專利名稱：基于α－β電流分量直接注入的有源電力濾波方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及有源電力濾波技術，尤其涉及一種基于α-β電流分量直接注入的有源電力濾波方法及其裝置。
背景技術：
隨著電力電子技術的不斷發展，越來越多的電力電子裝置被廣泛應用于各種領域，為各行業的發展作出了不少貢獻。傳統電力電子技術的廣泛應用，特別是各種使用傳統相控技術的大容量非線性負荷在運行過程中會產生高諧波并使系統運行于低功率因子運行狀態。電力諧波不但消耗電力系統中的有功功率和無功功率，增加數電線路損耗，而且影響繼電保護、自動控制等裝置的可靠運行，導致測量儀表的測量誤差增加，使電器產生額外的熱損耗，對通信設備造成電磁干擾等。因此，解決電力系統諧波抑制及無功補償問題變得日益迫切。
對于諧波的綜合治理，人們早期一般利用LC電路的諧振特性濾去諧波。但是，這種無源濾波方式具有以下缺點諧振頻率依賴于組件參數，因此只能對主要諧波進行濾波；濾波特性依賴于電網參數，由于電網的阻抗和頻率隨著電力系統的運行工況隨時變化，LC網絡的設計較困難；電網的參數與LC回路可能產生并聯諧振，使諧波分量放大，導致電能質量下降。由于無源濾波具有這許多缺陷，人們一直努力尋求更加有效的濾波方式。
隨著電力電子技術的發展，已研制出有源電力濾波器這一新型濾波設備。有源電力濾波器(active power filter，簡稱APF)是諧波抑制和無功補償的先進設備，目前被廣泛應用于實際的諧波治理與無功補償，并取得了較好的效果。有源電力濾波器按連接方式分為并聯型和串聯型兩種形式，常用方式為并聯型。并聯型電力有源濾波器的基本原理是通過檢測補償對象的電流，經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路的放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功電流抵消，最終得到期望的電源電流。
在實際運用中，常用三相逆變電路作為有源電力濾波器的主電路。使用三相逆變電路作為主電路時，死區設置不當，容易在三相橋臂間形成電流回路或造成短路。另外，也容易造成逆變器與系統的功率交換，增大其損失。
如圖1a、圖1b所示，用三相逆變電路接星型負載時，利用傅立葉分析可得圖1中A相電壓的瞬時值為van=2πVD{sinωt+15sin5ωt+17sin7ωt+111sin11ωt+113sin13ωt+Λ}]]>基波幅值V1m＝2VD/π無3次諧波，只含更高階次諧波，n次諧波幅值為基波幅值的1/n。根據三相電路的對稱性，B相和C相電壓中也含有一定的諧波成分。由此可知，三相逆變器外接負載時，其本身也會產生一定的諧波，對系統造成影響。
現代應用中，對高電壓、大功率的要求越來越高，采用傳統三相逆變器作為有源電力濾波器的主電路，各開關期間承受的電壓、電流也有越來越高的趨勢。長期在這種環境下運行，器件的壽命及可靠性都不能保證，裝置安全運行也受到威脅。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點和不足，而提供一種基于α-β電流分量直接注入的有源電力濾波方法及其裝置。該裝置是一種新型的有源電力濾波器拓撲結構，可避免三相逆變器開關電路實現諧波補償的相互影響，并能達到更好的實現高壓大功率的諧波補償。
本發明的目的是這樣實現的基本思路是從坐標變換原理出發，推導出電流源電路的坐標變換模型，并將其引入至三相有源電力濾波裝置，構成新型有源電力濾波裝置。
1、有源電力濾波方法包括下列步驟①引入“等量”坐標變換原理下面以電流向量i為例，解釋坐標變換原理，如圖2所示。
若電流向量I與α軸間相角為θ，則I在α、β軸上投影和電流向量I在a、b、c三軸上的投影滿足iαiβ=231-12-120-3232iaibic=Miaibic---(1)]]>其中，M為坐標系(a，b，c)到坐標系(α，β)的變換矩陣。反之，也可以將靜止的兩相坐標系(α，β)等效地變為三相坐標系(a，b，c)。同樣以電流為例，寫成矩陣形式為iaibic=2310-12-32-1232iαiβ=MTiαiβ---(4)]]>其中，MT為變換矩陣M的轉置矩陣。
②運用三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止垂直坐標系(α，β)的變換原理推導出三相電流源模型對應的兩相模型設三相交流電流源Iabc為 式中0——電流初始相位角；im——Iabc峰值。
經坐標變換后得
式中M——坐標系(a，b，c)到坐標系(α，β)的變換矩陣；im——Iαβ0峰值；i0——三相電流零軸分量。
具體變換模型如圖3所示。
③根據電流源變換模型，采用兩相單相逆變器組構建新型三相有源電力濾波器模型控制算法中，同時采用電壓與電流的變換，可確保逆變器本身的電壓與電流正交，使逆變器與系統交換的有功功率周期平均值為零，提高了系統運行的可控性。
2、有源電力濾波裝置運用兩組單相逆變器組成三相有源電力濾波裝置的主電路，如圖5所示，由三相系統1、變壓器2、逆變器組3組成；第1變壓器2.1和第2變壓器2.2的原邊串聯后與第2逆變器組3.2的原邊連接；第3變壓器2.3的原邊與第1逆變器組3.1的原邊連接；第1變壓器2.1、第2變壓器2.2、第3變壓器2.3的副邊采用三角形連接后，分別接三相系統1的A、B、C相；所述的第1逆變器組3.1、第2逆變器組3.2均由N個(N為1到20的自然數，視具體使用環境而定。)逆變器串聯而成；所述的逆變器是一種把直流電變成交流電的器件。
本裝置的工作原理是第1逆變器組3.1、第2逆變器組3.2輸出兩相補償電流，可以將此看作為兩相電流源。運用圖3所示變換的反變換，可以將這個兩相的電流源變換為三相電流源，輸出電流信號補償系統電流中的諧波成分。具體變換過程是用兩相電流源的電流矩陣乘以三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換矩陣MT。在圖5中，運用了變壓器電磁比例關系，通過適當設置其變壓器的變比，完成三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止坐標系(α，β)的反變換。變壓器在這個過程中作為反變換矩陣MT使用。這種拓撲結構直接采用兩個逆變器組分別向三相系統1注入諧波電流，避免了三相逆變器開關電路實現諧波補償的相互影響。
在實際運用中，本裝置還要配合相應的控制電路聯合工作。控制電流包括指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路和驅動電路。這三個電路聯合為本裝置提供控制信號，本裝置在其控制下輸出相應電流補償系統諧波。對上述三個電路部分將另案申請。
本發明具有以下優點和積極效果①控制逆變器承受的電壓uα、uβ與所發出的電流iαf、iβf相位相差90°，見圖4，使逆變器與系統不交換有功功率，避免了逆變器與系統的相互影響。
②運用單相逆變器實現主電路，有利于實現多電平技術，使此結構更有利于應用于高電壓大功率場合。
③本發明可較好地達到諧波補償的效果，并且避免了三相有源濾波裝置所帶來的相互影響，該電路拓撲結構可采用鏈式單相逆變器結構，實現高壓大功率的諧波補償。
本發明適用于高電壓、大功率諧波補償，并能改善補償性能。
圖1a為電壓型三相橋式逆變器電路圖；圖1b為電壓型三相橋式逆變器三角形負載圖；圖2為坐標系(α，β)與坐標系(a，b，c)的向量關系圖；圖3為電流源變換模型示意圖；圖4為補償基波無功電流時電壓電流向量圖；圖5為本裝置的主電路結構圖；圖6a為負載處(即補償前電源)電流波形圖；圖6b為負載處(即補償前電源)電流諧波分析圖；圖7a為補償后系統電流波形圖；圖7b為補償后系統電流諧波分析圖。
其中1-三相系統；
2-變壓器，包括2.1-第1變壓器，2.2-第2變壓器，2.3-第3變壓器；3-逆變器組，包括3.1-第1逆變器組，3.2-第2逆變器組。
具體實施例方式
一、下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
1、所述的第1逆變器組3.1、第2逆變器組3.2均由3個逆變器串聯而成。
采用3個逆變器串聯比采用單個逆變器作為逆變主電路補償效果更好，并且比采用更多逆變器串聯較容易實現。
2、所述的第1變壓器2.1、第2變壓器2.2、第3變壓器2.3其原邊與副邊的變比分別為n1∶N1＝2∶1、n2∶N2＝2∶1、n3:N3=2:3;]]>經仿真試驗驗證只有采用這種比例設置，才能保證各三相電壓、電流向量的幅值、相位三相條件(幅值相等，相位分別相差120°)。當然，根據使用需要還可以設置其它變比值。不過，需要注意隔離的問題，避免變壓器間的相互影響。
3、本裝置是運用變壓器直接實現等效變換原理的一種實現方式，在這種將等效變換引入有源電力濾波裝置的原理下，還可以采用多種方式實現這種等效變換的原理。例如，改變變壓器的選擇或連接方式的變化、改變電流輸出點的連接方式等。
4、另外，對于多電平技術的運用，本裝置采用了級聯式多電平技術。在實際運用中還可以采取其它不同的方式，例如二極管箝位逆變器、電容箝位逆變器等。
根據多電平實現方式的不同還應適當選擇調制方式來更好的實現逆變效果。
二、具體的補償效果見圖6a、6b、圖7a、圖7b。
可以看出，諧波含有率由最大值17％下降到0.1％以下，系統處諧波得到了很好的補償。
權利要求
1.一種基于α-β電流分量直接注入的有源電力濾波方法，其特征在于①引入“等量”坐標變換原理；②運用三相靜止坐標系(a，b，c)到兩相靜止垂直坐標系(α，β)的變換原理推導出三相電流源模型對應的兩相模型；③根據電流源變換模型，采用兩相單相逆變器組構建新型三相有源電力濾波器模型。
2.一種基于α-β電流分量直接注入的有源電力濾波裝置，其特征在于由三相系統(1)、變壓器(2)、逆變器組(3)組成；第1變壓器(2.1)和第2變壓器(2.2)的原邊串聯后與第2逆變器組(3.2)的原邊連接；第3變壓器(2.3)的原邊與第1逆變器組(3.1)的原邊連接；第1變壓器(2.1)、第2變壓器(2.2)、第3變壓器(2.3)的副邊采用三角形連接后，分別接三相系統(1)的A、B、C相；所述的第1逆變器組(3.1)、第2逆變器組(3.2)均由1-20個逆變器串聯而成。
3.按權利要求2所述的有源電力濾波裝置，其特征在于第1逆變器組(3.1)、第2逆變器組(3.2)均由3個逆變器串聯而成。
4.按權利要求2所述的有源電力濾波裝置，其特征在于第1變壓器(2.1)、第2變壓器(2.2)、第3變壓器(2.3)其原邊與副邊的變比分別為n1∶N1＝2∶1、n2∶N2＝2∶1、n3:N3=2:3.]]>
全文摘要
本發明公開了一種基于α－β電流分量直接注入的有源電力濾波方法及其裝置，涉及一種有源電力濾波技術。本裝置由三相系統1、變壓器2、逆變器組3組成；第1變壓器2.1和第2變壓器2.2的原邊串聯后與第2逆變器組3.2的原邊連接；第3變壓器2.3的原邊與第1逆變器組3.1的原邊連接；第1變壓器2.1、第2變壓器2.2、第3變壓器2.3的副邊采用三角形連接后，分別接三相系統1的A、B、C相；所述的第1逆變器組3.1、第2逆變器組3.2均由1－20個逆變器串聯而成。本發明可較好地達到諧波補償的效果，并且避免了三相有源濾波裝置所帶來的相互影響，適用于高電壓、大功率諧波補償，并能改善補償性能。
文檔編號H02J3/01GK1822466SQ20061001862
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月24日 優先權日2006年3月24日
發明者查曉明, 陳允平, 孫建軍, 楊梅, 石峰 申請人:武漢大學