一種多電平大容量基波磁通補(bǔ)償濾波系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子與電力傳動技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種多電平大容量基波磁通 補(bǔ)償濾波系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著高壓直流輸電和軌道交通的快速發(fā)展，大量的電力電子變流裝置及 非線性負(fù)載得到了廣泛的應(yīng)用，從而使得電力系統(tǒng)諧波污染問題更加嚴(yán)重。有源濾波器技 術(shù)在濾除諧波方面具有良好的動態(tài)抑制特性，同時還能夠補(bǔ)償無功，是一種得到工程驗證 的有效濾波方法。
[0003] 目前傳統(tǒng)有源濾波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有；并聯(lián)無源加并聯(lián)有源相結(jié)合、并聯(lián) 無源加串聯(lián)有源濾波器相結(jié)合、無源和有源濾波器串聯(lián)聯(lián)接。
[0004] 并聯(lián)無源加并聯(lián)有源相結(jié)合，該種方案有兩種形式，一種是并聯(lián)型有源濾波器濾 除低次諧波，而無源濾波器濾除高次諧波，該種方案對減小有源濾波器的容量起不到明顯 的作用，因開關(guān)頻率要求不高，故實現(xiàn)大容量會更容易一些。另一種是無源濾波器包括多組 單調(diào)諧濾波器和高通濾波器，并聯(lián)有源濾波器仍起著諧波補(bǔ)償作用，無源濾波器濾除大部 分諧波，所需的有源濾波器的容量可W大幅度降低，但是需要對有源濾波器進(jìn)行有效的控 制W防止可能發(fā)生的諧振。該種裝置在使用時，系統(tǒng)與有源濾波器及有源濾波器與無源濾 波器之間存在諧波通道，特別是有源濾波器與無源濾波器之間的諧波通道，可能使有源濾 波器注入的諧波又流入系統(tǒng)及無源濾波器中。
[0005] 并聯(lián)無源加串聯(lián)有源濾波器相結(jié)合，該種方案在1988年由化ng F Z等人提出，采 用串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)無源濾波器構(gòu)成，將一個電流互感器一次側(cè)串聯(lián)聯(lián)接在電力系統(tǒng) 和諧波源之間，根據(jù)瞬時無功功率理論檢測出系統(tǒng)的諧波電流，采用PWM逆變器產(chǎn)生與串 入系統(tǒng)的諧波電流成K倍比例的諧波電壓施加在電流互感器的二次側(cè)，該樣有源濾波器對 諧波而言相當(dāng)于阻值為K的電阻，而對基波阻抗為零。該種方案中串聯(lián)型有源濾波器不是 直接補(bǔ)償諧波而是起提高系統(tǒng)的諧波阻抗的作用，從而使諧波流入無源支路。其優(yōu)點是可 W采用較小容量的有源濾波器和并聯(lián)無源濾波器結(jié)合完成大容量的濾波任務(wù)，缺點是K很 難確定，設(shè)計不好可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性問題。
[0006] 并聯(lián)無源和有源濾波器串聯(lián)聯(lián)接，該種方案并聯(lián)無源濾波器起抑制諧波的作用， 而有源濾波器用來提高無源濾波器的性能，克服了只用無源濾波器的缺點。該有源濾波器 的容量遠(yuǎn)小于普通的并聯(lián)型有源濾波器的容量。由于注入變壓器聯(lián)接在Y型聯(lián)接的無源濾 波器的中性點上，方便保護(hù)隔離，因此更適合于高電壓系統(tǒng)中應(yīng)用，但是該電路對電網(wǎng)中的 諧波電壓非常敏感。
[0007] 文獻(xiàn)"基于載波移相技術(shù)的H橋級聯(lián)高壓APF研究"分析了 H級聯(lián)橋在傳統(tǒng)有源 濾波器中的應(yīng)用，但是該文獻(xiàn)并未設(shè)及基波磁通補(bǔ)償技術(shù)。專利號為CN200810197002.9,名 稱為"一種串聯(lián)混合型有源電力濾波裝置"的發(fā)明專利申請設(shè)計了一種基于基波磁通補(bǔ)償 的混合型有源濾波器，但是該專利并未考慮大容量情況下采用多電平技術(shù)，沒有考慮到被 補(bǔ)償正弦波電流信號完全可w作為載波移相調(diào)制波的調(diào)制信號。
[000引 目前，基于多電平技術(shù)的基波磁通補(bǔ)償濾波器還未見報道。并且，目前關(guān)于基波磁 通補(bǔ)償濾波器補(bǔ)償電流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要是在兩電平的情況下進(jìn)行的，具有一定 的局限性。而現(xiàn)實中，有源濾波器的容量越來越大，器件的安全性、能耗與容量是矛盾的，利 用多電平技術(shù)能夠很好的解決該一問題，更加接近現(xiàn)實情況。
[0009] 綜上所述，考慮到目前基波磁通補(bǔ)償濾波器兩電平存在的問題，需要一種新的多 電平系統(tǒng)解決上述問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 為克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種多電平大容量基波磁通補(bǔ)償濾波系統(tǒng)，該系 統(tǒng)基于H級聯(lián)橋多電平拓?fù)浔旧淼膬?yōu)良特性，利用載波移相調(diào)制技術(shù)，把被補(bǔ)償電流的正 弦波信號作為載波移相的調(diào)制信號，通過分?jǐn)?shù)階PI^D"控制器調(diào)節(jié)，使H級聯(lián)橋變換器輸出 電流快速跟蹤基波電流，從而實現(xiàn)多電平大容量基波磁通補(bǔ)償濾波的效果。
[0011] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種多電平大容量基波磁通補(bǔ)償濾波系統(tǒng)，該系統(tǒng) 包括供電單元、檢測單元1、補(bǔ)償變壓器單元、H級聯(lián)橋電流補(bǔ)償單元、控制器單元、PWM調(diào)制 波單元、檢測單元2、無源濾波器單元、負(fù)載諧波源單元；
[0012] 其中，控制器單元采用分?jǐn)?shù)階PI^D"控制器進(jìn)行控制；
[0013] 供電單元的輸出端與檢測單元1的輸入端連接，檢測單元1的第一輸出端與補(bǔ)償 變壓器單元的一次側(cè)連接，檢測單元1的第二輸出端與控制器單元的第一輸入端連接，補(bǔ) 償變壓器單元的二次側(cè)與無源濾波器單元的輸入端連接，補(bǔ)償變壓器單元的輸出端與檢測 單元2的第一輸入端連接，無源濾波器單元的輸出端與負(fù)載諧波源單元的輸入端連接，檢 測單元2的輸出端與控制器單元的第二輸入端連接，控制器單元的輸出端與PWM調(diào)制波單 元的輸入端連接，PWM調(diào)制波單元的輸出端與H級聯(lián)橋電流補(bǔ)償單元的輸入端連接，H級聯(lián) 橋電流補(bǔ)償單元的輸出端與檢測單元2的第二輸入端連接；
[0014] 檢測單元1分離出系統(tǒng)中的基波電流，為多電平載波移相電流補(bǔ)償提供參考信 號；
[0015] H級聯(lián)橋電流補(bǔ)償單元為補(bǔ)償變壓器單元注入滿足基波磁通補(bǔ)償條件的電流，檢 測單元2為控制器單元輸送反饋電流信號，PWM調(diào)制波單元為H級聯(lián)橋電流補(bǔ)償單元提供 載波移相調(diào)制波信號，無源濾波單元為諧波提供低阻抗通道。
[0016] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電平大容量基波磁通補(bǔ)償濾波系統(tǒng)，其特征在于： 采用間接電流補(bǔ)償技術(shù)，將被補(bǔ)償?shù)恼也娏餍盘栕鳛镠級聯(lián)橋電流補(bǔ)償單元的載波移 相調(diào)制信號，通過調(diào)節(jié)電壓的幅值間接達(dá)到跟蹤被補(bǔ)償電流的效果。
[0017] 所述分?jǐn)?shù)階PI^D"控制器的傳遞函數(shù)為；G(s) = Kp+K片VKdS"，其中0< A《1， 0< y《l，Kp為比例增益，Kt為積分系數(shù)，Kd為微分系統(tǒng)，人為積分階次，y為微分階次。 [001引所述H級聯(lián)橋電流補(bǔ)償單元中的功率器件采用基于碳化娃材料制成的全控功率 器件。
[0019] 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多電平大容量基波磁通補(bǔ)償濾波系統(tǒng)，其特征在于： 所述H級聯(lián)橋電流補(bǔ)償單元的拓?fù)洳捎枚嚯娖浇Y(jié)構(gòu)，具體包括H級聯(lián)橋電路拓?fù)?、二極管錯 位多電平拓?fù)?、飛跨電容錯位多電平拓?fù)?、模塊化多電平撲結(jié)構(gòu)。
[0020] 所述H級聯(lián)橋電路拓?fù)涞恼{(diào)制方法采用載波移相技術(shù)。
[0021] 所述H級聯(lián)橋電路拓?fù)溆蓛蓚€或兩個W上模塊化H橋單元串聯(lián)組成，拓?fù)鋯卧?壓電平數(shù)>5。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于多電平大容量基波磁通補(bǔ)償濾波系統(tǒng)具有W下優(yōu) 勢：
[002引1)對于m電平的逆變器，所需的單相全橋逆變器個數(shù)和獨(dú)立電源個數(shù)為（m-l)/2， 輸出相電壓的電平數(shù)為m，輸出線電壓的電平數(shù)為2m-l。電平數(shù)越多，輸出電壓波形中的諧 波含量越少。
[0024] 2)容易實現(xiàn)模塊化，易于擴(kuò)展，不存在電容電壓平衡問題。
[0025] 3)控制方法簡單、容易實現(xiàn)，每一個功率單元均可W獨(dú)立進(jìn)行控制。
[0026] 4)載波移相調(diào)制技術(shù)可W在較低的開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高開關(guān)頻率的效果，使 SPWM技術(shù)應(yīng)用于大功率場合成為可能。
[0027] 5)在提高裝置容量的同時，有效地減少輸出諧波，提高了整個裝置的信號傳輸帶 寬。
[002引 6)對直流側(cè)電容要求降低，經(jīng)濟(jì)性能和系統(tǒng)的安全性均得到了提高。
[0029] 7)低壓開關(guān)器件實現(xiàn)高壓輸出。
[0030] 8)多電平逆變器補(bǔ)償電流含有較少的諧波，使得補(bǔ)償變壓器能夠更好的對諧波呈 現(xiàn)高阻抗。
[0031] 9)本發(fā)明改進(jìn)了基波磁通電流補(bǔ)償中傳統(tǒng)的整數(shù)階PID控制方法。與整數(shù)階PID 控制器相比，分?jǐn)?shù)階PI A D y控制器在系統(tǒng)中具備較好的動、靜態(tài)性能，并且具有較強(qiáng)的魯 椿性。
[0032] 10)本發(fā)明改進(jìn)了基波磁通補(bǔ)償有源濾波器電流補(bǔ)償變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與兩電 平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，多點平拓?fù)湓谙到y(tǒng)電流補(bǔ)