無輸出濾波器的有源電力濾波器的控制及投入與切除方法
【專利摘要】本發(fā)明公布一種無輸出濾波器的有源電力濾波器的控制及投入與切除方法，包括其結構和控制策略，其特征是：整個APF的每一相由N個模塊化功率單元并聯(lián)而成，功率單元內(nèi)包含全控半導體H橋、儲能電容、接觸器、充電電阻、放電電阻、聯(lián)絡電抗、驅(qū)動板、采樣裝置和控制器等，其特點是單元內(nèi)無OF，僅在每一相并網(wǎng)節(jié)點處設置一個濾波器。其控制的特點是對每相N個功率單元采用載波移相控制，并可通過改變移相角度實現(xiàn)功率單元的熱插拔。本發(fā)明在去掉每個單元中OF的情況下可以保證較小的輸出高頻諧波，同時避免了OF對輸出帶寬的限制。本發(fā)明廣泛適用于低壓大容量電能質(zhì)量治理工況。
【專利說明】無輸出濾波器的有源電力濾波器的控制及投入與切除方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力諧波抑制領域，具體涉及一種無輸出濾波器的有源電力濾波器的控制及投入與切除方法。

【背景技術】
[0002]隨著高壓大容量電網(wǎng)的迅猛發(fā)展、大容量電力電子負荷的日益增多，對大容量有源濾波器的需求越來越迫切。例如電氣化鐵路的迅猛發(fā)展已造成對電網(wǎng)的嚴重諧波污染；大量的鋼鐵軋制線拖動電氣設備和電弧爐也產(chǎn)生大量的電力諧波；鋁電解行業(yè)的迅速發(fā)展也造成電力諧波污染進一步加劇。
[0003]目前國內(nèi)外的大容量系統(tǒng)諧波抑制依舊大量采用無源濾波器，其效果不好，除了注入電力系統(tǒng)的諧波超標外，還容易誘發(fā)并聯(lián)諧振。現(xiàn)在國內(nèi)外都在大力推廣并聯(lián)型有源濾波器來解決諧波問題，國內(nèi)也已經(jīng)公開較多相關專利，可歸納如下:
[0004]其一是進行器件的串并聯(lián)。如上海追日電氣有限公司的申請?zhí)枮?01320056391.X的實用新型專利，該實用新型中將多個全控半導體開關器件并聯(lián)當做一個全控開關半導體器件使用，雖然可以增大裝置容量，但是其輸出的開關次高頻諧波頻段與輸出目標頻段接近，而且高頻諧波幅值很大，對濾波器的設計帶來困難。
[0005]其二是采用多個H橋功率單元級聯(lián)的拓撲。如南京航空航天大學的申請?zhí)枮?01010255223.4的發(fā)明專利、清華大學的申請?zhí)枮?01010624030.1的發(fā)明專利等，這些專利中提到的級聯(lián)結構可以使用載波移相調(diào)制方式，提高輸出等效開關頻率，從而減小高頻諧波，也利于輸出濾波器的設計，但是其主要用于高電壓小電流的場合，而對于低電壓等級的大容量諧波補償并不適用。
[0006]其三是采用多個帶濾波器的功率單元并聯(lián)的拓撲。如江蘇德順祥電氣有限公司的申請?zhí)枮?01120306460.9的實用新型專利，上海市電力公司的申請?zhí)枮?01220129706.4的實用新型專利，思源清能電氣電子有限公司的申請?zhí)枮?01120249005.X的實用新型專利，這些專利中提到的APF中每一個全控半導體器件H橋構成的功率單元里面都需要配置一個濾波器來消除開關次諧波，然后將濾波之后的輸出電流并聯(lián)入網(wǎng)，此方法的主要缺點是:多個濾波器成本高、體積大，且由于濾波器截止頻率較低，限制了 APF的輸出帶寬。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術所存在的技術問題；提供了一種結構簡單、性能可靠、成本較低，易于擴展，并具有更寬的補償頻帶和更好的補償效果，適用于低壓大容量工況的一種無輸出濾波器的有源電力濾波器的控制及投入與切除方法。
[0008]本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
[0009]一種無輸出濾波器的并聯(lián)模塊化有源電力濾波器，其特征在于，包括:
[0010]濾波器:接連在每一相與電網(wǎng)連接點處；
[0011]三組模塊化功率模塊:每組模塊化功率模塊包括N個并聯(lián)在每一相與電網(wǎng)連接點處的模塊化功率單元；所述模塊化功率單元包括全控半導體器件H橋、儲能電容C、并網(wǎng)接觸器S1、充電電阻R2、充電電阻旁路接觸器S2、放電電阻R1以及聯(lián)絡電抗L ;所述全控半導體器件H橋由G1，G2，G3，G4四個反并有二極管的絕緣柵雙極型晶體管組成；全控半導體器件H橋直流側為并聯(lián)的儲能電容C與放電電阻R1，交流側接依次串聯(lián)的聯(lián)絡電抗器L、并網(wǎng)接觸器Sp以及充電電阻旁路接觸器S2 ;所述并網(wǎng)接觸器S2與充電電阻R2并聯(lián)，與SI配合；所述全控半導體器件H橋的的輸出節(jié)點通過插接件接在每一相的母線上；
[0012]模塊控制器:設置在每個模塊化功率單元上，用于模塊化單元的基本控制；所述基本控制包括:并網(wǎng)接觸器S1和充電電阻旁路接觸器S2的斷開和閉合；接入點電壓和單元模塊輸出電流采樣；通過光纖信號接收來自統(tǒng)一控制器的電流指令信號，并控制單元跟隨該信號輸出；通過光纖信號接收來自統(tǒng)一控制器的同步信號，并同步單元載波信號；通過光纖與統(tǒng)一控制器相連，上傳功率單元狀態(tài)；
[0013]統(tǒng)一控制器:為有源電力濾波器的控制中樞，用于各模塊化單元的協(xié)調(diào)控制；包括:與集中采樣裝置相連，采樣系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)/負荷電流、裝置輸出總電流，并計算和分配各模塊電流輸出指令；與模塊控制器相連，分配模塊電流輸出指令與同步信號，并接收來自單元控制器的單元狀態(tài)信息；與人機界面相連，用于指令下發(fā)、裝置狀態(tài)顯示；
[0014]集中采樣裝置:用于系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)/負荷電流、裝置輸出總電流的采樣；根據(jù)不同的場合，系統(tǒng)電壓與系統(tǒng)/負荷電流，也可以由裝置外部提供，而不含在采樣裝置中；
[0015]人機界面:與統(tǒng)一控制器相連，用于顯示裝置運行狀態(tài)和裝置對外信息交互。
[0016]一種無輸出濾波器的并聯(lián)模塊化有源電力濾波器控制方法，其特征在于:
[0017]采用載波移相的倍頻調(diào)制方法，通過統(tǒng)一控制器發(fā)出同步信號，確保對一相中N個單元的三角載波進行180° /N的移相，使其并網(wǎng)時的等效開關頻率提升N倍，高頻諧波幅值大大減小，且高頻諧波分布頻段與輸出目標頻段差距大大增加，易于設計并網(wǎng)濾波器。
[0018]一種無輸出濾波器的并聯(lián)模塊化有源電力濾波器單元在線投入與切除方法，其特征在于:
[0019]選擇步驟1:如果在運行狀態(tài)中需要將某一個單元退出運行并讓其脫離系統(tǒng)，可以通過以下步驟實現(xiàn):閉鎖該單元脈沖，調(diào)整統(tǒng)一控制器發(fā)出的同步信號，使單元所在相的載波移相角度為180° /N-1，并重新分配電流指令，保證剩下單元正常運行；根據(jù)新的單元數(shù)調(diào)整單元輸出指令，保證補償效果；斷開待移除單元內(nèi)部的并網(wǎng)接觸器S1和充電電阻旁路接觸器S2，儲能電容通過放電電阻釋放能量；待儲能電容上的電壓下降到安全范圍內(nèi)后，即可拔出單元；
[0020]選擇步驟2:如果在運行狀態(tài)中需要將某一個單元連接上系統(tǒng)并投入運行，可通過以下步驟實現(xiàn):首先保證單元接入主回路，閉合該單元內(nèi)部的并網(wǎng)接觸器S1，使單元通過充電電阻建立儲能電容電壓；再依次啟動單元的直壓控制和并網(wǎng)控制，待直流電壓達到額定值后閉合充電電阻旁路接觸器S2;統(tǒng)一控制器在單元啟動完畢后，通過調(diào)整同步信號使該單元所在相的載波移相角度為180° /N+1 ;通過調(diào)整單元電流指令，重新分配各單元輸出電流比重；單元接入成功。
[0021]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:1、本發(fā)明的模塊化功率單元中沒有濾波器，而只使用了一個聯(lián)絡電抗器，而現(xiàn)有的模塊化并聯(lián)型APF技術需要在每一個功率單元中配置濾波器，其缺陷是:增大體積，提高成本，經(jīng)過濾波器中RC支路的諧波較大，發(fā)熱和噪聲較大，且較大的諧波電流還占用全控半導體開關器件的通流能力；2、本發(fā)明中每一相的N個單元之間采用載波移相調(diào)制方式，從而使得在功率單元中沒有濾波器的情況下讓大部分高頻諧波互相抵消，輸出諧波畸變率很小，而現(xiàn)有的模塊化并聯(lián)型APF技術沒有采用載波移相多重化的技術；3、本發(fā)明的濾波器僅在每一相并網(wǎng)端口上配置一個截止頻率相對較高的濾波器，此濾波器可以進一步濾除剩下的小部分高頻諧波，且可以在單元依次啟動過程中減小進入電網(wǎng)的高頻諧波，而現(xiàn)有的模塊化并聯(lián)型APF技術的濾波器截止頻率較低，雖然可以達到消除高頻諧波的目的，但是限制了輸出帶寬，使APF難以補償17次以上的諧波；4、本發(fā)明通過在每一個單元中設置接觸器和充電電阻實現(xiàn)了功率單元在運行狀態(tài)中的熱插拔和冗余控制，使APF的運行、擴展和檢修更為方便靈活，同時提高運行可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]附圖1是本發(fā)明的星形接法結構示意圖。
[0023]附圖2是圖1所示APF中各相的模塊化功率單元的結構示意圖。
[0024]附圖3是圖1所示APF的控制系統(tǒng)結構示意圖。
[0025]附圖4是圖1所示APF的功率單元熱插拔流程圖。
[0026]附圖5是本發(fā)明一種無單元OF的并聯(lián)模塊化APF的三角形接法結構示意圖。

【具體實施方式】
[0027]下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
[0028]實施例:
[0029]圖1所示拓撲是將本發(fā)明的APF連接成星形的拓撲結構。所有功率單元完全一致，每一相的N個單元是并聯(lián)在該相的兩根母線上的，單元與母線的接觸點1、2在生產(chǎn)中應該設計成插接件，從而方便單元的投入和切除。濾波器配置在每一相的并網(wǎng)處，其作用是濾除載波移相多重化后剩余的高頻諧波分量，同時滿足變更載波移相角度或個別單元故障過程中諧波，變更載波移相角度的情況發(fā)生在各個單元依次啟動、單元熱插拔和冗余控制過程中。
[0030]圖2是功率單元的內(nèi)部結構。G1，G2，G3，G4是反并有續(xù)流二極管的IGBT，此IGBT可以是硅器件也可以是碳化硅器件。C是儲能電容，R1是放電電阻，用于單元切除之后給儲能電容一個放電回路。R2是充電電阻，用于在單元剛接入系統(tǒng)時限制儲能電容充電電流。S1是并網(wǎng)接觸器，用于切斷或建立單元與系統(tǒng)的主回路電氣聯(lián)系。S2是充電電阻旁路接觸器，用于在正常運行時旁路充電電阻R2。L是聯(lián)絡電抗，可以起到限制同一相中不同單元之間的環(huán)流的作用。單元的輸出節(jié)點3、4在生產(chǎn)中應設計成與圖1中節(jié)點1、2相匹配的接插件。此全控H橋功率單元拓撲結構的技術特點是單元內(nèi)部沒有RC濾波支路。另外單元中還包含交流電壓電流采樣、直流電壓采樣、控制器和驅(qū)動板等未在圖中標明的部分，本行業(yè)從業(yè)人員可以按照本發(fā)明精神通過多種方法輕松實現(xiàn)這些未標明的部分。
[0031]圖3是APF整個控制系統(tǒng)的結構示意圖?？刂葡到y(tǒng)主要可分為統(tǒng)一控制器、單元本地控制器和人機界面，所有單元的本地控制器通過光纖與統(tǒng)一控制器相連。對兩個控制器和人機界面具體內(nèi)容的描述如下:
[0032]單元本地控制器的工作是包含交流電壓采樣、單元輸出電流采樣、直流電壓控制、根據(jù)統(tǒng)一控制器的電流指令輸出，向統(tǒng)一控制器上傳本單元運行狀態(tài)，并承載單元保護功會泛;;
[0033]統(tǒng)一控制器的工作是并網(wǎng)節(jié)點處的電壓電流采樣、補償目標算法、單元電流指令的發(fā)出、單元同步協(xié)調(diào)、并承載系統(tǒng)保護功能。
[0034]人機界面的工作包含顯示裝置運行狀態(tài)、裝置對外通訊。
[0035]通過統(tǒng)一控制器和單元本地控制器的協(xié)調(diào)可以實現(xiàn)各個單元PWM信號發(fā)生的時鐘同步，從而實現(xiàn)各個單元之間精準的三角載波移相。
[0036]圖4是圖1所示APF的功率單元熱插拔流程圖。在所有單元正常運行時，可以按照圖4的流程實現(xiàn)在運行狀態(tài)中切除或投入單元，即熱插拔功能，具體步驟如下:
[0037]如果在運行狀態(tài)中需要將某一個單元退出運行并讓其脫離系統(tǒng)，可以通過以下步驟實現(xiàn):閉鎖該單元脈沖，并調(diào)整該單元所在相的載波移相角度為180° /N-1，從而在保證剩下單元正常運行。斷開待移除單元內(nèi)部的并網(wǎng)接觸器S1和充電電阻旁路接觸器S2，儲能電容通過放電電阻釋放能量。待儲能電容上的電壓下降到安全范圍內(nèi)后，即可拔出單元。
[0038]如果在運行狀態(tài)中需要將某一個單元連接上系統(tǒng)并投入運行，可通過以下步驟實現(xiàn):首先保證單元接入主回路，閉合該單元內(nèi)部的并網(wǎng)接觸器S1，使單元通過充電電阻建立儲能電容電壓。再依次啟動單元的直壓控制和并網(wǎng)控制，待直流電壓達到額定值后閉合充電電阻旁路接觸器S2。再啟動該單元的電流輸出指令，并調(diào)整該單元所在相的載波移相角度為180° /N+1。單元接入成功。
[0039]圖5是本發(fā)明一種無單元OF的并聯(lián)模塊化APF按照三角形接法并網(wǎng)的拓撲結構圖示例。相對于圖1中的星形接法，所有單元的連接方式不變，每一相并網(wǎng)點的接線方式需要調(diào)整為三角形接法，濾波器和控制算法也需要作相應調(diào)整，具體調(diào)整細節(jié)不需要詳述，本行業(yè)從業(yè)人員可以按照本發(fā)明精神通過多種手段輕松實現(xiàn)。
[0040]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術領域】的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
【權利要求】
1.一種無輸出濾波器的并聯(lián)模塊化有源電力濾波器，其特征在于，包括: 濾波器:接連在每一相與電網(wǎng)連接點處； 三組模塊化功率模塊:每組模塊化功率模塊包括N個并聯(lián)在每一相與電網(wǎng)連接點處的模塊化功率單元；所述模塊化功率單元包括全控半導體器件H橋、儲能電容C、并網(wǎng)接觸器S1、充電電阻R2、充電電阻旁路接觸器&、放電電阻R1以及聯(lián)絡電抗L ;所述全控半導體器件H橋由Gl，G2，G3，G4四個反并有二極管的絕緣柵雙極型晶體管組成；全控半導體器件H橋直流側為并聯(lián)的儲能電容C與放電電阻R1，交流側接依次串聯(lián)的聯(lián)絡電抗器L、并網(wǎng)接觸器Sp以及充電電阻旁路接觸器S2 ;所述并網(wǎng)接觸器S2與充電電阻R2并聯(lián)，與SI配合；所述全控半導體器件H橋的的輸出節(jié)點通過插接件接在每一相的母線上； 模塊控制器:設置在每個模塊化功率單元上，用于模塊化單元的基本控制；所述基本控制包括:并網(wǎng)接觸器S1和充電電阻旁路接觸器S2的斷開和閉合；接入點電壓和單元模塊輸出電流采樣；通過光纖信號接收來自統(tǒng)一控制器的電流指令信號，并控制單元跟隨該信號輸出；通過光纖信號接收來自統(tǒng)一控制器的同步信號，并同步單元載波信號；通過光纖與統(tǒng)一控制器相連，上傳功率單元狀態(tài)； 統(tǒng)一控制器:為有源電力濾波器的控制中樞，用于各模塊化單元的協(xié)調(diào)控制；包括:與集中采樣裝置相連，采樣系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)/負荷電流、裝置輸出總電流，并計算和分配各模塊電流輸出指令；與模塊控制器相連，分配模塊電流輸出指令與同步信號，并接收來自單元控制器的單元狀態(tài)信息；與人機界面相連，用于指令下發(fā)、裝置狀態(tài)顯示； 集中采樣裝置:用于系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)/負荷電流、裝置輸出總電流的采樣；根據(jù)不同的場合，系統(tǒng)電壓與系統(tǒng)/負荷電流，也可以由裝置外部提供，而不含在采樣裝置中； 人機界面:與統(tǒng)一控制器相連，用于顯示裝置運行狀態(tài)和裝置對外信息交互。
2.一種無輸出濾波器的并聯(lián)模塊化有源電力濾波器控制方法，其特征在于: 采用載波移相的倍頻調(diào)制方法，通過統(tǒng)一控制器發(fā)出同步信號，確保對一相中N個單元的三角載波進行180° /N的移相，使其并網(wǎng)時的等效開關頻率提升N倍，高頻諧波幅值大大減小，且高頻諧波分布頻段與輸出目標頻段差距大大增加，易于設計并網(wǎng)濾波器。
3.一種無輸出濾波器的并聯(lián)模塊化有源電力濾波器單元在線投入與切除方法，其特征在于: 選擇步驟1:如果在運行狀態(tài)中需要將某一個單元退出運行并讓其脫離系統(tǒng)，可以通過以下步驟實現(xiàn):閉鎖該單元脈沖，調(diào)整統(tǒng)一控制器發(fā)出的同步信號，使單元所在相的載波移相角度為180° /N-1，并重新分配電流指令，保證剩下單元正常運行；根據(jù)新的單元數(shù)調(diào)整單元輸出指令，保證補償效果；斷開待移除單元內(nèi)部的并網(wǎng)接觸器S1和充電電阻旁路接觸器S2，儲能電容通過放電電阻釋放能量；待儲能電容上的電壓下降到安全范圍內(nèi)后，即可拔出單元； 選擇步驟2:如果在運行狀態(tài)中需要將某一個單元連接上系統(tǒng)并投入運行，可通過以下步驟實現(xiàn):首先保證單元接入主回路，閉合該單元內(nèi)部的并網(wǎng)接觸器S1，使單元通過充電電阻建立儲能電容電壓；再依次啟動單元的直壓控制和并網(wǎng)控制，待直流電壓達到額定值后閉合充電電阻旁路接觸器S2;統(tǒng)一控制器在單元啟動完畢后，通過調(diào)整同步信號使該單元所在相的載波移相角度為180° /N+1 ;通過調(diào)整單元電流指令，重新分配各單元輸出電流比重；單元接入成功。
【文檔編號】H02J3/01GK104135007SQ201410424457
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權日:2014年8月26日
【發(fā)明者】李尚盛, 楊澤洲, 宮金武, 瞿李峰, 戴喜良, 吳楠, 劉飛, 秦亮, 孫建軍, 查曉明 申請人:武漢科力源電氣工程技術有限公司