專利名稱：一種適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型lc式混合有源電力濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力濾波器，具體是一種適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器。
背景技術(shù)：
隨著社會工業(yè)的發(fā)展，鐵路交通，礦山冶金和石油石化行業(yè)中高壓大功率負(fù)荷的投運，會產(chǎn)生大量的無功，負(fù)序和諧波電流，給電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電和變電設(shè)備的運行帶來嚴(yán)重危害，增加系統(tǒng)的損耗，降低變壓器出力等，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。 因此，必須采取有效措施抑制大功率負(fù)荷產(chǎn)生的無功和諧波電流等電能質(zhì)量問題。
針對上述的無功、諧波等問題，國內(nèi)外學(xué)者已進行了一定的研究。大量的交流柔性輸變電裝置(FACTS)如APF，SATCOM和UPQC等被安裝在工業(yè)現(xiàn)場來進行無功和諧波的動態(tài)補償，提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。但是APF和SATCOM—般用在低壓場合，采用普通的兩電平結(jié)構(gòu)。由于現(xiàn)在高壓對大功率補償裝置的需求極為渴望與迫切，傳統(tǒng)的兩電平PWM逆變器依靠單個的開關(guān)管顯然承受不了直流側(cè)的高壓。除了高壓缺陷以外，傳統(tǒng)兩電平逆變器還存在以下問題1)高頻產(chǎn)生很高的dv/dt和浪涌電壓，引起電機繞組絕緣擊穿；2)高頻開關(guān)產(chǎn)生很大的器件電壓應(yīng)力和開關(guān)損耗，使效率降低；3)逆變器輸出波形的諧波含量較大。
為了解決上述兩電平的缺陷，1980年日本學(xué)者Nabae等人提出二極管中點箝位式 (Neutral point clamped three-level inverter,NPCTLI)三電平結(jié)構(gòu)的逆變器，如圖 I 所示，這種結(jié)構(gòu)可以使主電路開關(guān)管的電壓降低一半，可以使dv/dt降低一半，由于輸出多了一個電平，輸出電壓諧波含量減少。后來，有學(xué)者又提出了電容箝位式、H橋串聯(lián)式、主管輔助箝位式等多種多電平的結(jié)構(gòu)，這樣有利于采用低壓器件實現(xiàn)高壓輸出，減少了產(chǎn)品的設(shè)計，提高了設(shè)備的可靠性。但是這種多電平結(jié)構(gòu)直接通過輸出電感接電網(wǎng)，逆變器裝置的交流側(cè)需要承受電網(wǎng)的基波電壓，從而導(dǎo)致裝置的容量大、成本高。為此，在80年代日本學(xué)者赤木泰文提出了一種LC式混合有源濾波器，三相逆變器通過LC無源濾波器接入電網(wǎng)，有源部分可以向電網(wǎng)注入諧波電流用以補償負(fù)載電流中的諧波分量，并且提供基波有功和無功電流以補償無功和保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。由于LC濾波器的電容可以承擔(dān)大部分的電網(wǎng)基波電壓，可以大大減小有源部分的容量，所以這種結(jié)構(gòu)得到了學(xué)者、專家的青睞。通過對比分析三電平逆變器和LC式混合有源濾波器兩者優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本專利提出了一種適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器，進一步簡化混合有源濾波器的硬件結(jié)構(gòu)，降低成本，提高系統(tǒng)的效率。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高的適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如是
—種適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器，它由一個三電平逆變器和三個輸出LC濾波器組成。其中輸出LC濾波器由電感L和電容C構(gòu)成的三個單調(diào)諧濾波器組成；三相逆變器由a、b、c三相并聯(lián)的，a相三電平開關(guān)臂由上對開關(guān)管Tal和Ta2, 下對開關(guān)管T' ^和！1' a2及兩個續(xù)流二極管Dal和Da2構(gòu)成。三相逆變器的b相三電平開關(guān)臂由上對開關(guān)管Tbl和Tb2，下對開關(guān)管T' ^和"b2及兩個續(xù)流二極管Dbl和Db2構(gòu)成； 三相逆變器的c相臂由電容C1和C2組成。
三電平逆變器通過三個輸出LC濾波器連接到中高壓電網(wǎng)；VSa，Vsb, Vsc分別是交流電源電壓，逆變器的交流端輸出電流為iCa，ia，ice ;三相交流系統(tǒng)的c相直接連接到兩直流電容的中點。
本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明采用兩個三電平開關(guān)臂和一組串聯(lián)的電容組成一個三相逆變器，與采用二極管箝位式三電平逆變器的有源電力濾波器相比，其輸出采用LC 濾波器，可以大大減小逆變器的交流側(cè)電壓，故大大減小逆變器的容量和成本。與常規(guī)三電平逆變器相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)減少了一個三電平開關(guān)臂，即只采用8個IGBT。在具有同樣功能的前提下，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明大大減小了補償系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜程度，提高了補償系統(tǒng)的可靠性。


圖I為采用二極管箝位式三電平逆變器的有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖。
圖2為三相LC式混合有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖。
圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明的控制框圖。
圖中二極管箝位式三電平逆變器I，輸出電抗器2，LC輸出濾波器3，三電平逆變器4。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
圖I為普通二極管箝位式三電平有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖。它由一個二極管箝位式三電平逆變器I和三個輸出電抗器2組成。二極管箝位式三電平逆變器包括十二個功率開關(guān)器件和六個二極管。功率半導(dǎo)體器件所承受電壓為直流母線電壓的一半。普通NPCTLI 會在交流側(cè)端線電壓會產(chǎn)生五個電壓等級，輸出波形畸變小，功率器件所承受的電壓為ud。 的一半，但其使用了過多的功率器件，而且這種多電平結(jié)構(gòu)直接通過輸出電感接電網(wǎng)，逆變器裝置的交流側(cè)需要承受電網(wǎng)的基波電壓，從而導(dǎo)致裝置的容量大、成本高、損耗大。
圖2為三相LC式混合有源濾波器結(jié)構(gòu)圖。圖中，輸出濾波器采用單調(diào)諧LC串聯(lián)諧振電路，一般諧振頻率為五次或者七次，以濾除該次諧波電流。在這種結(jié)構(gòu)中，三相逆變器通過LC無源濾波器接入電網(wǎng)，有源部分可以向電網(wǎng)注入諧波電流用以補償負(fù)載電流中的諧波分量，并且提供基波有功和無功電流以補償無功和保持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。由于LC 濾波器的電容可以承擔(dān)大部分的電網(wǎng)基波電壓，可以大大減小有源部分的容量，而且LC濾波器在開關(guān)頻率處呈現(xiàn)高阻抗，系統(tǒng)無需設(shè)置單獨的開關(guān)紋波濾波器。該結(jié)構(gòu)能補償固定的基波無功功率，然后APF輸出的諧波電流經(jīng)過LC時會受到不同程度的衰減?？傮w來說， 該種結(jié)構(gòu)利用無源濾波器的低成本優(yōu)勢，來承擔(dān)大部分的電網(wǎng)基波電壓，大大減小逆變器的耐壓等級，進而減少系統(tǒng)的容量和成本。
本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過對比分析三電平逆變器和LC式混合有源濾波器兩者優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器，進一步簡化混合有源濾波器的硬件結(jié)構(gòu)，降低成本，提高系統(tǒng)的效率。它是由一個三電平逆變器4和三個輸出LC濾波器3組成。圖中，三相逆變器的A相三電平開關(guān)臂由上對開關(guān)管Tal和Ta2，下對開關(guān)管T' ^和！1' a2及兩個續(xù)流二極管Dal和Da2構(gòu)成；三相逆變器的B相三電平開關(guān)臂由上對開關(guān)管Tbl和Tb2，下對開關(guān)管T' ^和！1' b2及兩個續(xù)流二極管Dbl和Db2構(gòu)成；三相逆變器的C相臂由電容C1和C2組成。VSa，Vsb, Vsc分別是交流電源電壓，濾波支路為LC串聯(lián)支路，直流側(cè)電容為C1和C2,逆變器的交流端輸出電流為iea，icb, ic。。三相交流系統(tǒng)的C相直接連接到兩直流電容的中點。
本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)只需要兩個三電平開關(guān)臂和一組串聯(lián)的電容組成一個逆變器， 與NPCTLI比較，節(jié)省了一臂功率開關(guān)器件，但具有相同的補償能力，可以減少器件數(shù)量，降低開關(guān)損耗。通過LC濾波器的電容可以承擔(dān)大部分的電網(wǎng)基波電壓，可以大大減小有源部分的容量。總的來說，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了三電平逆變器和LC式混合有源濾波器兩者優(yōu)點，可以實現(xiàn)中高壓系統(tǒng)的諧波、無功補償，并且能大大減少系統(tǒng)的成本和容量。
本發(fā)明的控制框圖如圖4所示，針對該適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器，為了維持系統(tǒng)安全可靠的運行，這里采用一種電壓外環(huán)PI控制方法，可以維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定并彌補功率開關(guān)管的損失。將電壓外環(huán)指令信號與期望補償?shù)臒o功和諧波電流參考信號相加，可以得到總的電流參考信號。為了實現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流的閉環(huán)跟蹤，本專利采用了一種閉環(huán)PI控制方法來實現(xiàn)內(nèi)環(huán)電流動態(tài)跟蹤，通過PI控制可以得到逆變器的三相調(diào)制波。然后通過采用SPWM調(diào)制方法驅(qū)動開關(guān)管以獲得期望的電流。整體控制框圖如圖4所示，具體方法如下
I.首先通過檢測逆變器直流電壓ud。，與期望的電壓參考信號Uref相減進行閉環(huán)PI 控制，輸出為1_。通過外環(huán)PI控制，可以實現(xiàn)ud。的建立與穩(wěn)定，無需外加獨立直流電壓源。
2.檢測三相負(fù)載電流U，iLb, U，在以基波頻率旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)下轉(zhuǎn)換成瞬時有功電流id和瞬時無功電流iq。id和中的直流分量對應(yīng)于負(fù)載電流中的基波分量，而交流分量則為負(fù)載電流中的諧波分量。
3. id和iq分別通過低通濾波器(lower passing filter, LPF)后,得到直流分量乙和/"。
4.直流有功分量與電壓控制器的輸出Iwt疊加，可以得到。直流分量無功與aaQ期望補償?shù)臒o功指令U疊加，可以得到 <。這樣系統(tǒng)能補償期望的無功電流，并能穩(wěn)定直流側(cè)電壓。
5.然后經(jīng)過ckf1變換，得到電網(wǎng)電流的基波電流信號iaf，ibf和icf。
6.電網(wǎng)電流isa，isb，isc與基波電流信號iaf，ibf和irf作差，可以得到諧波、無功和有功指令信號總和4，(bh, Cch o
7.諧波、無功和有功指令信號&，Ibh, &與檢測到的逆變器輸出的三相電流信號U，ia，ice作差后，然后進行PI調(diào)節(jié)與處理，可以得到逆變器的三相電壓調(diào)制信號ua，ub,Uc。
8.根據(jù)三相電壓調(diào)制信號，采用SPWM調(diào)制方法生成PWM控制信號，經(jīng)過驅(qū)動電路就可以控制IGBTs產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電流分量。
權(quán)利要求
1.一種適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器，其特征在于，它由一個三電平逆變器和三個輸出LC濾波器組成，其中輸出LC濾波器由電感L和電容C構(gòu)成的三個單調(diào)諧濾波器組成；三相逆變器由a、b、c三相并聯(lián)的，a相三電平開關(guān)臂由上對開關(guān)管 Tal和Ta2，下對開關(guān)管T' ^和！1' a2及兩個續(xù)流二極管Dal和Da2構(gòu)成；三相逆變器的b相三電平開關(guān)臂由上對開關(guān)管Tbl和Tb2，下對開關(guān)管T' ^和"b2及兩個續(xù)流二極管Dbl和 Db2構(gòu)成；三相逆變器的c相臂由電容C1和C2組成；三電平逆變器通過三個輸出LC濾波器連接到中高壓電網(wǎng)；VSa，Vsb，Vs。分別是交流電源電壓，逆變器的交流端輸出電流為iCa，ia，ice ;三相交流系統(tǒng)的c相直接連接到兩直流電容的中點。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種適用于中高壓系統(tǒng)的簡化型LC式混合有源電力濾波器。它由三個輸出LC濾波器和三相二臂三電平逆變器組成，所述三相二臂三電平逆變器由兩個三電平開關(guān)臂和一組串聯(lián)的電容組成。本發(fā)明與采用二極管箝位式三電平逆變器的有源電力濾波器相比，其輸出采用LC濾波器，可以大大減小逆變器的容量，并且減少了一個三電平開關(guān)臂，即只采用8個IGBT。在具有同樣功能的前提下，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明大大減小了補償系統(tǒng)的硬件成本和復(fù)雜程度，提高了補償系統(tǒng)的可靠性。
文檔編號H02J3/01GK102545224SQ20121001315
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉路, 劉鵬, 周一勇, 周柯, 寧文輝, 楚紅波, 王凱, 王剛, 羅安, 覃奇, 許飛, 謝寧, 高立克 申請人:廣西電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院, 廣西電網(wǎng)公司百色供電局, 湖南大學(xué)