專利名稱：一種基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于諧波補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，大量非線性負(fù)載的使用使得諧波污染和功率因素下降問(wèn)題日益凸顯，諧波的有效治理對(duì)電力系統(tǒng)和電力用戶具有重要的意義。對(duì)于高電壓，大容量諧波源，目前市場(chǎng)采用的LC無(wú)源濾波器(Passive Filter, PF)濾波性能對(duì)系統(tǒng)阻抗，頻率等參數(shù)變化要求極為敏感，動(dòng)態(tài)性能差，難以達(dá)到預(yù)期的濾波效果。而有源電力濾波器(Active PowerFilter, APF)能夠?qū)︻l率和幅值均發(fā)生變化的諧波和無(wú)功進(jìn)行 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，阻尼局部電網(wǎng)諧振，減小電壓閃變，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無(wú)源電力濾波器的不足。有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，其由變流器和濾波器件組成，變流器的電網(wǎng)側(cè)通過(guò)濾波器件接入三相電網(wǎng)，直流側(cè)并聯(lián)有直流母線電容cd。；另外，有源電力濾波器還需要一臺(tái)檢測(cè)控制設(shè)備對(duì)其進(jìn)行控制，檢測(cè)控制設(shè)備根據(jù)電網(wǎng)電壓Us、負(fù)載電流k以及補(bǔ)償電流i。生成相應(yīng)的PWM信號(hào)以對(duì)變流器中的功率開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。在傳統(tǒng)有源電力濾波器中，兩電平有源電力濾波器已無(wú)法滿足大功率和高頻化要求；考慮到功率半導(dǎo)體器件的容量限制，現(xiàn)階段在高壓和大功率領(lǐng)域多采用多電平有源電
力濾波器。多電平有源電力濾波器每個(gè)功率器件承受+的直流母線電壓(n為電平數(shù))，
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可以以低耐壓器件實(shí)現(xiàn)高壓大功率化，但受限于大功率半導(dǎo)體電壓型全控開(kāi)關(guān)器IGBT耐壓值和IGCT的開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)多電平的PWM變流器有n3的開(kāi)關(guān)變量，控制難度大大增加；另外多電平變流器由于采用了多個(gè)功率器件，系統(tǒng)價(jià)格昂貴，可靠性較低，而且高壓多電平三相有源電力濾波器系統(tǒng)的一個(gè)器件故障就可導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，能夠?qū)崿F(xiàn)低壓大功率化，降低系統(tǒng)成本，且可靠性高。一種基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，包括多相變流器，用于產(chǎn)生多相補(bǔ)償電流；多相濾波器，用于對(duì)所述的多相補(bǔ)償電流進(jìn)行濾波；控制器，用于對(duì)所述的多相變流器進(jìn)行控制；多相變壓器，用于將濾波過(guò)后的多相補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘌a(bǔ)償電流，進(jìn)而將該三相補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)。所述的控制器包括檢測(cè)單元，用于采集電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流和三相補(bǔ)償電流；控制單元，用于根據(jù)采集到的電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流和三相補(bǔ)償電流進(jìn)行諧波檢測(cè)、指令提取及信號(hào)處理，進(jìn)而輸出PWM信號(hào)；驅(qū)動(dòng)單元，用于對(duì)所述的PWM信號(hào)功率放大后以控制所述的多相變流器。所述的多相變流器由多相半橋電路與一直流母線電容并聯(lián)而成。所述的多相半橋電路由n個(gè)橋臂并聯(lián)組成，n為相數(shù)且為大于4的自然數(shù)；每個(gè)橋臂由兩個(gè)IGBT串聯(lián)而成，其中，上橋臂IGBT的集電極與直流母線電容的一端相連，上橋臂IGBT的發(fā)射極與下橋臂IGBT的集電極相連且為多相變流器的相輸出端，下橋臂IGBT的發(fā)射極與直流母線電容的另一端相連。
所述的多相濾波器由n個(gè)網(wǎng)側(cè)電感、n個(gè)橋臂側(cè)電感和n條RC鏈路組成；其中，所述的橋臂側(cè)電感的一端為多相濾波器的相輸入端，橋臂側(cè)電感的另一端與對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電感的一端和對(duì)應(yīng)RC鏈路的輸入端相連，該對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電感的另一端為多相濾波器的相輸出端，n條RC鏈路的輸出端均共連。所述的RC鏈路由一電容和一電阻組成；其中，電容的一端為RC鏈路的輸入端，電容的另一端與電阻的一端相連，電阻的另一端為RC鏈路的輸出端。所述的多相變流器的任一相輸出端與多相濾波器對(duì)應(yīng)的相輸入端相連，多相濾波器的任一相輸出端與多相變壓器對(duì)應(yīng)的相輸入端相連。所述的負(fù)載電流為連接于電網(wǎng)的負(fù)載的輸入電流。本發(fā)明有源電力濾波器采用多相補(bǔ)償電流發(fā)生裝置和多相變?nèi)嗟淖儔浩鳂?gòu)建，利用多相PWM變流器具有多個(gè)控制自由度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低壓大功率化，在避免了電力電子功率器件的直接串并聯(lián)的前提下更易于實(shí)現(xiàn)；與現(xiàn)有多電平有源電力濾波器相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于整體控制，完美統(tǒng)一協(xié)調(diào)輸出，能量密度高；變流器采用低壓功率器件，降低成本，容易實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，一相或幾相出現(xiàn)故障時(shí)，只需切除對(duì)應(yīng)相，不影響系統(tǒng)的整體輸出，具有更高的可靠性；同時(shí)通過(guò)改變多相變壓器結(jié)構(gòu)，也可以適用于船艦等獨(dú)立供電系統(tǒng)，適用范圍廣。


圖I為傳統(tǒng)有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用示意圖。圖2為本發(fā)明有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用示意圖。圖3為多相變壓器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖4為多相變壓器的向量圖。
具體實(shí)施例方式為了更具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如圖2所示，以接入電網(wǎng)的基于五相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器為例，其包括多相變流器、多相濾波器、控制器和多相變壓器；控制器與多相變流器相連，多相變流器與多相濾波器相連，多相濾波器與多相變壓器相連，多相變壓器接入電網(wǎng)；其中多相變流器用于產(chǎn)生五相補(bǔ)償電流；其由多相半橋電路與一直流母線電容Cd。并聯(lián)而成；本實(shí)施方式中，多相半橋電路由5個(gè)橋臂并聯(lián)組成，故多相變流器具有5個(gè)相輸出端，每個(gè)橋臂由兩個(gè)IGBT串聯(lián)而成，其中，上橋臂IGBT的集電極與直流母線電容Cd。的一端相連，上橋臂IGBT的發(fā)射極與下橋臂IGBT的集電極相連且為多相變流器的相輸出端，下橋臂IGBT的發(fā)射極與直流母線電容Cd。的另一端相連。多相變流器的任一相輸出端與多相濾波器對(duì)應(yīng)的相輸入端相連。多相濾波器用于對(duì)五相補(bǔ)償電流進(jìn)行濾波；其由5個(gè)網(wǎng)側(cè)電感L2、5個(gè)橋臂側(cè)電感LI和5條RC鏈路組成,故本實(shí)施方式中，多相濾波器具有5個(gè)相輸入端和5個(gè)相輸出端；其中，任一橋臂側(cè)電感LI的一端為多相濾波器的相輸入端,橋臂側(cè)電感LI的另一端與對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電感L2的一端和對(duì)應(yīng)RC鏈路的輸入端相連，該對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電感L2的另一端為多相濾波器的相輸出端，5條RC鏈路的輸出端均共連。RC鏈路由一電容C和一電阻R組成；其中，電容C的一端為RC鏈路的輸入端，電容C的另一端與電阻R的一端相連，電阻R的另一端為RC鏈路的輸出端。多相濾波器的任一相輸出端與多相變壓器對(duì)應(yīng)的相輸入端相連。多相變壓器用于將濾波過(guò)后的五相補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘌a(bǔ)償電流ic，進(jìn)而將該三相補(bǔ)償電流i。注入電網(wǎng)。如圖3所示，本實(shí)施 y方式中，多相變壓器具有五個(gè)相輸入端(Va，Vb, Vc, Vd, Ve)三個(gè)相輸出端(Vx，Vy, Vz)，其通過(guò)相輸出端與三相電網(wǎng)相接，五相星型輸入端的繞組分布3個(gè)獨(dú)立的磁芯，其中有兩個(gè)分別帶著I個(gè)一次側(cè)線圈和3個(gè)二次側(cè)線圈(ClC2-clc2/c3c4/c5c6) (BlB2_blb2/b3b4/b5b6);另一個(gè)帶有 I 個(gè)一次側(cè)線圈和 2 個(gè)二次側(cè)線圈(AlA2_ala2/a3a4)。6個(gè)接口的一次側(cè)3個(gè)線圈以星型或三角形方式連接，16個(gè)接口的二次側(cè)8個(gè)線圈則以星型或多邊形方式連接；通過(guò)選擇合適的繞組匝數(shù)構(gòu)建出輸出相之間的72度相角。圖4為多相變壓器的向量圖,輸出相用字母X, Y，z標(biāo)不，輸入相用字母a, b, c, d,e標(biāo)不；輸入相a沿著輸出相X方向，輸入相b是繞組電壓c5c6和blb2的向量和,輸入相c是繞組電壓a3a4和b3b4的向量和，輸入相d是繞組電壓a3a4和clc2的向量和，類似的輸入相e是繞組電壓c3c4和b5b6的向量和；這樣便獲得了 5相電壓，變壓器從5相到3相可以由以下矩陣變換公式得到
Vxsin(夸) 0 0 0 0 VbVy = . J2g X 0 sin(普)sin(普) 00 Vc F2J S L 0 。 。 sin(f) sin(普)」Vll
IK _控制器用于對(duì)多相變流器中各IGBT的通斷進(jìn)行控制；其包括檢測(cè)單元、控制單元和驅(qū)動(dòng)單元；檢測(cè)單元與控制單元相連，控制單元與驅(qū)動(dòng)單元相連，驅(qū)動(dòng)單元與多相變流器相連；其中檢測(cè)單元用于采集電網(wǎng)電壓Us、負(fù)載電流k和三相補(bǔ)償電流;其由一些電壓互感器和電流互感器構(gòu)建實(shí)現(xiàn)。控制單元用于根據(jù)采集到的電網(wǎng)電壓us、負(fù)載電流k和三相補(bǔ)償電流進(jìn)行諧波檢測(cè)、指令提取及信號(hào)處理，進(jìn)而輸出PWM信號(hào)；本實(shí)施方式中，控制單元通過(guò)DSP芯片編程實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)單元用于對(duì)PWM信號(hào)功率放大后以控制多相變流器中各IGBT的通斷。本實(shí)施方式的有源電力濾波器將變流器產(chǎn)生的多相補(bǔ)償電流通過(guò)多相變壓器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗪蠼尤腚娋W(wǎng)；電網(wǎng)中的非線性負(fù)載為諧波源，其產(chǎn)生諧波電流并消耗無(wú)功。有源電力濾波器系統(tǒng)中的補(bǔ)償電流發(fā)生裝置為多相變流器，而由LCL組成的多相濾波器主要用來(lái)濾除開(kāi)關(guān)噪聲附近的開(kāi)關(guān)紋波電流。電網(wǎng)電流等于負(fù)載電流與補(bǔ)償電流之和，本實(shí)施方式控制單元采用檢測(cè)負(fù)載電流的控制策略，系統(tǒng)先通過(guò)檢測(cè)單元采集負(fù)載電流，通過(guò)計(jì)算提取出負(fù)載電流的諧波分量，確定指令電流信號(hào)，進(jìn)而構(gòu)造生成PWM信號(hào)，通過(guò)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制多相變流器產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)多相變壓器變換后與負(fù)載諧波電流大小相等相位相反的補(bǔ)償電流，并注入電網(wǎng)，從而使得電網(wǎng)電流只含基波分量，達(dá)到治理濾波的目的。 檢測(cè)單元通過(guò)電壓和電流傳感器獲取非線性負(fù)載的電流信號(hào)和電網(wǎng)的電壓信號(hào)，通過(guò)低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)得到負(fù)載電流k的諧波分量，將其反極性后作為補(bǔ)償電流i。的指令信號(hào)；控制單元通過(guò)比較指令信號(hào)與實(shí)際補(bǔ)償電流的關(guān)系，得到控制多相變流器中各IGBT通斷的PWM信號(hào)，以保證有源濾波器的輸出電流實(shí)時(shí)跟蹤指令電流的變化，電流的跟蹤控制是整個(gè)控制單元的核心控制環(huán)節(jié)，直接決定了系統(tǒng)性能的好壞。如果要求有源電力濾波器在補(bǔ)償諧波的同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率，則檢測(cè)單元檢測(cè)出諧波源的諧波分量和無(wú)功分量，然后反極性作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，再由多相變流器生成與負(fù)載電流中諧波和無(wú)功分量大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，從而使得電網(wǎng)電流為基波有功電流，達(dá)到諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br> 權(quán)利要求
1.一種基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，其特征在于，包括 多相變流器，用于產(chǎn)生多相補(bǔ)償電流； 多相濾波器，用于對(duì)所述的多相補(bǔ)償電流進(jìn)行濾波； 控制器，用于對(duì)所述的多相變流器進(jìn)行控制； 多相變壓器，用于將濾波過(guò)后的多相補(bǔ)償電流轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘌a(bǔ)償電流，進(jìn)而將該三相補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，其特征在于所述的控制器包括 檢測(cè)單元，用于采集電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流和三相補(bǔ)償電流； 控制單元，用于根據(jù)采集到的電網(wǎng)電壓、負(fù)載電流和三相補(bǔ)償電流進(jìn)行諧波檢測(cè)、指令提取及信號(hào)處理，進(jìn)而輸出PWM信號(hào)； 驅(qū)動(dòng)單元，用于對(duì)所述的PWM信號(hào)功率放大后以控制所述的多相變流器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，其特征在于所述的多相變流器由多相半橋電路與一直流母線電容并聯(lián)而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，其特征在于所述的多相半橋電路由η個(gè)橋臂并聯(lián)組成，η為相數(shù)且為大于4的自然數(shù)；每個(gè)橋臂由兩個(gè)IGBT串聯(lián)而成，其中，上橋臂IGBT的集電極與直流母線電容的一端相連，上橋臂IGBT的發(fā)射極與下橋臂IGBT的集電極相連且為多相變流器的相輸出端，下橋臂IGBT的發(fā)射極與直流母線電容的另一端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，其特征在于所述的多相濾波器由η個(gè)網(wǎng)側(cè)電感、η個(gè)橋臂側(cè)電感和η條RC鏈路組成；其中，所述的橋臂側(cè)電感的一端為多相濾波器的相輸入端，橋臂側(cè)電感的另一端與對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電感的一端和對(duì)應(yīng)RC鏈路的輸入端相連，該對(duì)應(yīng)網(wǎng)側(cè)電感的另一端為多相濾波器的相輸出端，η條RC鏈路的輸出端均共連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，其特征在于所述的RC鏈路由一電容和一電阻組成；其中，電容的一端為RC鏈路的輸入端，電容的另一端與電阻的一端相連，電阻的另一端為RC鏈路的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多相變流結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器，包括多相變流器、多相濾波器、控制器和多相變壓器。本發(fā)明有源電力濾波器采用多相補(bǔ)償電流發(fā)生裝置和多相變?nèi)嗟淖儔浩鳂?gòu)建，利用多相PWM變流器具有多個(gè)控制自由度的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了低壓大功率化，在避免了電力電子功率器件的直接串并聯(lián)的前提下更易于實(shí)現(xiàn)；與現(xiàn)有多電平有源電力濾波器相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于整體控制，完美統(tǒng)一協(xié)調(diào)輸出，能量密度高；變流器采用低壓功率器件，降低成本，容易實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，一相或幾相出現(xiàn)故障時(shí)，只需切除對(duì)應(yīng)相，不影響系統(tǒng)的整體輸出，具有更高的可靠性；同時(shí)通過(guò)改變多相變壓器結(jié)構(gòu)，也可以適用于船艦等獨(dú)立供電系統(tǒng)，適用范圍廣。
文檔編號(hào)H02J3/01GK102769291SQ20121023599
公開(kāi)日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者俞年昌, 尹宏清, 曾爭(zhēng), 楊家強(qiáng), 陳詩(shī)瀾 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)