CN103346567A - 一种并联型有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于有源电力滤波技术领域的一种并联型有源电力滤波器。该滤波器由三电平逆变器、滤波器、开关管、箝位二极管、分压电容器、6个带有两路信号输出的IGBT驱动电路组成。本发明采用的驱动电路内部具有高速光耦，将脉冲控制信号与驱动电路内部隔离，这样数字控制电路与驱动电路实现了电气隔离，可以防止因电气耦合产生的干扰；栅极驱动采用双极性控制电压，使用负的栅极电压可以获得较高的抗干扰性。

Description

一种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技术领域，具体涉及一种并联型有源电力滤波器。

背景技术

电能是现代社会生产和人民生活中必不可少的重要能源，随着社会的发展和科技的进步尤其是电力电子装置的广泛应用，一方面电力***中的谐波污染随着非线性负载的数量和容量增加而日趋严重，另一方面供电方及其电力***设备、用户及其用电器对电能质量的要求也日益提高，愈发严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对尖锐的矛盾。由于电能质量问题导致对我国的冶金、铁路、矿山等企业的谐波严重超标，因谐波问题导致的开关跳闸、大面积停电甚至电力***解列等事故也屡见不鲜，因此对电力***的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。

有源电力滤波器是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络，一台有源电力滤波器理论上拥有无穷多个谐振频率。由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外供电***谐波抑制研究的热点。

近年来，在工业应用中对大容量功率变换装置的要求日益增加，如电力***中以高压直流输电(HVDC)，静止无功补偿(STATCOM)等为代表的柔***流输电技术(FACTS)，以高压变频器为代表的大功率电机调速以及大功率电源装置等等。在这些应用领域，大功率逆变器经常成为它们应用的一个核心的关键性问题。一方面由于器件可承受电压和电流能力的限制，使二电平逆变器难以直接实现高压大功率化；另一方面在高压应用中，二电平逆变器输出电压的dv/dt很大，在调速***中有危害电机的绝缘，加剧轴承电流等问题，还存在的零序电位不平衡的问题。

发明内容

本发明针对目前的有源电力滤波器存在的零序电位不平衡，强电信号与弱电信号共存受到的电磁干扰的问题，提出一种并联型有源电力滤波器。

一种并联型有源电力滤波器，三电平逆变器1与6个IGBT驱动电路6相连，IGBT驱动电路6与DSP控制电路10相连，DSP控制电路10一路通过倍频锁相装置11和过零检测装置12与负载13相连，DSP控制电路10另一路通过电流调理装置14和电流检测装置15与负载13相连，电流调理装置14通过滤波器2与三电平逆变器1相连，滤波器2还与负载13相连，三电平逆变器1内设有依次连接的箝位二极管4、开关管3和分压电容器5，DSP控制电路10通过中点电压检测装置16与三电平逆变器1相连。

所述IGBT驱动电路的结构为：驱动电路17依次与驱动芯片7、逻辑电路9和光电耦合8相连，光电耦合8连接驱动电路17形成环路。

所述驱动芯片7为驱动芯片M57962L。

所述驱动电路17的结构为：光电耦合8与接口电路相连，接口电路与分别与检测电路、定时复位电路、门关断电路相连，检测电路与测量点相连，门关断电路与故障输出电路相连。

所述开关管3的耐压能力为额定电压2-10倍。

所述箝位二极管4的耐压能力为额定电压2-10倍。

所述分压电容器5的耐压能力为额定电压2-10倍。

本发明的有益效果：本发明采用的驱动电路内部具有高速光耦，将脉冲控制信号与驱动电路内部隔离，这样数字控制电路与驱动电路实现了电气隔离，可以防止因电气耦合产生的干扰；栅极驱动采用双极性控制电压，使用负的栅极电压可以获得较高的抗干扰性。本发明采用了基于零序电压注入的中点电位平衡控制算法；

在此采用主动平衡因子控制法，该控制法可以精确计算出f，所以能尽量使得中点电压不产生偏移，从而达到精确控制中点电位平衡的效果。针对直流侧电容电压控制问题，在电压外环中采用PI控制维持直流侧电压恒定，在电流内环中检测各相电流和中点电位波动方向，对小矢量进行取舍实现中点电位平衡控制。

控制的基本思想是：预测直流侧中点电荷的变化趋势，并将计算所需补偿的中点电压便宜，对PWM波形进行修正。根据PWM波形和负载电流，计算出对中点电位的影响。在该波形未作用到电路前，先对其进行修正，使它不产生中点电位偏移。

设C1储存电荷Q1，C2储存电荷Q2.假设量电容特性完全相同，C1＝C2＝C0.若Q1＝Q2，则两电容的电压平衡，此时C1下极板与C2上极板间电荷为零。所以可通过流入直流侧两电容中点的电荷来抵消C1下极板与C2上极板间原有电荷，使得两极板间电荷为零，及在第(k-1)个PWM周期结束时，期望第k个PWM周期结束时两个电容极板之间的电荷等于零。根据此思想，可得：

Q2-Q1+Q0＝0  (1)

式中：Q1＝CUdc1；Q2＝CUdc2；Q0为一个开关周期Ta内流入直流侧两电容的电荷， $Q0={\∫}_{(k-1)\mathrm{Ts}}^{\mathrm{kTs}}\mathrm{ic}1\mathrm{dt}+{\∫}_{(k-1)\mathrm{Ts}}^{\mathrm{kTs}}\mathrm{ic}2\mathrm{dt}\·$

将参考矢量所在三角形的开关状态代入，即可得出T1P，T2，T3和T1n4个时间段的i0，则Q0＝ibT3+iafT1，由以上推导可得f的准确表达式为：

$f=\begin{array}{c}-\mathrm{Taib}+\mathrm{Cd}(\mathrm{Udc}1-\mathrm{Udc}2)\\ T1\mathrm{ia}\end{array}---\left(2\right)$

改进后的中点电位控制策略就是实时考虑了原有的电压偏差值，当Udc1＝Udc2时，即无需考虑原有偏差，也就没有Cd(Udc1-Udc2)这一项了。故采用该改进方法可以实现在中点电位已偏移的情况下也能将中点电位拉回平衡点，实现精准控制。

通过对参考电压符号区域的正确划分，可以快速准确的计算所需注入零序电压，有利于实时控制的实现。

附图说明

图1为驱动电路结构示意图；

图2为有源电力滤波器结构示意图；

图3为IGBT驱动电路示意图；

图中，1-三电平逆变器、2-滤波器、3-开关管、4-箝位二极管、5-分压电容器、6-IGBT驱动电路、7-驱动芯片M57962L、8-光电耦合、9-逻辑电路、10-DSP控制电路、11-过倍频锁相装置、12-过零检测装置、13-负载、14-电流调理装置、15-电流检测装置、16-中点电压检测装置、17-驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种并联型有源电力滤波器，如图1-3所示，三电平逆变器1与6个IGBT驱动电路6相连，IGBT驱动电路6与DSP控制电路10相连，DSP控制电路10一路通过倍频锁相装置11和过零检测装置12与负载13相连，DSP控制电路10另一路通过电流调理装置14和电流检测装置15与负载13相连，电流调理装置14通过滤波器2与三电平逆变器1相连，滤波器2还与负载13相连，三电平逆变器1内设有依次连接的箝位二极管4、开关管3和分压电容器5，DSP控制电路10通过中点电压检测装置16与三电平逆变器1相连。

IGBT驱动电路的结构为：驱动电路17依次与驱动芯片7、逻辑电路9和光电耦合8相连，光电耦合8连接驱动电路17形成环路。驱动芯片7为驱动芯片M57962L。

驱动电路17的结构为：光电耦合8与接口电路相连，接口电路与分别与检测电路、定时复位电路、门关断电路相连，检测电路与测量点相连，门关断电路与故障输出电路相连。

开关管3的耐压能力为额定电压5倍。

箝位二极管4的耐压能力为额定电压5倍。

分压电容器5的耐压能力为额定电压5倍。

驱动芯片是使用光电耦合器来隔离输入的驱动信号和被驱动的绝缘栅，采用厚膜或PCB工艺支撑，部分阻容元件由引脚接入。这种产品主要用于IGBT的驱动，因IGBT具有电流拖尾效应，所以光耦驱动器无一例外都是负压关断。

M57962L是为驱动IGBT设计的厚膜集成电路，实质是隔离型放大器，采用光电耦合方法实现输入与输出的电气隔离，并配置了短路/过载保护电路。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管

其工作原理时：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就可以实现电一光一电的转换。

当IGBT模块过载(过压、过流)，集电极电压上升至15V以上时，隔离二极管VD1截止，M57962L的1脚为15V高电平，则将M57962L的5脚置为低电平，使IGBT截止，同时将8脚置为低电平，使光电耦合器工作，以驱动外接电路将输入端13脚置为高电平。稳压二极管ZD1用于防止VD1击穿而损坏M57962L。Rext为限流电阻。ZD2、ZD3组成限幅器，以确保IGBT的基极不被击穿。

三电平逆变器主电路是***核心，它主要实现电能的DC/AC转换，控制电路主要是SVPWM的生成，通过驱动电路实现主电路与控制电路之间的信号连接对主电路进行适当的控制，以实现主电路和控制电路之间的电气隔离，电压检测电路实现对主电路直流侧电容电压的检测，电流检测电路实现对输出电流的检测。

每一块驱动电路板上需要辅助电源提供两种不同的电平信号，即驱动芯片M57962L所需的+15.8V/-8.2V，分别为所要驱动的IGBT提供正负偏压信号，另外还需为驱动板上的其它辅助电路提供+5V电源，如光纤接收/发送器、锁存器、光耦合器等。辅助电源没计使用24V直流输入，经过半桥逆变电路模块后输出高频方波电压，再通过变压器隔离、升压、滤波后输出所需的电压信号。

有源电力滤波器工作原理：

有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。

指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

有源电力滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器(储能元件为电容)和电流型有源滤波器(储能元件为电感)。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，该电流在电感内阻上将产生较大损耗。

中点电位平衡控制算法的基本思想：

预测直流侧中点电荷的变化趋势，并将计算所需补偿的中点电压便宜，对PWM波形进行修正。根据PWM波形和负载电流，计算出对中点电位的影响。在该波形未作用到电路前，先对其进行修正，使它不产生中点电位偏移。

设C1储存电荷Q1，C2储存电荷Q2.假设量电容特性完全相同，C1＝C2＝C0.若Q1＝Q2，则两电容的电压平衡，此时C1下极板与C2上极板间电荷为零。所以可通过流入直流侧两电容中点的电荷来抵消C1下极板与C2上极板间原有电荷，使得两极板间电荷为零，及在第(k-1)个PWM周期结束时，期望第k个PWM周期结束时两个电容极板之间的电荷等于零。根据此思想，可得：

Q2-Q1+Q0＝0  (1)

式中：Q1＝CUdc1；Q2＝CUdc2；Q0为一个开关周期Ta内流入直流侧两电容的电荷， $Q0={\∫}_{(k-1)\mathrm{Ts}}^{\mathrm{kTs}}\mathrm{ic}1\mathrm{dt}+{\∫}_{(k-1)\mathrm{Ts}}^{\mathrm{kTs}}\mathrm{ic}2\mathrm{dt}.$

将参考矢量所在三角形的开关状态代入，即可得出T1P，T2，T3和T1n4个时间段的i0，则Q0＝ibT3+iafT1，由以上推导可得f的准确表达式为：

$f=\frac{-T3\mathrm{ib}+\mathrm{Cd}(\mathrm{Udc}1-\mathrm{Udc}2)}{T1\mathrm{ia}}---\left(2\right)$

改进后的中点电位控制策略就是实时考虑了原有的电压偏差值，当Udc1＝Udc2时，即无需考虑原有偏差，也就没有Cd(Udc1-Udc2)这一项了。故采用该改进方法可以实现在中点电位已偏移的情况下也能将中点电位拉回平衡点，实现精准控制。

通过对参考电压符号区域的正确划分，可以快速准确的计算所需注入零序电压，有利于实时控制的实现。

通过优化控制算法，可较好的抑制中点电位不平衡。

采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻(约185Ω)，可将5V的电压直接加到输入侧。它采用双电源驱动结构，内部集成有2500V高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路、过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口，驱动电信号延迟最大为1.5us。

实施例2

一种并联型有源电力滤波器，如图1-3所示，三电平逆变器1与6个IGBT驱动电路6相连，IGBT驱动电路6与DSP控制电路10相连，DSP控制电路10一路通过倍频锁相装置11和过零检测装置12与负载13相连，DSP控制电路10另一路通过电流调理装置14和电流检测装置15与负载13相连，电流调理装置14通过滤波器2与三电平逆变器1相连，滤波器2还与负载13相连，三电平逆变器1内设有依次连接的箝位二极管4、开关管3和分压电容器5，DSP控制电路10通过中点电压检测装置16与三电平逆变器1相连。

IGBT驱动电路的结构为：驱动电路17依次与驱动芯片7、逻辑电路9和光电耦合8相连，光电耦合8连接驱动电路17形成环路。驱动芯片7为驱动芯片M57962L。

驱动电路17的结构为：光电耦合8与接口电路相连，接口电路与分别与检测电路、定时复位电路、门关断电路相连，检测电路与测量点相连，门关断电路与故障输出电路相连。

开关管3的耐压能力为额定电压3倍。

箝位二极管4的耐压能力为额定电压3倍。

分压电容器5的耐压能力为额定电压3倍。

M57962L是为驱动IGBT设计的厚膜集成电路，实质是隔离型放大器，采用光电耦合方法实现输入与输出的电气隔离，并配置了短路/过载保护电路。

光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管

其工作原理时：在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就可以实现电一光一电的转换。

当IGBT模块过载(过压、过流)，集电极电压上升至15V以上时，隔离二极管VD1截止，M57962L的1脚为15V高电平，则将M57962L的5脚置为低电平，使IGBT截止，同时将8脚置为低电平，使光电耦合器工作，以驱动外接电路将输入端13脚置为高电平。稳压二极管ZD1用于防止VD1击穿而损坏M57962L。Rext为限流电阻。ZD2、ZD3组成限幅器，以确保IGBT的基极不被击穿。

所述开关管的耐压能力为额定电压5倍。箝位二极管的耐压能力为额定电压5倍。分压电容器的耐压能力为额定电压5倍。

三电平逆变器主电路是***核心，它主要实现电能的DC/AC转换，控制电路主要是SVPWM的生成，通过驱动电路实现主电路与控制电路之间的信号连接对主电路进行适当的控制，以实现主电路和控制电路之间的电气隔离，电压检测电路实现对主电路直流侧电容电压的检测，电流检测电路实现对输出电流的检测。

每一块驱动电路板上需要辅助电源提供两种不同的电平信号，即驱动芯片M57962L所需的+15.8V/-8.2V，分别为所要驱动的IGBT提供正负偏压信号，另外还需为驱动板上的其它辅助电路提供+5V电源，如光纤接收/发送器、锁存器、光耦合器等。辅助电源没计使用24V直流输入，经过半桥逆变电路模块后输出高频方波电压，再通过变压器隔离、升压、滤波后输出所需的电压信号。

有源电力滤波器工作原理：

有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。

指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

有源电力滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器(储能元件为电容)和电流型有源滤波器(储能元件为电感)。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，该电流在电感内阻上将产生较大损耗。

中点电位平衡控制算法的基本思想：

预测直流侧中点电荷的变化趋势，并将计算所需补偿的中点电压便宜，对PWM波形进行修正。根据PWM波形和负载电流，计算出对中点电位的影响。在该波形未作用到电路前，先对其进行修正，使它不产生中点电位偏移。

设C1储存电荷Q1，C2储存电荷Q2.假设量电容特性完全相同，C1＝C2＝C0.若Q1＝Q2，则两电容的电压平衡，此时C1下极板与C2上极板问电荷为零。所以可通过流入直流侧两电容中点的电荷来抵消C1下极板与C2上极板间原有电荷，使得两极板间电荷为零，及在第(k-1)个PWM周期结束时，期望第k个PWM周期结束时两个电容极板之间的电荷等于零。根据此思想，可得：

Q2-Q1+Q0＝0(1)

式中：Q1＝CUdc1；Q2＝CUdc2；Q0为一个开关周期Ta内流入直流侧两电容的电荷， $Q0={\∫}_{(k-1)\mathrm{Ts}}^{\mathrm{kTs}}\mathrm{ic}1\mathrm{dt}+{\∫}_{(k-1)\mathrm{Ts}}^{\mathrm{kTs}}\mathrm{ic}2\mathrm{dt}.$

将参考矢量所在三角形的开关状态代入，即可得出T1P，T2，T3和T1n4个时间段的i0，则Q0＝ibT3+iafI1，由以上推导可得f的准确表达式为：

$f=\begin{array}{c}-\mathrm{Taib}+\mathrm{Cd}(\mathrm{Udc}1-\mathrm{Udc}2)\\ T1\mathrm{ia}\end{array}---\left(2\right)$

改进后的中点电位控制策略就是实时考虑了原有的电压偏差值，当Udc1＝Udc2时，即无需考虑原有偏差，也就没有Cd(Udc1-Udc2)这一项了。故采用该改进方法可以实现在中点电位已偏移的情况下也能将中点电位拉回平衡点，实现精准控制。

通过对参考电压符号区域的正确划分，可以快速准确的计算所需注入零序电压，有利于实时控制的实现。

通过优化控制算法，可较好的抑制中点电位不平衡。

采用光耦实现电气隔离，光耦是快速型的，适合高频开关运行，光耦的原边已串联限流电阻(约185Ω)，可将5V的电压直接加到输入侧。它采用双电源驱动结构，内部集成有2500V高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路、过电流保护输出信号端子和与TTL电平相兼容的输入接口，驱动电信号延迟最大为1.5us。

Claims (7)

1.一种并联型有源电力滤波器，其特征在于，三电平逆变器(1)与6个IGBT驱动电路(6)相连，IGBT驱动电路(6)与DSP控制电路(10)相连，DSP控制电路(10)一路通过倍频锁相装置(11)和过零检测装置(12)与负载(13)相连，DSP控制电路(10)另一路通过电流调理装置(14)和电流检测装置(15)与负载(13)相连，电流调理装置(14)通过滤波器(2)与三电平逆变器(1)相连，滤波器(2)还与负载(13)相连，三电平逆变器(1)内设有依次连接的箝位二极管(4)、开关管(3)和分压电容器(5)，DSP控制电路(10)通过中点电压检测装置(16)与三电平逆变器(1)相连。

2.根据权利要求1所述一种并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述IGBT驱动电路的结构为：驱动电路(17)依次与驱动芯片(7)、逻辑电路(9)和光电耦合(8)相连，光电耦合(8)连接驱动电路(17)形成环路。

3.根据权利要求2所述一种并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述驱动芯片(7)为驱动芯片M57962L。

4.根据权利要求2所述一种并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述驱动电路(17)的结构为：光电耦合(8)与接口电路相连，接口电路与分别与检测电路、定时复位电路、门关断电路相连，检测电路与测量点相连，门关断电路与故障输出电路相连。

5.根据权利要求1所述一种并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述开关管(3)的耐压能力为额定电压2-10倍。

6.根据权利要求1所述一种并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述箝位二极管(4)的耐压能力为额定电压2-10倍。

7.根据权利要求1所述一种并联型有源电力滤波器，其特征在于，所述分压电容器(5)的耐压能力为额定电压2-10倍。

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