CN102231524A - 基于全控型变流器件的有源滤波方法 - Google Patents

基于全控型变流器件的有源滤波方法 Download PDF

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郭自勇
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Abstract

本发明涉及一种基于全控型变流器件的有源滤波方法，该方法以电网谐波电流为控制量，将该电流信号经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制全控型变流装置功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生与电网中谐波电流大小相等方向相反的调制电流，达到有源滤波的目的。该方法采用SVG结构，采用全控型变流器件，能够有效抑制电网中高压***的谐波问题，且响应速度快，跟踪精度高，可大大提高电网的稳定性和可靠性。

Description

基于全控型变流器件的有源滤波方法
技术领域
本发明涉及SVG实现有源滤波的方法，特别是一种采用全控型变流器件的SVG有源滤波的方法。
背景技术
由于电力电子器件的非线性和波形非正弦的特点，由电力电子器件组成的电气传动自动化装置的电源侧(网侧)的电流不仅含有基波，还包含丰富的谐波，会给电网的运行和效率带来不良的影响，同时也会对接在该公用电网中的其他用电设备带来一些不良的影响甚至危害。谐波对供电变压、旋转电机的影响主要是产生附加损耗，温升增加，出力下降，影响绝缘寿命。谐波对电缆及并联电容器的影响，当产生谐波放大时，并联电容器，将因过电流及过电压而损坏，严重时将危及整个供电***的安全运行。交流电压畸变可能引起不可逆变流设备控制角的时间间隔不等，并通过正反馈而放大***的电压畸变，使变流器工作不稳定，而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作，甚至损坏变流设备。谐波对通信产生干扰，使电度计量产生误差，对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响。
目前，针对谐波问题解决方法主要是在中高压侧加无源滤波器，无源滤波器在滤波时会提供容性无功，对功率因数高(比如交-直-交变频)的谐波源会产生过补。同时对变化负荷不能进行动态补偿。传统实现配合MCR或TCR型SVC，实现动态也滤除谐波，但其主要缺点如下：
1)SVC设备为半控型变流器件，需要加装FC与之配合才具有从容性到感性连续可调。同时，FC需要滤除SVC自身产生的各次谐波分量，且有安装容量大，占地空间大等缺点。
2)一般而言，SVC加装FC后，SVC的补偿范围一般在0～+100％，补偿范围小。
3)FC是一种无源的解决方法，其输出补偿电流与电网电压成正比。当电网电压变化较大，其补偿无功的能力大大削弱。
4)FC是靠改为谐波阻抗来滤波的，在***中会产生串并联谐振，危害供电安全。
目前，在国内外采用全控型变流器件的静止无功发生器SVG(Static Var Generator)技术在中高压侧实现有源滤波还是个空白。因此，针对中高压侧解决动态无功补偿兼有源滤波问题的SVG解决方案，具有很强的可实施性和可操作性。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于全控型变流器件的有源滤波方法，该方法采用SVG结构，采用全控型变流器件，能够有效抑制电网中高压***的谐波问题，且响应速度快，跟踪精度高，可大大提高电网的稳定性和可靠性。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
基于全控型变流器件的有源滤波方法，该方法以电网谐波电流为控制量，将该电流信号经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制全控型变流装置功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生与电网中谐波电流大小相等方向相反的调制电流，达到有源滤波的目的。
所述的全控型变流装置为降压型两电平功率单元并联型SVG结构、或降压型三电平功率单元并联型SVG结构。
所述的全控型变流装置为降压型Δ型链式SVG结构、或降压型Y型链式SVG结构。
所述的全控型变流装置为降压型MMC型SVG结构、或降压型多重化SVG结构。
所述的全控型变流装置为非降压型器件串联型两电平SVG结构、或非降压型器件串联型三电平SVG结构。
所述的全控型变流装置为直挂式Δ型链式SVG结构、直挂式Y型链式SVG结构、或直挂式MMC型SVG结构。
所述的控制器包括多个信号处理子单元和主控子单元，每个信号处理子单元包括滤波模块、移相模块、比例放大模块、运算模块，主控子单元完成对全控型器件的控制；
所述的滤波模块包括低通、高通滤波器和对各个同步态信号分别进行滤波的带通滤波器，用来将电流信号的变化量经过低通、高通滤波器滤掉低频、高频，再经过带通滤波器进行处理，得到谐波电流分量；
所述的移相模块用来接收滤波单元输出的谐波电流信号，将电压同步信号进行相位矫正；
所述的比例放大模块用来将移相处理的电流信号进行比例放大处理；
所述的运算模块用来将移相、比例处理后的电流信号进行加权求和处理得到综合控制量；将此控制量通过函数运算变为全控型变流装置的控制信号。
所述的全控型变流装置所采用开关器件可为IGBT、GTO、IGCT、IEGT或其它全控型开关器件。
该方法所采用的有源滤波装置可为一台或多台，进行冗余设计。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)响应速度快
基于全控型器件变流装置的显著特点就是响应速度快。其主要原因是，可以根据需要对全控型器件(GTO、IGBT、IGCT、IEGT等)的开关状态进行任意控制。而且，器件的开关频率或等效开关频率往往较高，一般每个工频周期的开关次数可以从几次到几十次。因此，基于全控型器件变流装置的***响应速度比SVC快几倍。
2)控制精度高
基于全控型器件变流装置可以采用脉宽调制或脉冲击移相等方式进行控制，加上其开关频率较高，就可以在每个开关周期对***输出进行调节。此外，***还可以采用比较复杂的算法和控制方法，使得***的跟踪精度大大提高。也就是说，基于全控型器件变流装置可以对***的各次谐波电流、无功等电能质量问题同时进行综合治理。
3)调节更灵活
可只滤波不产生无功，对于高压交-直-交变频，解决了传统FC滤波时必须产生容性无功造成过补的情况。需要补偿无功，可补偿容性也可补偿感性，还能实现动态调节
4)不受***电压影响
FC是一种无源的解决方法，其输出无功与电网电压平方成正比。当电网电压变化较大，在电压波峰时FC的基本电流增加，滤波效果降低，电容器会出现基波过电压或谐波过电流过电压的问题。而基于全控型器件变流装置是一种有源的解决方法，其输出补偿电流与电网电压几乎无关。滤波效果不受影响。
5)滤波效果更好
传统滤波器滤波效果不仅受电网电压影响还受到***阻抗影响，***阻抗越小滤波效果越差，同时传统滤波器还受电容器电抗器自身参数的影响。而SVG滤波不受***阻抗影响滤波效果好。
附图说明
图1是全控型变流器件的有源滤波的主接线图；
图2是全控型变流器件有源滤波的控制原理图；
图3是采用间接电流控制方法(电压法)时的SVG控制框图；
图4是采用直接电流控制方法(电流法)时的SVG控制框图；
图5是降压型两电平功率单元并联型SVG结构示意图；
图6是降压型三电平功率单元并联型SVG结构示意图；
图7是降压型Δ型链式SVG结构示意图；
图8是降压型Y型链式SVG结构示意图；
图9是降压型MMC型SVG结构示意图；
图10是降压型多重化SVG结构示意图；
图11是非降压型器件串联型两电平SVG结构示意图；
图12是非降压型器件串联型三电平SVG结构示意图；
图13是直挂式Δ型链式SVG结构示意图；
图14是直挂式Y型链式SVG结构示意图；
图15是直挂式MMC型SVG结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。
基于全控型变流器件的有源滤波方法，该方法以电网谐波电流为控制量，将该电流信号经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制全控型变流装置功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生与电网中谐波电流大小相等方向相反的调制电流，达到有源滤波的目的。
图1是基于全控型变流器件的有源滤波方法的主接线图，通过检测电网低压侧母线电压、低压侧母线电流，然后通过SVG控制柜对电网电流信号进行傅利叶级数展开，得出各次谐波电流值。最后由SVG控制器发出触发信号，使IGBT单元工作形成与电网谐波大小相等方向相反的调制电流来抵消电网中负荷产生的谐波。
根据用户的需要，可在35kV母线上，增设FC电感电容装置，或不加FC抵消装置。
控制器包括多个信号处理子单元和主控子单元，每个信号处理子单元包括滤波模块、移相模块、比例放大模块、运算模块，主控子单元完成对全控型器件的控制；
见图2，基于全控型变流器件的有源滤波方法，包括以下步骤：
1)检测电网电流信号，将模拟的电流信号(5A、1A)转化成数字信号送给控制器；
2)滤波；将电网电流信号经过低通高通滤波器滤掉高、低频，再经过带通滤波器中的带通滤波器进行带通滤波，得到电网电压的同步信号；
3)相位矫正；上述谐波分量信号再分别过各自的移相模块矫正相位；
4)比例放大；矫正相位后的信号再经过比例放大模块进行增益比例放大；
5)运算处理；经矫正相位、比例放大的的谐波电流信号与基波电流信号求和，得出综合控制量；
6)上述综合控制量经函数变为IGBT触发时刻。控制器以PT信号为同步信号控制IGBT触发时刻，使得SVG装置中产生与电网中谐波大小相等方向相反的电流信号与原电网中的谐波电流抵消，达到有源滤波目的。
本实施例中，全控型变流器件为IGBT，还可为IGBT、GTO、IGCT、IEGT或其它全控型开关器件。
SVG装置包括降压型和直挂式两种类型，FC部分属于可选部分。
此外，图中的一支IGBT可以是单支开关器件，也可以是多支IGBT的串联或并联。
图3是采用间接电流控制方法(电压法)时的SVG控制框图。
图4是采用直接电流控制方法(电流法)时的SVG控制框图。
下面结合附图叙述SVG装置的具体结构类型。
图5是降压型两电平功率单元并联型SVG结构示意图；功率单元每相由两只反并联开关器件IGBT1组成，二极管D1整流，整个功率模块形成两电平变流器功能。
降压型两电平功率单元并联型SVG是由采用两电平变流器的功率单元并联，然后通过变压器T1升至高压并联于电网上。降压型两电平功率单元并联型SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图6是降压型三电平功率单元并联型SVG结构示意图；功率单元每相由四只反并联开关器件IGBT2组成，二极管D2钳位，整个功率模块形成三电平变流器功能。
降压型三电平功率单元并联型SVG是由采用二极管D2钳位的三电平变流器的功率单元并联，然后通过变压器T2升至高压并联于电网上。降压型三电平功率单元并联型SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图7是降压型Δ型链式SVG结构示意图；单项功率单元A1每相由四只反并联开关器件IGBT3组成，二极管D3整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
降压型Δ型链式SVG是由单项功率单元A1串联到一定电压等级，三相Δ接后通过变压器T3升至高压并联于电网上。降压型Δ型链式SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图8是降压型Y型链式SVG结构示意图；单项功率单元A2每相由四只反并联开关器件IGBT4组成，二极管D4整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
降压型Y型链式SVG是由单项功率单元A2串联到一定电压等级，三相Y接后通过变压器T4升至高压并联于电网上。降压型Y型链式SVG主要由功率单元、控制单元、降压变压器组成。
图9是降压型MMC型SVG结构示意图；模块化多电平变流器(Modular MultilevelConverter)的简称是MMC型变流器。MMC型变流器与三相桥式变流器类似。每个桥臂由IGBT5组成的多个单相半桥A3串联组成，每个桥臂中点经电抗器L1后接入降压变压器T5二次侧。
图10是降压型多重化SVG结构示意图；降压型多重化SVG由多个变压器T1、T2……Tn组成，其中，所有变流器10可以共用一个或多个直流电容C，也可以单独配置电容，电容的作用是给变流器提供正常工作所需的直流电压。变流器10通常由具有公共直流母线的三个单相H桥构成，每个H桥的输出接至变压器的低压侧。在各个变压器的高压侧，对应的各相串联后并入***。此外，为消去变流器产生的低次谐波对电网造成的影响，通常采用变压器原副边移相的方法，如Y/Y连接，或Y/Δ连接(如图10)。
图11是非降压型器件串联型两电平SVG结构示意图；非降压型器件串联型两电平SVG是由功率器件IGBT6先串联形成高压功率单元A4，然后这些功率器件串联的高压功率单元A4再构成两电平输出接入电网。非降压型器件串联型两电平SVG主要由功率器件串联单元、控制单元、接入电抗器组成。
图12是非降压型器件串联型三电平SVG结构示意图；非降压型器件串联型三电平SVG是由功率器件IGBT7先串联形成高压功率单元A5，然后这些功率器件串联的高压功率单元A5再构成三电平输出接入电网。非降压型器件串联型三电平SVG主要由功率器件串联单元、控制单元、接入电抗器组成。
图13是直挂式Δ型链式SVG结构示意图；单项功率单元A6每相由四只反并联开关器件IGBT8组成，二极管D9整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
直挂式Δ型链式SVG是由单项功率单元A6直接串联到高电压等级，三相Δ接后直接接入电网。直挂式Δ型链式SVG主要由功率单元、控制单元、接入电抗器组成。
图14是直挂式Y型链式SVG结构示意图；单项功率单元A7每相由四只反并联开关器件IGBT9组成，二极管D10整流，整个功率模块形成三电平变流器功能。
直挂式Y型链式SVG是由单项功率单元A7直接串联到高电压等级，三相Y接后直接接入电网。直挂式Y型链式SVG主要由功率单元、控制单元、接入电抗器组成。
图15是直挂式MMC型SVG结构示意图。MMC型变流器的每个桥臂由多个单相半桥A8串联组成，每个桥臂中点经电抗器L2直接接入电网，不需降压变压器。

Claims (9)

1.基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，该方法以电网谐波电流为控制量，将该电流信号经控制器进行滤波、移相、比例放大、运算处理，得到以电压同步信号为基准控制全控型变流装置功率单元的控制信号，使全控型变流装置产生与电网中谐波电流大小相等方向相反的调制电流，达到有源滤波的目的。
2.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为降压型两电平功率单元并联型SVG结构、或降压型三电平功率单元并联型SVG结构。
3.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为降压型Δ型链式SVG结构、或降压型Y型链式SVG结构。
4.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为降压型MMC型SVG结构、或降压型多重化SVG结构。
5.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为非降压型器件串联型两电平SVG结构、或非降压型器件串联型三电平SVG结构。
6.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，所述的全控型变流装置为直挂式Δ型链式SVG结构、直挂式Y型链式SVG结构、或直挂式MMC型SVG结构。
7.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，所述的控制器包括多个信号处理子单元和主控子单元，每个信号处理子单元包括滤波模块、移相模块、比例放大模块、运算模块，主控子单元完成对全控型器件的控制；
所述的滤波模块包括低通、高通滤波器和对各个同步态信号分别进行滤波的带通滤波器，用来将电流信号的变化量经过低通、高通滤波器滤掉低频、高频，再经过带通滤波器进行处理，得到谐波电流分量；
所述的移相模块用来接收滤波单元输出的谐波电流信号，将电压同步信号进行相位矫正；
所述的比例放大模块用来将移相处理的电流信号进行比例放大处理；
所述的运算模块用来将移相、比例处理后的电流信号进行加权求和处理得到综合控制量；将此控制量通过函数运算变为全控型变流装置的控制信号。
8.根据权利要求1-6中的任意一项所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，所述的全控型变流装置所采用开关器件可为IGBT、GTO、IGCT、IEGT或其它全控型开关器件。
9.根据权利要求1所述的基于全控型变流器件的有源滤波方法，其特征在于，该方法所采用的有源滤波装置可为一台或多台，进行冗余设计。
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