基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調制技術的有源濾波器的制作方法

本實用新型屬于電能質量管理領域，特別是低電壓輸入、需要處理諧波次數較高的精密制造等領域。

背景技術：

隨著工業經濟的發展，大量的非線性負載尤其是各類電力電子裝置接入電網，在電網中產生了大量的諧波污染，嚴重影響了網側電能質量。廣大工業廠商面臨著提高自身功率因數、限制諧波含量的挑戰。

目前，諧波抑制的一個重要研究內容就是有源電力濾波器。并聯有源電力濾波器通過產生與諧波波形一致但相位相反的電流來補償由非線性負載產生的諧波電流。傳統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采用大容量電解電容器組作為儲能元件，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，儲能電容體積大，價格昂貴，大大限制了APF的市場前景。所以傳統APF在工業生產上的應用并不廣泛。

近年來，學術界基于單項結構的交流斬波器，提出了名為虛擬正交源的新型交交變換器控制策略，并基于此發展處一類新型Inverter-Less STATCOM。該概念的基本思想是將傳統的斬波器的固定占空比用一個時變量代替，時變占空比由偶次諧波調制技術實現，從而突破了傳統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，當斬波器負載側接傳統無功補償電容器，就可以實現無功和諧波的綜合補償，而無功補償電容器比儲能電容體積小，價格低，可靠性高。目前的新型APF研究中，交交變換器主要采用傳統的交流斬波器，其由雙向功率開關管結合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，補償容量較小，研究內容單一，因而這項新技術尚且處在一個發展階段，新型交流變換器的引入、補償容量的增加以及閉環控制方案的設計等方面都有待深入研究。

技術實現要素：

本實用新型在基于交流斬波器的新型APF技術上引入高頻隔離變換器，提出一種適用于三相三線系統的基于高頻隔離交交變換器的新型APF結構，可以實現無功和諧波綜合補償的功能。該結構使用傳統無功補償電容器，價格低廉；采用高頻隔離交交變換器，實現了補償電容器和網側的電氣隔離，裝置可靠性更高；改變高頻變壓器變比，相同電壓等級和補償電容器的條件下可以設計更大補償容量的補償裝置。

實現本實用新型目的的技術解決方案為：

一種基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調制技術的有源濾波器，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無功補償電容器。整個有源濾波器具有三相APF主功率電路，其中每個單相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，每個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部分：高頻變壓器T，變壓器原邊的推挽正激結構斬波器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箝位電容C_s，實現了對高頻變壓器漏感能量的回收,同時也抑制原邊開關管電壓尖峰。推挽正激結構斬波器1和全波整流斬波器2中雙向開關由兩個串聯的開關管分別由S_1a和S_1b、S_1c和S_1d、S_2a和S_2b、S_2c和S_2d串聯組成，每個開關管dou并聯一個相應的二極管，其中串聯的兩個開關管的源極S共用，驅動信號加在兩個開關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，主要是開關頻率成分。輸出濾波器濾L_f和C_f除輸出電壓的開關頻率成分。傳統無功補償電容器C作為交交變換器的負載。三相主功率電路按照Y型連接方式并入電網。

使用一個時變占空比控制推挽正激式高頻隔離交交直接變換器，變換器會向網側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°，實現無功補償功能；各次注入諧波和電網含有諧波相位相反幅值相同，實現諧波補償功能。通過對變換器時變占空比控制，實現無功和諧波動態綜合補償。

本實用新型的控制策略采用偶次諧波調制技術和逐次諧波補償控制方案。即采樣網側的電壓和電流，根據相應的算法計算出無功和各次諧波成分，作為控制電路的指令信號。控制電路將指令信號按照對應的算法，得到偶次調制波信號，作為控制信號，由控制信號得到最終交交變換器的驅動信號。因為檢測環節需要針對系統含有的諧波成分進行針對性的補償，因此這種控制被稱為逐次諧波補償控制。

與現有APF系統相比，本實用新型的有益效果是：

1.相對于傳統APF，本實用新型沒有直流儲能裝置，僅使用傳統無功補償電容器，從而裝置價格更加低廉；

2.不同于傳統基于逆變器的APF所采用的檢測諧波總含量一并進行補償的控制策略，提出的新型APF采用逐次諧波補償方案，因而根據含有不同諧波成分的網絡情況新型APF可以更加具有針對性，同時更加容易實現對較高次諧波的補償。

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

附圖說明

圖1是本實用新型一種基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調制技術的有源濾波器的系統結構圖。

圖2是本實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是本實用新型新型有源濾波器的控制系統示意圖。

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

具體實施方式

結合圖1、圖2所示，根據本實用新型的實施例，一種基于高頻隔離交交直接變換器及偶次諧波調制技術的有源濾波器，具有三相APF主功率電路，其中每個單相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。

如圖2所示，本實用新型的實施例中，每個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包括第一雙向開關管S_A、第二雙向功率開關管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管S_A和第二雙向功率開關管S_B都是由兩個單個的功率開關管反向串聯而構成承受正向、反向的電壓應力和電流應力的開關，具有雙向阻斷功能；第一雙向功率開關管S_A包括第一功率開關管S_1a，第一二極管V_1a，第二功率開關管S_1b，第二二極管V_1b，第一功率開關管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管S_A的一端，第一功率開關管S_1a的陽極、第一二極管V_1a陽極、第二功率開關管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管S_A的另一端；第二雙向功率開關管S_B包括第三功率開關管S_1c，第三二極管V_1c，第四功率開關管S_1d，第四二極管V_1d；第三功率開關管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管S_B的一端，第三功率開關管S_1c的陽極、第三二極管V_1c陽極、第四功率開關管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管S_B的一端相連，第二雙向功率開關管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包括第三雙向開關管S_C和第四雙向功率開關管S_D；第三雙向功率開關管S_C包括第五功率開關管S_2a，第五二極管V_2a，第六功率開關管S_2b，第六二極管V_2b，第五功率開關管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管S_C的一端，第五功率開關管S_2a的陽極、第五二極管V_2a陽極、第六功率開關管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管S_C的另一端；第四雙向功率開關管S_D包括第七功率開關管S_2c，第七二極管V_2c，第八功率開關管S_2d，第八二極管V_2d；第七功率開關管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管S_D的一端，第七功率開關管S_2c的陽極、第七二極管V_2c陽極、第八功率開關管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管S_D的另一端；第三雙向功率開關管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，第三雙向功率開關管S_C的另一端與第四雙向功率開關管S_D的另一端連接，第四雙向功率開關管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，第四雙向功率開關管S_D的另一端與第三雙向功率開關管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型連接方式并聯接入電網，電網為三相三線制，中性點直接接地，APF主功率電路中對應三個推挽正激式高頻隔離交交直接變換器經過輸入濾波器的對應濾波電感L_i并入電網，接入點和無功負載以及非線性負載一樣，為電網的公共連接點；三個交交變換器的另一端直接相連，作為負載的中性點。

結合圖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制技術和逐次諧波補償控制方案，針對電網中含有的諧波，檢測并逐次計算各次諧波的含量，用一個信號表示該含量；按照相應算法計算出對應的偶次調制波成分，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制技術的有源濾波器，基本工作原理如下：

首先，當負載為電容時，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為負載電流，i_s為交交直接變換器電源側電流，網側電壓u_s＝U_msinωt，C為補償電容容值大小，d(t)為占空比，則交交直接變換器電源側電流的表達式可以寫為：

i_s＝ωCN²d(t)²U_mcosωt (2)

1.無功補償原理

當占空比d(t)＝k₀，是一個定值時，變換器的電源測電流式(2)可以寫為

i_s＝ωCN²k₀²U_mcosωt (3)

式(3)表明，此時推挽正激變換器向電網側注入一個超前網側電壓90°的容性電流，電流幅值可以通過控制占空比k₀的大小來調節。因此推挽正激式交交直接變換器就像一個容值可調節的可變電容器，可以提供動態無功補償。

2.諧波補償原理

為了實現諧波抑制的功能，依據虛擬正交源的概念，將偶次諧波調制技術應用在交交直接變換器。偶次諧波調制技術的思想是將偶次頻率的正弦時變成分加入到變換器的占空比，相應的在變換器的網側輸入電流中即將產生奇次諧波，這些奇次諧波被用來抑制電網中的諧波污染。所以時變占空比如式4所示。

其中，n為正偶數，0≤k₀+Σk_n≤1，Σ|k_n|≤k₀。

把式4帶入到式1中，此時網側輸入電流的公式為

當偶次諧波成分僅含有2th成分，輸入電流可以表達為式6-式9。

顯然，通過適當的控制偶次調制波的幅值和相位，可以生成和電網中諧波幅值相同、相位相反的奇次諧波。

i_s＝i_ω+i_3ω (6)

以上為單相新型APF無功和諧波綜合補償原理，圖1所示三相新型APF的三相網側輸入電流表達式為

其綜合補償原理和單相類似，不再贅述。

3.控制原理

三相新型APF針對不同次數的諧波需要做不同的處理，因此本實用新型的APF在實現諧波抑制以及無功補償的功能時不能直接采用傳統的APF所采用的一般方案——檢測諧波的總含量一并進行補償，而需要分別檢測電網中的各次諧波電流并補償，即采用逐次諧波補償的策略。控制方案原理圖如圖3。

i_a,i_b,i_c為當網側電流，當網側三相瞬時電流經過檢測電路之后，利用Park變換將其瞬時值轉換到兩相坐標系中，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經過一個低通濾波器即得到無功直流分量，作為控制環節的指令信號，將其與零比較后輸入比例積分調節器，調節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調節器，將PI調節器輸出進行Park反變換，得到相應的偶次調制波控制信號。最后將各項控制信號相加得到三相時變占空比，時變占空比和三角載波比較產生交交變換器的驅動信號。

圖4a和圖4b新型有源濾波器投入電網前后電網電壓電流波形圖。圖4a所示，補償前網側電壓電流有相位差，有無功成分，網側電流波形不是正弦型式，含有大量的諧波；圖4b所示，補償后網側電壓電流相位基本相同，無功被補償，網側電流基本是一個正弦波，諧波含量很少。表明，本實用新型可實現無功和諧波的綜合補償。