專利名稱：一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于中壓配電網(wǎng)諧波補(bǔ)償裝置技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速裝置、交直流電弧爐設(shè)備、大功率電解裝置、 電氣化鐵道機(jī)車牽引設(shè)備等大功率電力電子裝置得到廣泛應(yīng)用。這些裝置在大幅提高生產(chǎn)效率的同時，也給電力系統(tǒng)帶來很大的諧波污染，造成用電設(shè)備過載、過熱、損耗增加、電容器過電壓、保護(hù)誤動作等多種危害，因此電網(wǎng)諧波治理的需求在不斷增加。目前大量使用的無源濾波器存在諧波補(bǔ)償特性受電網(wǎng)參數(shù)影響，容易導(dǎo)致電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，且在大電流情況下容易過載等缺點(diǎn)。因此基于動態(tài)補(bǔ)償諧波的新型電力電子裝置即有源電力濾波器(Active Power Filter-有源電力濾波器)得到了廣泛研究與應(yīng)用，它是由全控電力電子器件構(gòu)成的主動式綜合補(bǔ)償裝置，并采取PWM控制的變流器來提供與補(bǔ)償電流(或電壓)大小相等、極性相反的電流(或電壓)，以補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的有害電流(或電壓)。與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，具有自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)補(bǔ)償，可對頻率和大小變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；并且因?yàn)榭梢愿欕娋W(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。但是，成本較高是限制有源電力濾波器推廣的主要因素，對于在中高壓電網(wǎng)，電網(wǎng)的基波電壓全部施加在逆變器上，受開關(guān)器件耐壓水平與容量的限制，有源電力濾波器的成本極高，使其很難在中高壓電網(wǎng)中得到推廣應(yīng)用。而將有源電力濾波器與無源濾波器(Passive Filter-無源濾波器)結(jié)合而構(gòu)成的混合型有源電力濾波器(Hybrid Active Power Filter-混合型有源電力濾波器)是當(dāng)今的發(fā)展趨勢，它既彌補(bǔ)了無源濾波器的固有缺陷，又能充分發(fā)揮有源電力濾波器的優(yōu)勢，成為近年來的研究熱點(diǎn)，混合型有源電力濾波器按基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可劃分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混聯(lián)型三種。理論和實(shí)踐證明，并聯(lián)混合型有源電力濾波器是混合型有源電力濾波器三種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，綜合性能最好的一種。它更好地結(jié)合了無源濾波器和有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)， 造價較低、性能優(yōu)良。這種結(jié)構(gòu)能以較小的有源裝置容量實(shí)現(xiàn)大容量的諧波補(bǔ)償，并實(shí)現(xiàn)了將電壓等級較低的半導(dǎo)體功率器件安全地用于高壓系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償，因而有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。其中，1990年H. Fujit等人提出將無源濾波器與有源電力濾波器相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合濾波方案，如圖1所示，其諧波主要由無源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，而有源電力濾波器用于改善無源濾波器的諧波補(bǔ)償效果，抑制無源濾波器與電網(wǎng)阻抗之間的并聯(lián)諧振。 此外，LC諧振電路對于基波而言相當(dāng)于一個大電容，承受了大部分的基波電壓，在低壓系統(tǒng)應(yīng)用時，使得有源電力濾波器承受的基波電壓較小，有源部分的容量減小。級聯(lián)H橋多電平逆變器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由田納西大學(xué)的F. Z. Peng等人于1996年提出的。如圖2所示，它的每一個橋臂由N個單相全橋模塊在交流側(cè)串聯(lián)構(gòu)成，直流側(cè)相互獨(dú)立，而三個橋臂通過Y型(或Δ型)連接構(gòu)成三相系統(tǒng)。相對于二極管鉗位型多電平變流器和飛跨電容型多電平變流器，這種級聯(lián)H橋多電平逆變器各變流器單元結(jié)構(gòu)相同，由于采用了模塊化設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)組件，便于工業(yè)化生產(chǎn)，投資成本低；直流側(cè)電容相互獨(dú)立，容易實(shí)現(xiàn)電壓均衡；各變流器單元結(jié)構(gòu)對稱，開關(guān)頻率低且損耗小，整機(jī)效率高。但是采用級聯(lián) H橋多電平逆變器的有源電力濾波器要求控制多個獨(dú)立直流電容電壓，控制系統(tǒng)復(fù)雜。將其應(yīng)用于高電壓等級時，級聯(lián)的單元模塊較多，成本較高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，從而限制了其應(yīng)用。如圖1所示的混合型有源電力濾波器的逆變器為普通的三相橋式逆變器，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但面臨開關(guān)器件的工作頻率較高，直流側(cè)電容電壓偏高等缺點(diǎn)，很難在中高壓場合得到應(yīng)用。如圖3所示的基于三相中性點(diǎn)鉗位逆變器的并聯(lián)混合型有源電力濾波器設(shè)計(jì)方案，是上述方案的改進(jìn)，應(yīng)用于6kV系統(tǒng)時，直流電容電壓可降至接入點(diǎn)電壓的20%左右， 易于選用耐壓水平較低、成本低的IGBT。與圖2所示的方案比較，具有采用電力電子器件較少的優(yōu)點(diǎn)。但該方式仍存在應(yīng)用于較高電壓等級(如我國的中壓IOkV系統(tǒng))時電力電子器件承受電壓較高的問題，對這一問題雖可考慮增加電平數(shù)解決，但將使逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 同時存在逆變器工作可靠性降低(任一元件的損壞都會影響裝置的正常工作)以及直流側(cè)均壓控制較復(fù)雜等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述缺陷公開了一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器。其技術(shù)方案如下一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，其特征在于，由單調(diào)諧無源濾波器、 三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器和控制系統(tǒng)組成。三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器和單調(diào)諧無源濾波器串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)，控制系統(tǒng)連接諧波負(fù)載和三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器。所述單調(diào)諧無源濾波器濾除其調(diào)諧頻次附近的諧波，三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器濾除其它頻次的諧波，改善單調(diào)諧無源濾波器的濾波效果，控制系統(tǒng)通過采集負(fù)載側(cè)電流和電壓信號，經(jīng)過計(jì)算分離出諧波電流參考值，控制三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器工作。所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器由3個橋臂通過Y型(或Δ型)連接組成，每個橋臂由I-N個H橋逆變單元直接串聯(lián)構(gòu)成，4個具有反并聯(lián)二極管的IGBT通過H橋連接后與直流電容器Cd。并聯(lián)組成H橋逆變單元，直流電容器Cd。為H橋逆變單元的電壓源，H橋逆變單元是三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器的基本功率單元。所述單調(diào)諧無源濾波器由電抗器和電容器串聯(lián)組成。所述單調(diào)諧無源濾波器的調(diào)諧次數(shù)設(shè)計(jì)為6 7次。所述控制系統(tǒng)由諧波電流檢測模塊、諧波電流控制模塊、PWM信號產(chǎn)生模塊和直流側(cè)電壓控制模塊構(gòu)成；諧波電流檢測模塊連接諧波負(fù)載和諧波電流控制模塊，PWM信號產(chǎn)生模塊連接諧波電流控制模塊、直流側(cè)電壓控制模塊和三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器，直流側(cè)電壓控制模塊還與三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器連接。諧波電流檢測模塊分離非線性負(fù)載側(cè)諧波電流，諧波電流控制模塊產(chǎn)生諧波電流控制信號，PWM信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生開關(guān)器件IGBT的觸發(fā)信號，直流側(cè)電壓控制模塊控制各級聯(lián)H橋模塊直流側(cè)電壓均衡穩(wěn)定。本發(fā)明的有益效果包括結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)品體積小、可靠性高，并且相比于使用其他種類逆變器(例如二極管鉗位式和飛跨電容式)，級聯(lián)H橋多電平逆變器可以進(jìn)一步的降低直流側(cè)電容電壓值，從而降低對于開關(guān)器件的要求以及降低成本。


圖1所示為將無源濾波器與有源電力濾波器相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合濾波方案；圖2所示為級聯(lián)H橋多電平逆變器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖3所示為基于三相中性點(diǎn)鉗位逆變器的混合型有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖4所示為單調(diào)諧無源濾波器、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器和控制系統(tǒng)組成的級聯(lián)混合型有源電力濾波器的原理圖；圖5所示為單調(diào)諧無源濾波器和三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器組成的級聯(lián)混合型有源電力濾波器的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖6 圖10所示為本發(fā)明的模型三的仿真結(jié)果，圖6與圖7所示分別為負(fù)載的A 相諧波檢測值與裝置A相電流輸出值，圖8所示為0. 3秒裝置接入前后電網(wǎng)A相電流波形的變化，圖9與圖10所示分別為裝置接入前后電網(wǎng)A相電流的頻譜。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖4所示，基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，由單調(diào)諧無源濾波器2、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1和控制系統(tǒng)組成。三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1和單調(diào)諧無源濾波器2串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)，控制系統(tǒng)連接諧波負(fù)載和三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器 1。單調(diào)諧無源濾波器2濾除其調(diào)諧頻次附近的諧波，對處于諧振頻率附近的諧波電流呈低阻抗，對于基波相當(dāng)于一個大電容，承擔(dān)了大部分的基波電壓，三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1濾除其它頻次的諧波，承受的基波電壓非常小，主要作用是改善無源濾波器2的濾波特性，克服無源濾波器2易受電網(wǎng)特性的影響、易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振等缺點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)通過采集負(fù)載側(cè)電流和電壓信號，經(jīng)過計(jì)算分離出諧波電流參考值，控制三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1工作?？刂葡到y(tǒng)由諧波電流檢測模塊、諧波電流控制模塊、PWM信號產(chǎn)生模塊和直流側(cè)電壓控制模塊構(gòu)成；諧波電流檢測模塊連接諧波負(fù)載和諧波電流控制模塊，PWM信號產(chǎn)生模塊連接諧波電流控制模塊、直流側(cè)電壓控制模塊和三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1，直流側(cè)電壓控制模塊還與三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1連接。諧波電流檢測模塊分離非線性負(fù)載側(cè)諧波電流，諧波電流控制模塊產(chǎn)生諧波電流控制信號，PWM信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生開關(guān)器件 IGBT的觸發(fā)信號，來控制每個開關(guān)器件IGBT的導(dǎo)通和關(guān)閉，直流側(cè)電壓控制模塊控制各級聯(lián)H橋模塊直流側(cè)電壓均衡穩(wěn)定，可以控制各個H橋逆變單元3的直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在參考值左右，。如圖5所示，單調(diào)諧無源濾波器2由電抗器4和電容器5串聯(lián)組成，電抗器4即作為無源濾波器的組件又充當(dāng)有源電力濾波器的連接電抗器，電抗器4可一分為二安裝在電容器的兩側(cè)。在綜合考慮裝置的復(fù)雜度與補(bǔ)償性能，在選取單調(diào)諧濾波器參數(shù)時，考慮到調(diào)諧次數(shù)接近于7的單調(diào)諧無源濾波器具有更高的基頻阻抗和相對較低的高頻阻抗，對于開關(guān)紋波具有更高的衰減能力，對于5次諧波，也具有一定的補(bǔ)償能力，且體積與成本相對于5 次諧振的無源濾波器較小，無源濾波器的調(diào)諧次數(shù)也可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載諧波特性靈活配置。三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1由3個橋臂通過Y型(或Δ型)連接組成，每個橋臂由I-N個H橋逆變單元3直接串聯(lián)構(gòu)成，4個具有反并聯(lián)二極管的IGBT通過H橋連接后與直流電容器Cd。并聯(lián)組成H橋逆變單元3，直流電容器Cd。為H橋逆變單元3的電壓源， H橋逆變單元3是三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器1的基本功率單元。每個H橋逆變單元3 并聯(lián)有旁路電路，在H橋逆變單元3出現(xiàn)故障時將其旁路，逆變器仍能正常工作，旁路電路同時也有一定的濾波作用。為了驗(yàn)證本發(fā)明的可行性和優(yōu)越性，使用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC建立3 個模型進(jìn)行仿真對比。模型一 H橋級聯(lián)型13電平普通有源電力濾波器；模型二 H橋級聯(lián)型7電平混合型有源電力濾波器；模型三H橋級聯(lián)型13電平混合型有源電力濾波器。三個模型的負(fù)載為三相二極管整流電路，交流側(cè)電抗為7mH，直流側(cè)為15mH電抗器與50Ω阻串聯(lián)?；緟?shù)電網(wǎng)電壓為6kV，電網(wǎng)頻率50Hz，各H橋單元的直流側(cè)電容值選為4700 μ F。下表給出了三個模型的仿真參數(shù)與仿真結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，其特征在于，由單調(diào)諧無源濾波器 (2)、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)和控制系統(tǒng)組成；三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1) 和單調(diào)諧無源濾波器O)串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)，控制系統(tǒng)連接諧波負(fù)載和三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)；單調(diào)諧無源濾波器( 濾除其調(diào)諧頻次附近的諧波，三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)濾除其它頻次的諧波，改善單調(diào)諧無源濾波器( 的濾波效果，控制系統(tǒng)通過采集負(fù)載側(cè)電流和電壓信號，經(jīng)過計(jì)算分離出諧波電流參考值，控制三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，其特征在于， 所述三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)由3個橋臂通過Y型(或Δ型)連接組成，每個橋臂由I-N個H橋逆變單元(3)直接串聯(lián)構(gòu)成，4個具有反并聯(lián)二極管的IGBT通過H橋連接后與直流電容器(5) Cd。并聯(lián)組成H橋逆變單元(3)，直流電容器(5) Cd。為H橋逆變單元(3) 的電壓源，H橋逆變單元C3)是三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)的基本功率單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，其特征在于， 所述單調(diào)諧無源濾波器O)由電抗器(4)和電容器(5)串聯(lián)組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，其特征在于， 所述單調(diào)諧無源濾波器O)的調(diào)諧次數(shù)設(shè)計(jì)為6 7次。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，其特征在于， 所述控制系統(tǒng)由諧波電流檢測模塊、諧波電流控制模塊、PWM信號產(chǎn)生模塊和直流側(cè)電壓控制模塊構(gòu)成；諧波電流檢測模塊連接諧波負(fù)載和諧波電流控制模塊，PWM信號產(chǎn)生模塊連接諧波電流控制模塊、直流側(cè)電壓控制模塊和三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)，直流側(cè)電壓控制模塊還與三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器(1)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器，其特征在于， 所述諧波電流檢測模塊分離非線性負(fù)載側(cè)諧波電流，諧波電流控制模塊產(chǎn)生諧波電流控制信號，PWM信號產(chǎn)生模塊產(chǎn)生開關(guān)器件IGBT的觸發(fā)信號，直流側(cè)電壓控制模塊控制各級聯(lián)H 橋模塊直流側(cè)電壓均衡穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于中壓配電網(wǎng)諧波補(bǔ)償裝置技術(shù)領(lǐng)域的一種基于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的混合型有源電力濾波器。它由單調(diào)諧無源濾波器、三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器和控制系統(tǒng)組成。三相H橋級聯(lián)型多電平逆變器由3個橋臂通過Y型(或△型)連接組成，每個橋臂由1-N個H橋逆變單元直接串聯(lián)構(gòu)成，4個具有反并聯(lián)二極管的IGBT通過H橋連接后與直流電容器Cdc并聯(lián)組成H橋逆變單元，直流電容器Cdc為H橋逆變單元的電壓源。單調(diào)諧無源濾波器由電抗器和電容器串聯(lián)組成?？刂葡到y(tǒng)由諧波電流檢測模塊、諧波電流控制模塊、PWM信號產(chǎn)生模塊和直流側(cè)電壓控制模塊構(gòu)成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)品體積小、可靠性高，對開關(guān)器件的要求低和成本低。
文檔編號H02J3/01GK102195289SQ20111014249
公開日2011年9月21日 申請日期2011年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月18日
發(fā)明者徐永海, 方京梅, 梁雪峰, 肖湘寧, 郁祎琳 申請人:華北電力大學(xué)