CN101043175A

CN101043175A - 三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器

Info

Publication number: CN101043175A
Application number: CN 200610095312
Authority: CN
Inventors: 周雒维; 杜雄; 罗全明; 卢伟国
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2026-12-19
Also published as: CN100471016C

Abstract

一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器。该滤波器包括：电容、电感、三个低频双向功率开关管和四个高频双向功率开关管。其中：三个低频双向功率开关管连接在三相整流桥的三个输入端，由电容、电感和四个高频双向功率开关管构成的两个串联的双向升压型功率变换器并联在整流桥的直流侧。本发明特别适合于针对三相整流桥负载的谐波治理。与传统的交流侧有源电力滤波器相比，本发明减少了高频有源开关的数量；与功率因数校正器相比，本发明仅处理负载电流中的谐波分量，处理的电流更小，可以减小谐波治理装置的额定容量，也大大地降低了成本。

Description

三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器

技术领域

本发明属于有源电力滤波器技术领域，特别涉及一种并联型有源电力滤波器。

背景技术

电力***中大量使用的整流桥装置是产生谐波的主要来源。为了抑制这类谐波，目前普遍采用功率因数校正(PFC)和并联型有源电力滤波器(APF)，它们是针对整流桥负载谐波治理的两种主要方案。其中，PFC是从消除谐波源的角度治理谐波污染。所有结构的PFC电路，都需要处理全部的输出功率，限制了其实际应用。特别针对三相***，工业中尚未找到一种比较成熟的三相PFC解决方案。APF是对负载谐波和无功电流进行动态实时补偿，仅需处理谐波和无功功率，相对于PFC而言，其处理功率小。同时，补偿特性受电网阻抗变化的影响较小，且不存在“谐波放大”的危险。因而被认为是一种很有前途的谐波治理方法。然而，由于目前的APF均是安装在电网交流侧的，电压电流在4个象限运行，需要较多的高频功率开关器件，主电路成本高，而且常规APF需要实时检测谐波电流，控制电路复杂，也限制了并联型有源电力滤波器(APF)的应用。

直流侧并联型有源电力滤波器在高压直流输电等领域得到应用，用于改善无源滤波器的滤波特性，滤除换流器输出直流电压和电流的纹波。但不对交流侧输出电流谐波进行抑制；同时，直流侧并联型有源电力滤波器也被用于高精度直流电源和高响应速度电源中，用于改善直流电压或者直流电流的稳态精度和动态性能，对于整流桥交流侧的输入电流没有补偿功能。所有的三相整流桥直流侧有源电力滤波器均用于滤除负载中的谐波分量，而用于整流桥入线电流谐波治理的整流桥直流侧并联型有源电力滤波器尚无报道和研究。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种电路简单、成本相对较低、并能够对三相整流桥负载进行谐波治理的并联型有源电力滤波器。

本发明的第二目的是提供一种适用于上述并联型有源电力滤波器的控制电路。

为达到第一发明目的，本发明提供技术方案是一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器。该滤波器包括带有高频双向功率开关管的双向升压型功率变换器、低频双向功率开关管和控制电路。本发明的双向升压型功率变换器有两个，它们各自分别由依次串联的各一个电感、各一个高频双向功率开关管和各一个电容、以及在该电感和该高频双向功率开关管的连接处各又分接了另一个高频双向功率开关管的电路构成。这两个双向升压型功率变换器通过把两个电容、两个分接的高频双向功率开关管连接在一个公共连接点上而串联在一起。该公共连接点通过三个低频双向功率开关管与三相整流桥的交流侧及交流电网连接，这两个串联的双向升压型功率变换器位于两个电感一侧的输入端分别连接在三相整流桥直流侧的正负输出端上。

为达到第二发明目的，本发明提供这样一个用于本三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器的控制电路。该控制电路包括，两个串接在三相整流桥直流侧正、负输出端的各一个电流传感器、并联在交流电网的相位检测电路、与串联的两个电容并联或者与其中任意一个电容并联的电压取样电路、和与两个电流传感器的输出端、相位检测电路的输出端、电压取样电路的输出端连接的一个控制与驱动单元，该控制与驱动单元的输出端分别与三个低频双向功率开关管和四个高频双向功率开关管连接以用于驱动它们。

本发明的优越性如下：

1、本发明特别适合于针对三相整流桥负载的谐波治理。

在用于抑制整流桥前端注入电网的谐波电流时，能使整个整流桥装置从电网吸收的电流接近正弦波，功率因数近似为1。与传统的交流侧有源电力滤波器相比，可以减少高频有源开关的数量，因此，电路相对简单、成本也相对较低；与功率因数校正器相比，本发明仅处理负载电流中的谐波分量，处理的电流更小，可以减小谐波治理装置的额定容量，也大大地降低了成本。

2、由于本发明将传统的有源电力滤波器移到三相整流桥的直流侧，该直流侧APF只需在电压电流两个象限运行，因此可以使本发明的直流侧APF电路结构简化，具有处理功率小、所用有源开关数量少的优势，成本大大降低，使之能在工业中得到广泛应用。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1——整流桥直流侧有源电力滤波器原理图

图2——整流桥直流侧有源电力滤波器控制电路原理图

图3a——三相电压区间划分图

图3b——低频双向开关控制时序图

图4——区间II等效电路图

图5a——未加直流侧有源电力滤波器的a相输入电流波形图

图5b——未加直流侧有源电力滤波器的b相输入电流波形图

图5c——未加直流侧有源电力滤波器的c相输入电流波形图

图6a——加直流侧有源电力滤波器后的a相输入电流波形图

图6b——加直流侧有源电力滤波器后的b相输入电流波形图

图6c——加直流侧有源电力滤波器后的c相输入电流波形图

图6d——加直流侧有源电力滤波器后的补偿电感L1电流波形图

图6e——加直流侧有源电力滤波器后的补偿电感L2电流波形图

具体实施方式

一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器(参考图1)。该滤波器包括带有高频双向功率开关管的双向升压型功率变换器、低频双向功率开关管和控制电路。在本发明中，双向升压型功率变换器有两个，它们各自分别由依次串联的各一个电感(L1、L2)、各一个高频双向功率开关管(Sp2、Sn2)和各一个电容(Cp、Cn)、以及在该电感(L1、L2)和该高频双向功率开关管(Sp2、Sn2)的连接处各又分接了另一个高频双向功率开关管(Sp1、Sn1)的电路构成。这两个双向升压型功率变换器通过把两个电容(Cp、Cn)、两个分接的高频双向功率开关管(Sp1、Sn1)连接在一个公共连接点上而串联在一起；该公共连接点通过三个低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)与三相整流桥ZLQ的交流侧及交流电网DW连接。这两个串联的双向升压型功率变换器DCAPF位于两个电感(L1、L2)一侧的输入端分别连接在所述三相整流桥ZLQ直流侧的正负输出端上。

显然，所谓的交流电网DW可为市电电源，也可为发电机的输出。本领域的技术人员清楚，根据其他条件或需要，其中的两个电感(L1、L2)的值可以相等的，也可以不相等的。

进一步讲，在三个低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)的三条支路上可以另外分别串联进各一个电感，也就是在图1中的a、b、c三处各串入一个电感。

另外，三个低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)还可以通过一个串联在所述公共连接点处的电感与两个串联的双向升压型功率变换器DCAPF连接，也就是在图1中的e处串入一个电感。

上述三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，可以用现有的且与其适应的控制电路来对其控制与驱动其中的各个低频、高频双向功率开关管。也可以专为它设置更加适应的控制电路，本发明控制电路就是其中之一。该控制电路(参考图2)包括，两个串接在三相整流桥ZLQ直流侧正、负输出端的各一个电流传感器(CT1、CT2)、并联在交流电网DW的相位检测电路VT、与串联的两个电容(Cp、Cn)并联或者与其中任意一个电容(Cp或Cn)并联的电压取样电路PT(由于显见，省略了电压取样电路PT与任意一个电容(Cp或Cn)并联的附图)、和与两个电流传感器(CT1、CT2)的输出端、相位检测电路VT的输出端、电压取样电路PT的输出端连接的一个控制与驱动单元KZQDDL，该控制与驱动单元KZQDDL的输出端分别与三个低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)和四个高频双向功率开关管(Sp1、Sp2、Sn1、Sn2)连接以用于驱动它们。

进一步讲，所述并联在交流电网DW的相位检测电路VT，可以与该交流电网DW的三相线均连接上、也可以仅与其中的任意两相线连接上、还可以仅与其中的任意一相线连接上(同样由于显见，也省略后两种情况的附图)。

下面结合上述具体实施方式披露的电路，对其谐波治理过程作进一步的介绍。

本发明的相位检测电路VT通过检测电网电压得到三个三相低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)的控制时序，在每个电网工频周期内分成6个区间，三个三相双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)工作在二倍工频(参考图3a、图3b)。在任意一个区间内，交流电网DW、三相整流桥ZLQ以及并联型直流侧有源电力滤波器可以等效为两个串联连接的双向升压型功率变换器(参考图4，该图仅绘制出了在区间II的等效电路图)。通过电流传感器(CT1、CT2)分别取得三相整流桥ZLQ输出端的电流信号，电压取样电路PT取得直流侧电容(Cp、Cn或Cp或Cn)的电压信号，控制与驱动单元KZQDDL可采用PWM控制方式产生各高频双向功率开关管(Sp1、Sp2、Sn1、Sn2)的控制信号，并驱动本发明滤波电路中的低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)和高频双向功率开关管(Sp1、Sp2、Sn1、Sn2)的通断，实现谐波治理的功能。图5a、图5b、图5c分别是未接入本发明滤波器的a、b、c三相的输入电流(Ia、Ib、Ic)波形图。从三个波形图中可以看出，其输入电流波形接近方波，其中含有大量的谐波分量。图6a、图6b、图6c是接入本发明的滤波器后的a、b、c相输入电流(Ia、Ib、Ic)波形图。从对比的波形图后不难发现，治理后的a、b、c相输入电流(Ia、Ib、Ic)已经十分接近正弦波了，它们的功率因数近似为1。图6d、图6e是接入本发明的滤波器后的补偿电感L1、L2的电流(IL1、IL2)波形图。从后两个波形图中可以看出从谐波治理成正弦波的变化过程。

采用本发明，只需要4个高频功率开关，可以降低成本，减小补偿容量。本发明只需要四个双向功率开关管，可以使得三相整流桥谐波治理装置的成本降低，补偿容量减小。本发明中电感、电容及其各功率开关管的选择与现有滤波器选择的原则相同，故具体参数未披露。

Claims

1、一种三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，该滤波器包括带有高频双向功率开关管的双向升压型功率变换器、低频双向功率开关管和控制电路，其特征在于，所述的双向升压型功率变换器有两个，它们各自分别由依次串联的各一个电感(L1、L2)、各一个高频双向功率开关管(Sp2、Sn2)和各一个电容(Cp、Cn)、以及在该电感(L1、L2)和该高频双向功率开关管(Sp2、Sn2)的连接处各又分接了另一个高频双向功率开关管(Sp1、Sn1)的电路构成；这两个双向升压型功率变换器通过把两个电容(Cp、Cn)、两个分接的高频双向功率开关管(Sp1、Sn1)连接在一个公共连接点上而串联在一起，该公共连接点通过三个所述的低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)与三相整流桥(ZLQ)的交流侧及其交流电网DW连接，这两个串联的双向升压型功率变换器(DCAPF)位于两个电感(L1、L2)一侧的输入端分别连接在所述三相整流桥(ZLQ)直流侧的正负输出端上。

2、根据权利要求1所述的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，其特征在于，在所述的三个低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)的三条支路上分别串联有各一个电感。

3、根据权利要求1或2所述的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述的三个低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)通过一个串联在所述公共连接点处的电感与两个串联的双向升压型功率变换器(DCAPF)连接。

4、根据权利要求1、2或3所述的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述控制电路包括，两个串接在所述三相整流桥(ZLQ)直流侧正、负输出端的各一个电流传感器(CT1、CT2)、并联在交流电网DW的相位检测电路(VT)、与所述串联的两个电容(Cp、Cn)并联或者与其中任意一个电容(Cp或Cn)并联的电压取样电路(PT)、和与两个电流传感器(CT1、CT2)的输出端、相位检测电路(VT)的输出端、电压取样电路(PT)的输出端连接的一个控制与驱动单元(KZQDDL)，该控制与驱动单元(KZQDDL)的输出端分别与三个低频双向功率开关管(Sa、Sb、Sc)和四个高频双向功率开关管(Sp1、Sp2、Sn1、Sn2)连接以用于驱动它们。

5、根据权利要求4所述的三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述并联在交流电网DW的相位检测电路(VT)，可以与该交流电网DW的三相线均连接上、也可以仅与其中的任意两相线连接上、还可以仅与其中的任意一相线连接上。