本實(shí)用新型屬于電能質(zhì)量管理領(lǐng)域，特別是低電壓輸入、需要處理諧波次數(shù)較高的精密制造等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大量的非線性負(fù)載尤其是各類電力電子裝置接入電網(wǎng)，在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波污染，嚴(yán)重影響了網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。廣大工業(yè)廠商面臨著提高自身功率因數(shù)、限制諧波含量的挑戰(zhàn)。

目前，諧波抑制的一個(gè)重要研究內(nèi)容就是有源電力濾波器。并聯(lián)有源電力濾波器通過產(chǎn)生與諧波波形一致但相位相反的電流來補(bǔ)償由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。傳統(tǒng)有源濾波器都是基于逆變器拓，最常見的是電壓源逆變器，例如SVC、SVG等。電壓源逆變器的直流側(cè)采用大容量電解電容器組作為儲(chǔ)能元件，電解電容的使用帶來如下問題：首先，電解電容壽命較短，容易損壞，從而使得APF裝置可靠性較差；其次，儲(chǔ)能電容體積大，價(jià)格昂貴，大大限制了APF的市場前景。所以傳統(tǒng)APF在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用并不廣泛。

近年來，學(xué)術(shù)界基于單項(xiàng)結(jié)構(gòu)的交流斬波器，提出了名為虛擬正交源的新型交交變換器控制策略，并基于此發(fā)展處一類新型Inverter-Less STATCOM。該概念的基本思想是將傳統(tǒng)的斬波器的固定占空比用一個(gè)時(shí)變量代替，時(shí)變占空比由偶次諧波調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)，從而突破了傳統(tǒng)斬波器不能合成任意頻率與相位的正弦輸出電壓的局限。并且，當(dāng)斬波器負(fù)載側(cè)接傳統(tǒng)無功補(bǔ)償電容器，就可以實(shí)現(xiàn)無功和諧波的綜合補(bǔ)償，而無功補(bǔ)償電容器比儲(chǔ)能電容體積小，價(jià)格低，可靠性高。目前的新型APF研究中，交交變換器主要采用傳統(tǒng)的交流斬波器，其由雙向功率開關(guān)管結(jié)合DC-DC變換器直接得到。即目前的新型APF都是基于Buck型和Boost型基本交流斬波器展開，補(bǔ)償容量較小，研究內(nèi)容單一，因而這項(xiàng)新技術(shù)尚且處在一個(gè)發(fā)展階段，新型交流變換器的引入、補(bǔ)償容量的增加以及閉環(huán)控制方案的設(shè)計(jì)等方面都有待深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型在基于交流斬波器的新型APF技術(shù)上引入高頻隔離變換器，提出一種適用于三相三線系統(tǒng)的基于高頻隔離交交變換器的新型APF結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)無功和諧波綜合補(bǔ)償?shù)墓δ?。該結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)無功補(bǔ)償電容器，價(jià)格低廉；采用高頻隔離交交變換器，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償電容器和網(wǎng)側(cè)的電氣隔離，裝置可靠性更高；改變高頻變壓器變比，相同電壓等級和補(bǔ)償電容器的條件下可以設(shè)計(jì)更大補(bǔ)償容量的補(bǔ)償裝置。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)解決方案為：

一種基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調(diào)制技術(shù)的有源濾波器，單相主功率電路包括推挽正激式高頻隔離交交直接變換器和傳統(tǒng)無功補(bǔ)償電容器。整個(gè)有源濾波器具有三相APF主功率電路，其中每個(gè)單相APF主功率電路采用推挽正激式高頻隔離交交直接變換器與電容器并聯(lián)，每個(gè)推挽正激式高頻隔離交交直接變換器包括交流輸入單元、輸入濾波器、高頻隔離式推挽正激變換單元、周波變換器、輸出濾波器和輸出交流電容負(fù)載。推挽正激式高頻隔離交交直接變換器整體上可以分為五個(gè)部分：高頻變壓器T，變壓器原邊的推挽正激結(jié)構(gòu)斬波器1，變壓器副邊全波整流斬波器2，輸入濾波器和輸出濾波器。高頻變壓器有四個(gè)繞組：T_p1、T_p2、、T_s1和T_p2。變壓器原邊同名端之間接入一個(gè)箝位電容C_s，實(shí)現(xiàn)了對高頻變壓器漏感能量的回收,同時(shí)也抑制原邊開關(guān)管電壓尖峰。推挽正激結(jié)構(gòu)斬波器1和全波整流斬波器2中雙向開關(guān)由兩個(gè)串聯(lián)的開關(guān)管分別由S_1a和S_1b、S_1c和S_1d、S_2a和S_2b、S_2c和S_2d串聯(lián)組成，每個(gè)開關(guān)管dou并聯(lián)一個(gè)相應(yīng)的二極管，其中串聯(lián)的兩個(gè)開關(guān)管的源極S共用，驅(qū)動(dòng)信號加在兩個(gè)開關(guān)管共用的源極和各自的柵極之間。輸入濾波器L_i和C_i用于濾除變換器輸入電流中的諧波成分，主要是開關(guān)頻率成分。輸出濾波器濾L_f和C_f除輸出電壓的開關(guān)頻率成分。傳統(tǒng)無功補(bǔ)償電容器C作為交交變換器的負(fù)載。三相主功率電路按照Y型連接方式并入電網(wǎng)。

使用一個(gè)時(shí)變占空比控制推挽正激式高頻隔離交交直接變換器，變換器會(huì)向網(wǎng)側(cè)注入含有容性成分和各次諧波成分的電流。容性電流超前電壓相位90°，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償功能；各次注入諧波和電網(wǎng)含有諧波相位相反幅值相同，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償功能。通過對變換器時(shí)變占空比控制，實(shí)現(xiàn)無功和諧波動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償。

本實(shí)用新型的控制策略采用偶次諧波調(diào)制技術(shù)和逐次諧波補(bǔ)償控制方案。即采樣網(wǎng)側(cè)的電壓和電流，根據(jù)相應(yīng)的算法計(jì)算出無功和各次諧波成分，作為控制電路的指令信號?？刂齐娐穼⒅噶钚盘柊凑諏?yīng)的算法，得到偶次調(diào)制波信號，作為控制信號，由控制信號得到最終交交變換器的驅(qū)動(dòng)信號。因?yàn)闄z測環(huán)節(jié)需要針對系統(tǒng)含有的諧波成分進(jìn)行針對性的補(bǔ)償，因此這種控制被稱為逐次諧波補(bǔ)償控制。

與現(xiàn)有APF系統(tǒng)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1.相對于傳統(tǒng)APF，本實(shí)用新型沒有直流儲(chǔ)能裝置，僅使用傳統(tǒng)無功補(bǔ)償電容器，從而裝置價(jià)格更加低廉；

2.不同于傳統(tǒng)基于逆變器的APF所采用的檢測諧波總含量一并進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?，提出的新型APF采用逐次諧波補(bǔ)償方案，因而根據(jù)含有不同諧波成分的網(wǎng)絡(luò)情況新型APF可以更加具有針對性，同時(shí)更加容易實(shí)現(xiàn)對較高次諧波的補(bǔ)償。

3.相比于基于交流斬波器的APF，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償電容器和電網(wǎng)側(cè)的電氣隔離，裝置可靠性更高；并且改變高頻變壓器變比，相同電壓等級和補(bǔ)償電容器的客觀條件下本實(shí)用新型的補(bǔ)償容量有更大的自主選擇性。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一種基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調(diào)制技術(shù)的有源濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本實(shí)用新型推挽正激式高頻隔離交交直接變換器的示意圖。

圖3是本實(shí)用新型新型有源濾波器的控制系統(tǒng)示意圖。

圖4a、4b分別是本實(shí)用新型有源濾波器投入電網(wǎng)前后電網(wǎng)電壓和電流波形示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1、圖2所示，根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例，一種基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調(diào)制技術(shù)的有源濾波器，具有三相APF主功率電路，其中每個(gè)單相APF主功率電路采用推挽正激式高頻隔離交交直接變換器與電容器并聯(lián)。

如圖2所示，本實(shí)用新型的實(shí)施例中，每個(gè)推挽正激式高頻隔離交交直接變換器包括交流輸入單元1、輸入濾波器2、高頻隔離式推挽正激變換單元3、周波變換器4、輸出濾波器5和輸出交流電容負(fù)載6。

交流輸入單元1與輸入濾波器2一端連接，輸入濾波器2另一端與高頻隔離式推挽正激變換單元3一端連接，高頻隔離式推挽正激變換單元3另一端與連接周波變換器4一端連接，周波變換器4另一端與輸出濾波器5一端連接，輸出濾波器5另一端與輸出交流電容負(fù)載6連接。

輸入濾波器2包括濾波電感L_i和濾波電容C_i；濾波電感L_i一端與交流交流輸入單元1正極相連，另一端與濾波電容C_i一端相連；濾波電容C_i另一端與交流輸入單元1負(fù)極相連。

高頻隔離式推挽正激變換單元3包括第一雙向開關(guān)管S_A、第二雙向功率開關(guān)管S_B、高頻變壓器和箝位電容C_s；所述的第一雙向功率開關(guān)管S_A和第二雙向功率開關(guān)管S_B都是由兩個(gè)單個(gè)的功率開關(guān)管反向串聯(lián)而構(gòu)成承受正向、反向的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力的開關(guān)，具有雙向阻斷功能；第一雙向功率開關(guān)管S_A包括第一功率開關(guān)管S_1a，第一二極管V_1a，第二功率開關(guān)管S_1b，第二二極管V_1b，第一功率開關(guān)管S_1a的漏極和第一二極管V_1a的陰極相連作為第一雙向開關(guān)管S_A的一端，第一功率開關(guān)管S_1a的陽極、第一二極管V_1a陽極、第二功率開關(guān)管S_1b的源極、第二二極管V_1b的陽極連在一起，第二功率開關(guān)管S_1b的漏極和第二二極管V_1b的陰極相連作為第一雙向功率開關(guān)管S_A的另一端；第二雙向功率開關(guān)管S_B包括第三功率開關(guān)管S_1c，第三二極管V_1c，第四功率開關(guān)管S_1d，第四二極管V_1d；第三功率開關(guān)管S_1c的漏極和第三二極管V_1c的陰極相連作為第二雙向開關(guān)管S_B的一端，第三功率開關(guān)管S_1c的陽極、第三二極管V_1c陽極、第四功率開關(guān)管S_1d的源極、第四二極管V_1d的陽極連在一起，第四功率開關(guān)管S_1d的漏極和第四二極管V_1d的陰極相連作為第二雙向功率開關(guān)管S_B的另一端；高頻變壓器包括高頻隔離變壓器第一原邊繞組T_p1，高頻隔離變壓器第二原邊繞組T_p2，高頻隔離變壓器第一副邊繞組T_s1，高頻隔離變壓器第二副邊繞組T_s2；第一雙向功率開關(guān)管S_A的一端與高頻隔離變壓器第二原邊繞組T_p1的非同名端相連，第一雙向功率開關(guān)管S_A的另一端與箝位電容C_s的一端和高頻隔離變壓器第一原邊繞組T_p1的同名端相連；箝位電容C_s另一端與高頻隔離變壓器第二原邊繞組T_p1的同名端和第二雙向功率開關(guān)管S_B的一端相連，第二雙向功率開關(guān)管S_B的另一端與高頻隔離變壓器第一原邊繞組T_p1的非同名端相連。

周波變換器4包括第三雙向開關(guān)管S_C和第四雙向功率開關(guān)管S_D；第三雙向功率開關(guān)管S_C包括第五功率開關(guān)管S_2a，第五二極管V_2a，第六功率開關(guān)管S_2b，第六二極管V_2b，第五功率開關(guān)管S_2a的漏極和第五二極管V_2a的陰極相連作為第三雙向開關(guān)管S_C的一端，第五功率開關(guān)管S_2a的陽極、第五二極管V_2a陽極、第六功率開關(guān)管S_2b的源極、第六二極管V_2b的陽極連在一起，第六功率開關(guān)管S_2b的漏極和第六二極管V_2b的陰極相連作為第三雙向功率開關(guān)管S_C的另一端；第四雙向功率開關(guān)管S_D包括第七功率開關(guān)管S_2c，第七二極管V_2c，第八功率開關(guān)管S_2d，第八二極管V_2d；第七功率開關(guān)管S_2c的漏極和第七二極管V_2c的陰極相連作為第四雙向開關(guān)管S_D的一端，第七功率開關(guān)管S_2c的陽極、第七二極管V_2c陽極、第八功率開關(guān)管S_2d的源極、第八二極管V_2d的陽極連在一起，第八功率開關(guān)管S_2d的漏極和第八二極管V_2d的陰極相連作為第四雙向功率開關(guān)管S_D的另一端；第三雙向功率開關(guān)管S_C的一端與高頻隔離變壓器第一副邊繞組T_s1的同名端相連，第三雙向功率開關(guān)管S_C的另一端與第四雙向功率開關(guān)管S_D的另一端連接，第四雙向功率開關(guān)管S_D的一端與高頻隔離變壓器第二副邊繞組T_s2的非同名端與相連，第四雙向功率開關(guān)管S_D的另一端與第三雙向功率開關(guān)管S_C的另一端連接。

輸出濾波器5包含輸出濾波電容C_f和輸出濾波電感L_f，輸出濾波電感L_f一端與第三雙向功率開關(guān)管S_C的一端相連，另一端與輸出濾波電容C_f一端相連；濾波電容C_i另一端與高頻隔離變壓器第二副邊繞組T_s2的同名端、高頻隔離變壓器第一副邊繞組T_s1的非同名端連接。

輸出交流電容負(fù)載6包含電容器C，電容器C的一端和輸出濾波電容C_f的一端連接，電容器C的另一端和輸出濾波電容C_f的另一端連接。

其中，所述的三相APF主功率電路按照Y型連接方式并聯(lián)接入電網(wǎng)，電網(wǎng)為三相三線制，中性點(diǎn)直接接地，APF主功率電路中對應(yīng)三個(gè)推挽正激式高頻隔離交交直接變換器經(jīng)過輸入濾波器的對應(yīng)濾波電感L_i并入電網(wǎng)，接入點(diǎn)和無功負(fù)載以及非線性負(fù)載一樣，為電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)；三個(gè)交交變換器的另一端直接相連，作為負(fù)載的中性點(diǎn)。

結(jié)合圖3，三相推挽正激式高頻隔離交交直接變換器的控制信號相位差和三相電壓相位相同。控制采用偶次諧波調(diào)制技術(shù)和逐次諧波補(bǔ)償控制方案，針對電網(wǎng)中含有的諧波，檢測并逐次計(jì)算各次諧波的含量，用一個(gè)信號表示該含量；按照相應(yīng)算法計(jì)算出對應(yīng)的偶次調(diào)制波成分，作為推挽正激式高頻隔離交交直接變換器的控制信號。

本實(shí)用新型的前述基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調(diào)制技術(shù)的有源濾波器，基本工作原理如下：

首先，當(dāng)負(fù)載為電容時(shí)，圖3所示，高頻隔離推挽正激式交交直接變換器的輸入輸出特性為：

其中，i_o為負(fù)載電流，i_s為交交直接變換器電源側(cè)電流，網(wǎng)側(cè)電壓u_s＝U_msinωt，C為補(bǔ)償電容容值大小，d(t)為占空比，則交交直接變換器電源側(cè)電流的表達(dá)式可以寫為：

i_s＝ωCN²d(t)²U_mcosωt (2)

1.無功補(bǔ)償原理

當(dāng)占空比d(t)＝k₀，是一個(gè)定值時(shí)，變換器的電源測電流式(2)可以寫為

i_s＝ωCN²k₀²U_mcosωt (3)

式(3)表明，此時(shí)推挽正激變換器向電網(wǎng)側(cè)注入一個(gè)超前網(wǎng)側(cè)電壓90°的容性電流，電流幅值可以通過控制占空比k₀的大小來調(diào)節(jié)。因此推挽正激式交交直接變換器就像一個(gè)容值可調(diào)節(jié)的可變電容器，可以提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償。

2.諧波補(bǔ)償原理

為了實(shí)現(xiàn)諧波抑制的功能，依據(jù)虛擬正交源的概念，將偶次諧波調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在交交直接變換器。偶次諧波調(diào)制技術(shù)的思想是將偶次頻率的正弦時(shí)變成分加入到變換器的占空比，相應(yīng)的在變換器的網(wǎng)側(cè)輸入電流中即將產(chǎn)生奇次諧波，這些奇次諧波被用來抑制電網(wǎng)中的諧波污染。所以時(shí)變占空比如式4所示。

其中，n為正偶數(shù)，0≤k₀+Σk_n≤1，Σ|k_n|≤k₀。

把式4帶入到式1中，此時(shí)網(wǎng)側(cè)輸入電流的公式為

當(dāng)偶次諧波成分僅含有2th成分，輸入電流可以表達(dá)為式6-式9。

顯然，通過適當(dāng)?shù)目刂婆即握{(diào)制波的幅值和相位，可以生成和電網(wǎng)中諧波幅值相同、相位相反的奇次諧波。

i_s＝i_ω+i_3ω (6)

以上為單相新型APF無功和諧波綜合補(bǔ)償原理，圖1所示三相新型APF的三相網(wǎng)側(cè)輸入電流表達(dá)式為

其綜合補(bǔ)償原理和單相類似，不再贅述。

3.控制原理

三相新型APF針對不同次數(shù)的諧波需要做不同的處理，因此本實(shí)用新型的APF在實(shí)現(xiàn)諧波抑制以及無功補(bǔ)償?shù)墓δ軙r(shí)不能直接采用傳統(tǒng)的APF所采用的一般方案——檢測諧波的總含量一并進(jìn)行補(bǔ)償，而需要分別檢測電網(wǎng)中的各次諧波電流并補(bǔ)償，即采用逐次諧波補(bǔ)償?shù)牟呗??？刂品桨冈韴D如圖3。

i_a,i_b,i_c為當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流，當(dāng)網(wǎng)側(cè)三相瞬時(shí)電流經(jīng)過檢測電路之后，利用Park變換將其瞬時(shí)值轉(zhuǎn)換到兩相坐標(biāo)系中，得到基波和各次諧波的直軸分量i_d和交軸分量i_q。將基波的交軸分量i_q經(jīng)過一個(gè)低通濾波器即得到無功直流分量，作為控制環(huán)節(jié)的指令信號，將其與零比較后輸入比例積分調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出作為控制信號。各次諧波的直軸分量i_d和交軸分量i_q均通過低通濾波器和PI調(diào)節(jié)器，將PI調(diào)節(jié)器輸出進(jìn)行Park反變換，得到相應(yīng)的偶次調(diào)制波控制信號。最后將各項(xiàng)控制信號相加得到三相時(shí)變占空比，時(shí)變占空比和三角載波比較產(chǎn)生交交變換器的驅(qū)動(dòng)信號。

圖4a和圖4b新型有源濾波器投入電網(wǎng)前后電網(wǎng)電壓電流波形圖。圖4a所示，補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)電壓電流有相位差，有無功成分，網(wǎng)側(cè)電流波形不是正弦型式，含有大量的諧波；圖4b所示，補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電壓電流相位基本相同，無功被補(bǔ)償，網(wǎng)側(cè)電流基本是一個(gè)正弦波，諧波含量很少。表明，本實(shí)用新型可實(shí)現(xiàn)無功和諧波的綜合補(bǔ)償。