所述电网参考电流之间的差值。参见图7，具体实施步骤包括：

步骤S301：预先存储与质量等级对应的误差阈值范围。

步骤S302：根据误差值，查找与所述误差值对应的误差阈值范围。

步骤S303：根据误差阈值范围确定与所述误差值对应的质量等级。

这种算法是建立在单相电流谐波检测的基础上，因此可以直接应用于单相系统、三相三线制和三相四线制系统中。本实用新型实施例采用三相四开关逆变器结构的大功率并联混合型有源滤波器，针对企业非线性冶炼设备的谐波治理和无功补偿问题，在某大型铸造企业进行了试运行。

某大型铸造企业10kV中频炉冶炼设备整流装置容量为9.54MVA，通过副边三角形错相形成24脉波整流，中频炉负荷为6MW时的无功需求为4.032MVar，23、25、47和49次谐波电流含量分别为14.57A、12.75A、3.94A和3.44A。本文设计的新型并联混合型有源滤波器，具体参数如下：系统有源装置容量为300kVA；逆变器采用额定电压为1200V、额定电流为150A的功率模块F4-150R12KS4，逆变器的C相由直流侧两个10000uF/1000V的电容构成；控制部分以DSP2812为核心；输出滤波器参数为1mH；有源滤波器耦合到无源滤波器的变压器相电压变压比为2：1；无源装置由23、25次滤波支路构成，23次无源支路电容为10uF，电感为1.92mH，25次无源支路电容为10uF，电感为1.62mH。

投入前和投入后2s的电网电流波形分别如图8(a)、图8(b)所示。从图中可以看出，系统投入运行后，电网电流波形由畸变波形改善为接近正弦波，电网电流中的谐波分量大大减少。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种并联混合型有源滤波器，其特征在于，包括并联到三相电网(1)和非线性负载(2)之间的有源装置和无源装置(3)，其中，

所述无源装置(3)包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到三相电网(1)和非线性负载(2)之间；

所述有源装置包括两个直流侧电容(71)和逆变器(7)，所述直流侧电容(71)的容值相等，两个所述直流侧电容(71)串联后与所述逆变器(7)并联连接，所述逆变器(7)包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT(72)；两个直流侧电容(71)串接的中点和所述桥臂的中点并联到所述三相电网(1)和非线性负载(2)之间。

2.根据权利要求1所述的并联混合型有源滤波器，其特征在于，所述有源装置还包括串联连接的耦合变压器(5)和一组无源滤波器，所述耦合变压器(5)和所述无源滤波器均与所述有源装置串联连接。

3.根据权利要求1所述的并联混合型有源滤波器，其特征在于，所述有源装置还包括用于补偿较大容量的无功功率的注入电容(4)。

4.根据权利要求1所述的并联混合型有源滤波器，其特征在于，所述有源装置的输出端串联有用于滤除开关器件通断造成的高频毛刺的三相电感(6)。