專利名稱：多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，適用于高可靠性要求的 各種大功率用電系統(tǒng)，屬于電力諧波抑制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
早在20世紀(jì)20年代，電力系統(tǒng)諧波問題就引起了人們的注意。大量的高頻諧波 對各種電力設(shè)備、通信設(shè)備及線路都會產(chǎn)生有害的影響，嚴(yán)重時會造成設(shè)備的損壞和電力 系統(tǒng)事故。尤其是近年來電力電子設(shè)備的迅速增長，諧波危害也日趨嚴(yán)重。同時，無功功率 也會對電網(wǎng)系統(tǒng)帶來損耗增加，供電質(zhì)量低等不良影響，因此如何解決電力系統(tǒng)中無功功 率和諧波補(bǔ)償，實現(xiàn)真正的“綠色電網(wǎng)”成為目前迫切需要解決的問題。諧波和無功補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法是采用LC調(diào)諧濾波器，因其結(jié)構(gòu)簡單廉價而廣 泛運用，但其阻抗固定，不能實現(xiàn)諧波和無功的動態(tài)補(bǔ)償，其主體地位正逐漸被有源電力濾 波器所取代。迄今為止有源電力濾波器發(fā)展了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是并聯(lián) 型、串聯(lián)型和混合型等，以并聯(lián)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用更為廣泛，研究也最多；針對大容量諧波及無功 系統(tǒng)，目前主要采用了以下技術(shù)來實現(xiàn)濾波(1)采用無源LC濾波器和有源電力濾波器的 混合型系統(tǒng)；(2)采用多個器件串并技術(shù)；(3)采用多臺小容量有源電力濾波器的并聯(lián)運行 實現(xiàn)大容量；(4)采用多重化技術(shù)提高功率管等效開關(guān)頻率以實現(xiàn)大容量有源濾波器。隨著電力電子及相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展以及電力市場的拓展，電網(wǎng)系統(tǒng)的容量必 定會逐步提升，因此大容量有源電力濾波器有著良好的發(fā)展前景和潛在的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 而且無論是多臺并聯(lián)運行還是多重化技術(shù)，其都是基于模塊化的基本思想，因此基于模塊 化思想實現(xiàn)大容量有源電力濾波器將是一個重要的發(fā)展方向之一。由于有源電力濾波器的主功率回路基本組成單元往往采用雙開關(guān)管串聯(lián)的半橋 或全橋結(jié)構(gòu)，開關(guān)管在高頻開關(guān)工作時可能存在的危險。為了提高有源電力濾波器可靠性 運行，往往是在控制手段上作出變化和改進(jìn)，如增加死區(qū)時間等，這不僅影響有源電力濾波 器的濾波特性，而且并沒有從根本上解決橋臂直通的問題。因此，如何在不損失有源電力濾 波器濾波特性的同時提高其可靠性，通過對有源電力濾波器的電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘母倪M(jìn) 以達(dá)到諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)哪康?，對有源電力濾波器的在大容量諧波及無功治理的發(fā)展 與應(yīng)用有著重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的所要解決的技術(shù)問題是以高可靠性要求的大容量電網(wǎng)系統(tǒng)為對象針對 現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，通過將功率管與二極 管串聯(lián)組成橋臂單元，完全杜絕橋臂直通的危險，并通過模塊化級聯(lián)結(jié)構(gòu)的拓?fù)錆M足大容 量電網(wǎng)的濾波要求，降低各功率器件電壓等級，同時利用載波移相技術(shù)提高有源電力濾波器的諧波補(bǔ)償特性。技術(shù)方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，所述有源電力濾波器與交流電網(wǎng)的 母線連接，所述交流電網(wǎng)是三相電源，所述交流電網(wǎng)的母線分別與三相濾波電感、三相負(fù)載 連接；其中有源電力濾波器的輸出端分別與三相電源的母線、三相濾波電感的輸入端連接， 三相濾波電感的輸出端與三相負(fù)載連接；所述有源電力濾波器包括主功率電路、檢測與采 樣裝置、控制及驅(qū)動電路；所述主功率電路包括三相電路A相電路、B相電路、C相電路，其 中A相電路、B相電路、C相電路分別由η個結(jié)構(gòu)相同的模塊單元依次串聯(lián)而成，η為自然 數(shù)，且η < 5 ；所述三相電路的首端模塊單元的輸入端分別接入三相交流電網(wǎng)三相母線，所 述三相電路的末端模塊單元的輸出端分別星形連接于三相APF的中性點；交流電網(wǎng)的三相母線和中性點、交流電網(wǎng)輸出側(cè)、三相濾波電感的三相輸入側(cè)、主 功率電路的三相輸出側(cè)和正負(fù)直流母線分別與檢測與采樣裝置的輸入端連接，檢測與采樣 裝置的輸出端與控制及驅(qū)動電路的輸入端連接，控制及驅(qū)動電路的輸出端與主功率電路的 輸入端；所述模塊單元包括一個直流側(cè)電容和第一 H橋、第二 H橋，其中直流側(cè)電容跨接在 模塊單元的正負(fù)直流母線兩端，直流側(cè)電容和第一 H橋、第二 H橋相互并聯(lián)，第一 H橋的中 點作為該模塊單元的輸入端子，第二 H橋的中點作為該模塊單元的輸出端子。進(jìn)一步的，上述多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器的第一 H橋包括第一 MOS 管S1、第二 MOS管S2、第一二極管D1、第二二極管D2、第一電感L1、第二電感L2 ；其中第一 MOS 管S1的源極與第一二極管D1的陰極相連、第二 MOS管S2的漏極與第二二極管D2的陽極相 連分別構(gòu)成第一 H橋的兩個橋臂；第一 MOS管S1的漏極和第二二極管D2的陰極連接模塊 單元的正直流母線，第一二極管D1的陽極和第二 MOS管S2的源極連接模塊單元的負(fù)直流母 線；第一電感L1、第二電感L2相互串聯(lián)后分別接前述第一 H橋的兩個橋臂的中點；所述第一 H橋的中點為第一電感L1、第二電感L2的串聯(lián)點；所述第二 H橋包括第三MOS管S3、第四MOS管S4、第三二極管D3、第四二極管D4、 第三電感L3、第四電感L4 ；其中第三MOS管S3的源極與第三二極管D3的陰極相連、第四MOS 管S4的漏極與第四二極管D4的陽極相連分別構(gòu)成第二 H橋的兩個橋臂，第三MOS管S3的 漏極和第四二極管D4的陰極接模塊單元的正直流母線，第三二極管D3的陽極和第四MOS管 S4的源極接模塊單元的負(fù)直流母線；第三電感L3、第四電感L4相互串聯(lián)后分別接前述第二 H橋的兩個橋臂的中點；所述第二 H橋的中點為第三電感L3、第四電感L4的串聯(lián)點。進(jìn)一步的，上述多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器的第一電感L1、第二電感 L2、第三電感L3、第四電感L4的感值相同，第一 H橋、第二H橋在模塊單元里的連接方式可以 互換。進(jìn)一步的，上述多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，當(dāng)所述有源電力濾波器 應(yīng)用于三相三線制電網(wǎng)系統(tǒng)中，將N點與交流電網(wǎng)的中性線相連。進(jìn)一步的，上述多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器的控制及驅(qū)動電路包括諧 波檢測運算電路、PWM電流控制和驅(qū)動電路。進(jìn)一步的，上述多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器的檢測與采樣裝置包括M個電壓傳感器和m個電流傳感器，其中M、m均為正整數(shù)。有益效果1.相對于傳統(tǒng)橋式有源電力濾波器，能完全杜絕橋臂直通的危險，從而提高有源 電力濾波系統(tǒng)的可靠性；2.相對于傳統(tǒng)橋式有源電力濾波器，能分別優(yōu)化功率開關(guān)管和功率二極管，從而 降低開關(guān)損耗，為進(jìn)一步提高開關(guān)頻率創(chuàng)造條件；3.相對于單獨橋式有源電力濾波器，直流側(cè)電壓降低，開關(guān)容量也降低，可以優(yōu)化 功率開關(guān)管的選取；4.由于采用相同的電路結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)模塊化設(shè)計和組裝；5.實際開關(guān)頻率相對低，等效開關(guān)頻率高，電磁干擾，開關(guān)損耗較低，補(bǔ)償特性好； 能廣泛用于三相三線制電網(wǎng)系統(tǒng)和三相四線制的大容量電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波治理。


圖1是本發(fā)明的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1中有源濾波器主功率電路中模塊單元的電路結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的單模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的雙模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的單模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器應(yīng)用于115V/400HZ電網(wǎng) 的負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓仿真波形。圖6是本發(fā)明的雙模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器應(yīng)用于115V/400HZ電網(wǎng) 的負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓仿真波形。圖中標(biāo)號1.三相交流電網(wǎng)，2.濾波電感，3.非線性負(fù)載，4.有源濾波器主功率電 路，5.檢測與采樣裝置，6.控制及驅(qū)動電路，7.模塊單元，8.輸入端子，9.第一 H橋，10.第 二 H橋，11.直流側(cè)電容，12.輸出端子。
具體實施方案下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述如圖1所示，本發(fā)明的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，包括交流電網(wǎng)1、 非線性負(fù)載3分別是三相電源和三相負(fù)載；交流電網(wǎng)1三相交流母線串接濾波電感2后輸 入非線性負(fù)載3。多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器包括主功率電路4、檢測與采樣裝 置5、控制及驅(qū)動電路6。主功率電路4三相電路均由相同結(jié)構(gòu)的模塊單元7串聯(lián)而成；如圖2所示，每個模塊單元均包括一個直流側(cè)電容11和兩個H橋；其中直流側(cè)電 容11跨接在有源濾波器正負(fù)直流母線兩端，第一 H橋9的雙串聯(lián)電感串聯(lián)中點作為該模塊 單元輸入端子8，第二 H橋10的雙串聯(lián)電感串聯(lián)中點作為該模塊單元輸出端子12 ；三相首 端模塊單元~、Bp C1的輸入端子8分別接入三相交流電網(wǎng)1三相母線，三相末端模塊單元 An、Bn、Cn的輸出端子12星形連接于N點。檢測與采樣裝置5包括多個電壓傳感器和電流傳 感器，多輸入端分別與三相交流電網(wǎng)1三相母線和中性點、三相交流電網(wǎng)1輸出側(cè)、濾波電 感2三相輸入側(cè)、有源電力濾波器三相輸出側(cè)和各模塊單元正負(fù)直流母線相連，用以檢測 電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)電流、負(fù)載電流、補(bǔ)償電流和各模塊直流側(cè)電壓，輸出端與控制算法及驅(qū)動電路6相連?？刂扑惴膀?qū)動電路6由諧波檢測運算電路、PWM電流控制和驅(qū)動電路組成。 檢測與采樣裝置5輸出信號通過諧波檢測運算電路得到補(bǔ)償電流參考信號，經(jīng)過PWM電流 控制環(huán)節(jié)輸出控制信號，驅(qū)動電路對控制信號進(jìn)行放大隔離，輸入到主電路4中各模塊單 元7的兩個H橋的MOS管柵極。上述實施例中，第一 H橋9中，MOS管S1源極與二極管D1陰極相連，MOS管S2漏極 與二極管D2陽極相連分別構(gòu)成第一 H橋9的兩個高可靠性橋臂，MOS管S1漏極和二極管D2 陰極接正直流母線，二極管D1陽極和MOS管S2源極接負(fù)直流母線；雙串聯(lián)電感Lp L2兩端 分別接第一 H橋9的兩個高可靠性橋臂中點。第二 H橋10中，MOS管S3源極與二極管D3 陰極相連，MOS管S4漏極與二極管D4陽極相連分別構(gòu)成第二 H橋10的兩個高可靠性橋臂， MOS管S3漏極和二極管D4陰極接正直流母線，二極管D3陽極和MOS管S4源極接負(fù)直流母 線；雙串聯(lián)電感L3、L4兩端分別接第二 H橋10的兩個高可靠性橋臂中點。第一 H橋9和第二 H橋10中雙串聯(lián)電感L^ L2, L3> L4感值相同，第一 H橋9和第 二 H橋10與其他部分的連接方式可以互換。該有源電力濾波器應(yīng)用于三相三線制電網(wǎng)系統(tǒng)中，針對三相四線制電網(wǎng)系統(tǒng)，將N 點與中性線相連，即構(gòu)成三相四線制的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器?？刂扑惴膀?qū)動電路6中采用載波移相控制策略，A、B、C各相中各模塊單元7中 第一 H橋9對應(yīng)載波隨k值增加依次滯后π /n,相同模塊單元中第二 H橋10和第一 H橋9 的MOS管對應(yīng)載波反相，三相首端模塊單元第一 H橋9的MOS管對應(yīng)載波相位一致。附圖3是本發(fā)明的單模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。每相只有 一個模塊，A1, B1, C1的輸入端子8分別接入三相交流電網(wǎng)1三相母線，輸出端子12星形連 接于N點。 附圖4本發(fā)明的雙模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。每相存在兩 個串聯(lián)模塊，A1, B1, C1的輸入端子8分別接入三相交流電網(wǎng)1三相母線，輸出端子12接入 A2, B2, C2的輸入端子8，A2、B2、C2的輸出端子12連接于N點。在MATLAB軟件環(huán)境下，對本發(fā)明建立了仿真模型，并進(jìn)行了波形分析。附圖5和 圖6是分別對應(yīng)本發(fā)明的附圖3和附圖4拓?fù)鋺?yīng)用于115V/400HZ電網(wǎng)的負(fù)載電流、補(bǔ)償電 流、電網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓仿真波形。通過仿真發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的電路拓?fù)渚哂辛己玫闹C波補(bǔ)償 特性，電網(wǎng)電流經(jīng)過補(bǔ)償后不含有諧波和無功分量，電網(wǎng)電流THD分別為3. 26%和0. 97%, 仿真結(jié)果表明本發(fā)明能夠較好實現(xiàn)電網(wǎng)諧波治理，而且隨著η值提高，有源電力濾波器的 補(bǔ)償特性也會更好。上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和 權(quán)力要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，所述有源電力濾波器與交流電網(wǎng)(1)的母線連接，所述交流電網(wǎng)(1)是三相電源，所述交流電網(wǎng)(1)的母線分別與三相濾波電感(2)、三相負(fù)載(3)連接；其中有源電力濾波器的輸出端分別與三相電源的母線、三相濾波電感(2)的輸入端連接，三相濾波電感(2)的輸出端與三相負(fù)載(3)連接；其特征在于所述有源電力濾波器包括主功率電路(4)、檢測與采樣裝置(5)、控制及驅(qū)動電路(6)，所述主功率電路(4)包括三相電路A相電路、B相電路、C相電路，其中A相電路、B相電路、C相電路分別由n個結(jié)構(gòu)相同的模塊單元(7)依次串聯(lián)而成，n為自然數(shù)，且n≤5；所述三相電路的首端模塊單元的輸入端分別接入三相交流電網(wǎng)(1)三相母線，所述三相電路的末端模塊單元的輸出端分別星形連接于三相APF的中性點N；交流電網(wǎng)(1)的三相母線和中性點、交流電網(wǎng)(1)輸出側(cè)、三相濾波電感(2)的三相輸入側(cè)、主功率電路(4)的三相輸出側(cè)和正負(fù)直流母線分別與檢測與采樣裝置(5)的輸入端連接，檢測與采樣裝置(5)的輸出端與控制及驅(qū)動電路(6)的輸入端連接，控制及驅(qū)動電路(6)的輸出端與主功率電路(4)的輸入端；所述模塊單元(7)包括一個直流側(cè)電容(11)和第一H橋(9)、第二H橋(10)，其中直流側(cè)電容(11)跨接在模塊單元(7)的正負(fù)直流母線兩端，直流側(cè)電容(11)和第一H橋(9)、第二H橋(10)相互并聯(lián)，第一H橋(9)的中點作為該模塊單元的輸入端子(8)，第二H橋(10)的中點作為該模塊單元的輸出端子(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，其特征在于所述第一 H橋(9)包括第一 MOS管S1、第二 MOS管S2、第一二極管D1、第二二極管D2、 第一電感L1、第二電感L2 ；其中第一 MOS管S1的源極與第一二極管D1的陰極相連、第二 MOS 管&的漏極與第二二極管D2的陽極相連分別構(gòu)成第一 H橋(9)的兩個橋臂；第一 1 )5管51 的漏極和第二二極管D2的陰極連接模塊單元(7)的正直流母線，第一二極管D1的陽極和第 二 MOS管S2的源極連接模塊單元(7)的負(fù)直流母線；第一電感L1、第二電感L2相互串聯(lián)后 分別接前述第一 H橋(9)的兩個橋臂的中點；所述第一 H橋(9)的中點為第一電感L1、第二 電感L2的串聯(lián)點；所述第二 H橋(10)包括第三MOS管S3、第四MOS管S4、第三二極管D3、第四二極管D4、 第三電感L3、第四電感L4 ；其中第三MOS管S3的源極與第三二極管D3的陰極相連、第四MOS 管S4的漏極與第四二極管D4的陽極相連分別構(gòu)成第二 H橋(10)的兩個橋臂，第三MOS管 S3的漏極和第四二極管D4的陰極接模塊單元(7)的正直流母線，第三二極管D3的陽極和第 四MOS管S4的源極接模塊單元(7)的負(fù)直流母線；第三電感L3、第四電感L4相互串聯(lián)后分 別接前述第二 H橋(10)的兩個橋臂的中點；所述第二 H橋(10)的中點為第三電感L3、第四 電感L4的串聯(lián)點。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，其特征在于所述 第一電感！^、第二電感L2、第三電感L3、第四電感L4的感值相同，第一H橋(9)、第二H橋(10) 在模塊單元(7)里的連接方式可以互換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，其特征在于 當(dāng)所述有源電力濾波器應(yīng)用于三相三線制電網(wǎng)系統(tǒng)中，將N點與交流電網(wǎng)(1)的中性線相 連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，其特征在于所述控制及驅(qū)動電路(6)包括諧波檢測運算電路、PWM電流控制和驅(qū)動電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，其特征在于所述 檢測與采樣裝置(5)包括M個電壓傳感器和m個電流傳感器，其中M、m均為正整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多模塊組合型三相并聯(lián)有源電力濾波器，其各相主功率電路均由n個相同結(jié)構(gòu)的模塊單元串聯(lián)而成，所述模塊單元包括兩個由功率管、二極管以及雙串聯(lián)電感構(gòu)成的H橋和直流側(cè)電容，其中兩個H橋的雙串聯(lián)電感的中點分別作為模塊單元的輸入輸出端子。本發(fā)明中，根據(jù)諧波算法和電流控制對象不同可以采樣不同的電量，電流控制引入載波移相技術(shù)以提高有源濾波器的補(bǔ)償容量和補(bǔ)償效果。本發(fā)明可廣泛適用于系統(tǒng)可靠性要求高、容量大的電網(wǎng)的諧波治理，如航空、航天、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、高精儀器制造等。
文檔編號H02J3/01GK101958549SQ20101025522
公開日2011年1月26日 申請日期2010年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月17日
發(fā)明者石磊, 陳仲, 陳淼 申請人:南京航空航天大學(xué)