一种并联混合型有源滤波器及其质量检测方法

一种并联混合型有源滤波器及其质量检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及有源电力滤波技术领域，特别是设及一种并联混合型有源滤波器及其 质量检测方法。
【背景技术】
[0002] 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声， 并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或 串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误 动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干 扰。随着大量非线性负荷的使用，造成供电系统中谐波污染越来越严重，谐波损耗也日益增 加，对我国节能降损的影响也日益严重。
[0003] 目前已有许多学者和研究机构对谐波抑制进行了研究，常用的谐波抑制手段是在 电网中装设无源滤波器(PPF)、有源滤波器(APF)或者无源滤波器和有源滤波器综合的混合 型有源滤波器(HAPF)。但在中高压系统中，单独的无源滤波器只能对特定次谐波进行滤波， 而单独的有源滤波器存在补偿容量较小和价格高的问题。因此混合型有源滤波器成为目前 实际应用的热点。
[0004] 现有技术中，混合型有源滤波器适用于中高压电网，并可进行大容量的无功补偿， 但混合型有源滤波器在运行过程中，其逆变器损耗较大，整套装置成本较高。

【发明内容】

[0005] 本发明实施例中提供了一种并联混合型有源滤波器及其质量检测方法，W解决现 有技术中的混合型有源滤波器在运行过程中，逆变器损耗大，整套装置成本高的问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
[0007] 本发明实施例提供了一种并联混合型有源滤波器，包括并联到Ξ相电网和非线性 负载之间的有源装置和无源装置，其中，
[000引所述无源装置包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器 分别并联到Ξ相电网和非线性负载之间；
[0009] 所述有源装置包括两个直流侧电容和逆变器，所述直流侧电容的容值相等，两个 所述直流侧电容串联后与所述逆变器并联连接，所述逆变器包括相互并联的两组桥臂，所 述桥臂包括两个串联的IGBT;两个直流侧电容串接的中点和所述桥臂的中点并联到所述Ξ 相电网和非线性负载之间。
[0010] 优选地，所述有源装置还包括串联连接的禪合变压器和一组无源滤波器，所述禪 合变压器和所述无源滤波器均与所述有源装置串联连接。
[0011] 优选地，所述有源装置还包括用于补偿较大容量的无功功率的注入电容。
[0012] 优选地，所述有源装置的输出端串联有用于滤除开关器件通断造成的高频毛刺的 Ξ相电感。
[0013] -种并联混合型有源滤波器的质量检测方法，用于检测权利要求1-4任一所述的 并联混合型有源滤波器，包括：
[0014] 计算电网参考电流；
[0015] 根据所述电网参考电流，计算电网电流的误差值；
[0016] 根据所述电网电流的误差值，确定并联混合型有源滤波器的精确等级。
[0017] 优选地，所述计算电网参考电流，包括：
[0018] 获取单相电网电压和单相电网电流；
[0019] 根据所述单相电网电压和单相电网电流，计算电纳性质的参数G;
[0020] 根据所述参数G和所述单相电网电压，计算电网参考电流。
[0021] 优选地，电网电流的误差值为所述单相电网电流与所述电网参考电流之间的差 值。
[0022] 优选地，所述根据所述电网电流的误差值，确定并联混合型有源滤波器的精确等 级，包括：
[0023] 预先存储与质量等级对应的误差阔值范围；
[0024] 根据误差值，查找与所述误差值对应的误差阔值范围；
[0025] 根据误差阔值范围确定与所述误差值对应的质量等级。
[0026] 由W上技术方案可见，本发明实施例提供的并联混合型有源滤波器，包括并联到 Ξ相电网和非线性负载之间的有源装置和无源装置，其中，所述无源装置包括无源滤波器 组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到Ξ相电网和非线性负载之 间;所述有源装置包括两个直流侧电容和逆变器，所述直流侧电容的容值相等，两个所述直 流侧电容串联后与所述逆变器并联连接，所述逆变器包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂 包括两个串联的IGBT;两个直流侧电容串接中点和所述桥臂的中点并联到所述Ξ相电网和 Ξ相负载之间。本发明提出一种新型的并联混合型有源滤波器的结构，可W进一步降低整 套装置的成本，主要原理是:有源逆变器采用Ξ相四开关结构，减少了开关器件的数量，同 时降低了逆变器的损耗;此外还采用了一种单相电流的谐波检测方法，减少了相应检测器 件和控制执行器件的使用，检测计算时间显著减少。仿真实验及工程应用都验证了该结构 的有效性。
【附图说明】
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而 言，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他的附图。
[0028] 图1为本发明实施例提供的一种并联混合型有源滤波器的拓扑结构示意图；
[0029] 图2为本发明实施例提供的一种Ξ相四开关的逆变器的结构示意图；
[0030] 图3为本发明实施例提供的一种单相电气模型示意图；
[0031 ]图4为本发明实施例提供的一种并联混合型有源滤波系统的等效电路图；
[0032] 图5为本发明实施例提供的一种并联混合型有源滤波器质量检测方法流程示意 图；
[0033] 图6为本发明实施例提供的一种计算电网参考电流的流程示意图；
[0034] 图7为本发明实施例提供的一种并联混合型有源滤波器的精确等级确定流程示意 图；
[0035] 图8(a)为本发明实施例提供的一种补偿前的电网电流波形图；
[0036] 图8(b)为本发明实施例提供的一种补偿后的电网电流波形图；
[0037] 图1-图8(b)，符号表示：
[003引1-Ξ相电网，2-非线性负载，3-无源装置，4-注入电容，5-禪合变压器，6-Ξ相电 感，7-逆变器，71-直流侧电容，72-IGBT，8-输出滤波器的阻抗，9-禪合变压器阀侧的等效电 压源。
【具体实施方式】
[0039] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护 的范围。
[0040] 第一方面
[0041] 参见图1，为本发明实施例提供的一种并联混合型有源滤波器的拓扑结构示意图， 包括并联到Ξ相电网1和非线性负载2之间的有源装置和无源装置3,所述无源装置3包括无 源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到Ξ相电网1和非线 性负载2之间；所述有源装置包括两个直流侧电容71和逆变器7,所述直流侧电容71的容值 相等，两个所述直流侧电容71串联后与所述逆变器7并联连接，所述逆变器7为Ξ相四开关 电压型逆变器，是基于自关断器件的脉宽调制逆变器。
[0042] 所述有源装置还包括串联连接的禪合变压器5和一组无源滤波器，所述禪合变压 器5和所述无源滤波器均与所述有源装置串联连接。
[0043] 所述有源装置还包括用于补偿较大容量的无功功率的注入电容4。
[0044] 所述有源装置的输出端串联有用于滤除开关器件通断造成的高频毛刺的Ξ相电 感6。
[0045] 有源装置由直流侧电容71和Ξ相四开关电压型逆变器(VSC)构成，VSC为基于自关 断器件的脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)逆变器，有源装置通过禪合变压器5与 一组无源滤波器串联连接并联到电网。
[0046] 无源装置3承受绝大部分的基波电压，有源装置注入需要补偿的谐波电流。整个系 统结构简单，能较好治理大功率电网中的谐波，同时能够补偿大容量的无功功率。其最大的 优点是有源装置承受的基波电压低，所需逆变器7的容量小。并联混合型有源滤波器由补偿 电容器进行无功功率的静态补偿，并联的无源滤波器可W补偿较大容量的无功功率和滤除 特定次数的谐波电流，由有源装置和无源装置3共同抑制谐波。基波无功电流基本上不会流 入禪合变压器5和逆变器7,使得运种滤波装置兼具较大容量的无功补偿能力、大容量的谐 波抑制能力和较小的逆变器容量，更适于大型工矿企业的谐波治理要求。
[0047] 如图2所示，为本发明实施例提供的一种Ξ相四开关的逆变器的结构示意图。所述 逆变器7包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT72;两个直流侧电容71串 接的中点和所述桥臂的中点并联到所述Ξ相电网1和非线性负载2之间。
[0048] 与常规的Ξ相六逆变器桥相比，本发明实施例提供的逆变器7减少了两个开关器 件，将直流侧的电容是换成容值为原来两倍的电容。从直流侧两个电容的中点引出逆变器7 其中的一相，改由具有4个IGBT72(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶 体管)开关管的IPMQntelligent Power Module,智能功率模块)模块和两个容值相等的电 容来构造 Ξ相逆变电路，相当于将Ξ相Ξ桥臂(6个IGBT开关管）中的一相换成电容桥臂。
[0049] IGBT72是由BJT(Bipolar Junction Transistor双极型Ξ极管）和M0S(Metal-Oxid-Semiconductor绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件， IGBT72具有驱动功率小而饱和压降低的优点，非常适合应用于直流电压为600V及W上的变 流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
[0050] 由基尔霍夫电压定理可得Ξ相四开关逆变器的交流侧电压为：
[0051 ]
(1)
[0052]对平衡的Ξ相系统，有 [005：3] UaN+UbN+UcN = 0 (2)
[0054] 将式(2)代入式（1)可得：
[0055]
(3)
[0056] 因此，混合型并联有源滤波器的电压方程为：
[0059] 图2中，N为禪合变压器阀侧中性点，Za、Zb、Zc为输出滤波器的阻抗，η为直流侧电容 的中点。与图2相对应，则式（1)-式(5)中，Uan是指a点与η点之间的电压，叫η是指b点与η点之 间的电压 ，U。。是指C点与η点之间的电压，UaN是指a点与Ν点之间的电压，UbN是指b点与Ν点之 间的电压，Uen是指C点与N点之间的电压，UnN是指η点与N点之间的电压，11。1是指电容Cl的电 压，Uc2是指电容C2的电压，了31、了32、孔1、孔2是指4个1681'元件上的电压，了31八化1表示了3谢化1 之间的电压值，Ta2 AuC2表示Ta2和UC2之间的电压值，Tbl Auci表示Tbl和UC1之间的电压值，Tb2 八UC2表示Tb2和UC2之间的电压值。
[0060] 由电压方程式(4)可W看出，只要控制A、B两相电压，C相电压就间接的控制了，因 此逆变器完全可W采用Ξ相四开关结构。在实际的工程应用中，运种逆变器结构只需控制 四个开关元件的通断，从而可w有效减少检测系统和控制系统的部分执行元件，并能降低 有源装置的功耗、故障率W及开关器件的成本。
[0061] 本发明实施例提供的混合型有源滤波器的单相等效电路如图3所示。非线性负载 被看作一个谐波电流源II，化为系统电源电压，有源装置被控制为一个理想的受控电压源 化，η为禪合变压器变比。电路中其它各电量的定义和方向也如图3所示，其中Is、Il、Ip、Ic、 Ii、If分别为电网支路电流、负载支路电流、并联无源支路电流、有源装置输出电流、注入支 路电流、基波串联谐振支路电流，Zs、Zp、Zα)、Zf、Zc分别为电网阻抗、无源支路阻抗、注入电容 阻抗、基波谐振支路阻抗、输出滤波器阻抗。
[0062] 根据基尔霍夫电流和电压定理，有：
[0063]
(6)
[0064] 化简方程组(6)，得：
[00化]Is(KiZs+K2Zs+KiZp)-lLKi+UcZf-(Ki+K2)Us = 0 (7)
[0066] 式中，
妹）
[0067] 由式(7)可知，只要合理控制逆变器输出谐波电压化的大小，则可有效降低电网谐 波电流Is的含量。本文采用根据电网谐波电流的控制策略，即控制化=Κ · Is,K是控制放大 倍数。则式(7)可化简为：
[0068]
巧）
[0069] 由式(9)可反推出采用根据电网谐波电流来控制逆变器输出电压的控制策略时， 整个系统的单相等效电路，如图4所示。
[0070] 其中，等效阻抗
（9)
[0071] 由图4可知，运种控制策略实质上等效于通过控制有源装置的输出阻抗来等效增 大了电网的谐波阻抗。电网的谐波阻抗越大，则迫使负载谐波更多的流入无源滤波器，从而 提高了整个系统的滤波效果。同时，无源滤波器的谐波补偿特性受电网阻抗的影响比较大， 电网阻抗越大，无源滤波器的滤波效果越好。因此运种控制策略在提高整个系统滤波效果 的同时还改善了无源滤波器的并网性能。
[0072] 另一方面，与本发明提供的一种混合型并联有源滤波器实施例相对应，本发明还 提供了一种并联混合型有源滤波器的质量检测方法。本发明实施例对并联混合型滤波器进 行质量检测采用的是基于电网电流误差的直接电流控制方法。参见图5,具体步骤包括：
[0073] 步骤S101:计算电网参考电流。
[0074] 具体的，参见图6,步骤S101包括：
[0075] 步骤S201:获取单相电网电压和单相电网电流。
[0076] 步骤S202:根据所述单相电网电压和单相电网电流，计算电纳性质的参数G。
[0077] 步骤S203:根据所述参数G和所述单相电网电压，计算电网参考电流。
[0078] 步骤S102:根据所述电网参考电流，计算电网电流的误差值。
[0079] 具体推导过程如下：
[0080] 定义单相电网电流is:
[0081] is = if+ih=Gus+ih (10)
[0082] 式中ih是谐波和无功电流的总和，if是基波电流，G是表示电纳性质的参数。ih被补 偿后等于0,则有电网参考电流C = G ?、，并且谐波和无功电流的总和ih满足式(11)，其中， T是电网工频。
[0089] 参数G确定了，电网参考电流就能确定了。
[0090] 本发明实施例采用的逆变器是Ξ相四开关的，只需检测两相电流。由上面的分析 可知，电网A相电流误差和B相电流误差分别为：
[0093] 步骤S103:根据所述电网电流的误差值，确定并联混合型有源滤波器的精确等级。
[0094] 具体的，电网电流的误差值为所述单相电网电流与所述电网参考电流之间的差 值。参见图7，具体实施步骤包括：
[00M]步骤S301:预先存储与质量等级对应的误差阔值范围。
[0096] 步骤S302:根据误差值，查找与所述误差值对应的误差阔值范围。
[0097] 步骤S303:根据误差阔值范围确定与所述误差值对应的质量等级。
[0098] 运种算法是建立在单相电流谐波检测的基础上，因此可W直接应用于单相系统、 Ξ相Ξ线制和Ξ相四线制系统中。本发明实施例采用Ξ相四开关逆变器结构的大功率并联 混合型有源滤波器，针对企业非线性冶炼设备的谐波治理和无功补偿问题，在某大型铸造 企业进行了试运行。
[0099] 某大型铸造企业lOkV中频炉冶炼设备整流装置容量为9.54MVA，通过副边Ξ角形 错相形成24脉波整流，中频炉负荷为6MW时的无功需求为4.0321￥曰'，23、25、47和49次谐波 电流含量分别为14.57A、12.75A、3.94A和3.44A。本文设计的新型并联混合型有源滤波器， 具体参数如下：系统有源装置容量为300kVA;逆变器采用额定电压为1200V、额定电流为 150A的功率模块F4-150R12KS4,逆变器的C相由直流侧两个lOOOOuF/lOOOV的电容构成;控 制部分WDSP2812为核屯、；输出滤波器参数为ImH;有源滤波器禪合到无源滤波器的变压器 相电压变压比为2:1;无源装置由23、25次滤波支路构成，23次无源支路电容为lOuF，电感为 1.92mH，25次无源支路电容为lOuF，电感为1.62恤。
[0100] 投入前和投入后2s的电网电流波形分别如图8(a)、图8(b)所示。从图中可W看出， 系统投入运行后，电网电流波形由崎变波形改善为接近正弦波，电网电流中的谐波分量大 大减少。
[0101] 需要说明的是，在本文中，诸如"第一"和"第二"等之类的关系术语仅仅用来将一 个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示运些实体或操作之 间存在任何运种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为运种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0102] W上所述仅是本发明的【具体实施方式】，使本领域技术人员能够理解或实现本发 明。对运些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可W在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的运些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种并联混合型有源滤波器，其特征在于，包括并联到三相电网（1)和非线性负载 (2)之间的有源装置和无源装置(3 )，其中， 所述无源装置（3)包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器 分别并联到三相电网（1)和非线性负载(2)之间； 所述有源装置包括两个直流侧电容(71)和逆变器(7 )，所述直流侧电容(71)的容值相 等，两个所述直流侧电容(71)串联后与所述逆变器(7)并联连接，所述逆变器(7)包括相互 并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT(72);两个直流侧电容(71)串接的中点和 所述桥臂的中点并联到所述三相电网（1)和非线性负载(2)之间。2. 根据权利要求1所述的并联混合型有源滤波器，其特征在于，所述有源装置还包括串 联连接的耦合变压器(5)和一组无源滤波器，所述耦合变压器(5)和所述无源滤波器均与所 述有源装置串联连接。3. 根据权利要求1所述的并联混合型有源滤波器，其特征在于，所述有源装置还包括用 于补偿较大容量的无功功率的注入电容(4)。4. 根据权利要求1所述的并联混合型有源滤波器，其特征在于，所述有源装置的输出端 串联有用于滤除开关器件通断造成的高频毛刺的三相电感(6)。5. -种并联混合型有源滤波器的质量检测方法，用于检测权利要求1-4任一所述的并 联混合型有源滤波器，其特征在于，包括： 计算电网参考电流； 根据所述电网参考电流，计算电网电流的误差值； 根据所述电网电流的误差值，确定并联混合型有源滤波器的精确等级。6. 根据权利要求5所述的并联混合型有源滤波器的质量检测方法，其特征在于，所述计 算电网参考电流，包括： 获取单相电网电压和单相电网电流； 根据所述单相电网电压和单相电网电流，计算电纳性质的参数G; 根据所述参数G和所述单相电网电压，计算电网参考电流。7. 根据权利要求6所述的并联混合型有源滤波器的质量检测方法，其特征在于，电网电 流的误差值为所述单相电网电流与所述电网参考电流之间的差值。8. 根据权利要求5所述的并联混合型有源滤波器的质量检测方法，其特征在于，所述根 据所述电网电流的误差值，确定并联混合型有源滤波器的精确等级，包括： 预先存储与质量等级对应的误差阈值范围； 根据误差值，查找与所述误差值对应的误差阈值范围； 根据误差阈值范围确定与所述误差值对应的质量等级。
【专利摘要】本发明实施例公开了一种并联混合型有源滤波器，包括并联到三相电网和非线性负载之间的有源装置和无源装置，其中，所述无源装置包括无源滤波器组和补偿电容器，所述无源滤波器组和补偿电容器分别并联到三相电网和非线性负载之间；所述有源装置包括两个直流侧电容和逆变器，所述直流侧电容的容值相等，两个所述直流侧电容串联后与所述逆变器并联连接，所述逆变器包括相互并联的两组桥臂，所述桥臂包括两个串联的IGBT；两个直流侧电容串接中点和所述桥臂的中点并联到所述三相电网和三相负载之间。本发明提出的新型并联混合型有源滤波器具有良好的谐波抑制和无功补偿性能。
【IPC分类】H02J3/18, G01R23/165, G01R31/00, H02J3/01
【公开号】CN105490275
【申请号】CN201610050710
【发明人】沈鑫, 黄星, 周年荣
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月26日