一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统的制作方法

1.本发明涉及高频谐波干扰技术领域，尤其涉及一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统。


背景技术：

2.随着国内外电力电子技术的发展,大量由电力电子开关构成的、具有非线性特性的用电设备，广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域,如电解装置、电气机车、轧制机械、高频炉等,故国内外电网中的谐波污染状况日益严重。大功率场合的特点之一是开关器件不能采用太高的频率。一方面因为器件的开关损耗在大功率情况下比较大，高频下开关损耗无法承受：另一方面大功率下开关损耗在大功率情况下比较大，高频下开关损耗无法承受；另一方面大功率下开关可承受的电压和电流应力有限；再者，大功率开关器件开关速度也比小功率的低很多。
3.美国电力科学研究院epri最近的报告指出,全美因谐波等电能质量损失达几百亿美元。电网中的高次谐波会造成旋转电机和变压器过热,使电力电容器组工作不正常,甚至造成热击穿损坏；对电力系统中的发电机、调相机、继电保护自动装置和电能计量等也有很大危害，严重时会引发设备误动作,造成重大事故；谐波污染对通信、计算机系统、高精度加工机械,检测仪表等用电设备也有严重的干扰。因此,必须采取有效的措施来消除电网中的高次谐波，使其具备防止通道之间的高频二次谐波干扰及防止高压瞬间浪涌冲击的能力。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在无法有效防止通道之间的高频二次谐波干扰及防止高压瞬间浪涌冲击的缺点，而提出的一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统，包括阻滞疏导系统、互补对消系统和模块化多电平结构系统；
7.所述阻滞疏导系统包括电感阻滞模块、电容疏导模块、融合衍生模块、高阶滤波器和pwm整流器；
8.所述电感阻滞模块用于利用电感高频高阻抗的特性，使电感阻滞谐波电流流入系统，所述电容疏导模块用于利用电容高频低阻抗的特性，使电容疏导分流谐波电流，所述融合衍生模块用于将电感阻滞模块和电容疏导模块二者融合形成l、lc、lcl型滤波器和和其他更高阶输入滤波衍生类，所述高阶滤波器用于对l、lc、lcl型滤波进行有效滤除，所述pwm整流器用于控制整流器的交流侧电压，从而控制输入电流，实现四象限运行。
9.优选地，所述lcl滤波器相对于传统的单个电感l具有三阶的滤波特性，其在高频区域的衰减能力优秀，因此在高频谐波的滤除上得到了广泛的引用，它用lcl滤波器替换了网侧的电感l，这样对网侧高频谐波的滤除效果将会得到增强，达到高频谐波治理的目的，
并且l滤波器和lcl滤波器的增益在低频阶段大致相似，即代表了在低频阶段lcl滤波器能够取代传统整流器中l滤波器的效果；在高频阶段，lcl滤波器相较于l滤波器的衰减幅值大于l滤波器，这意味着lcl滤波器在针对高频谐波时会有更好的抑制能力。
10.优选地，所述互补对消系统包括系统控制模块和整流器；
11.所述系统控制模块用于获取和处理不同组整流器的信息，并根据各整流器的动态序号计算各整流器的裁波初相角，随即根据裁波初相角对各整流器进行裁波移相，所述多组整流器用于将方向、大小时刻变化的交流电，变为方向不变而大小在变的单向脉动电。
12.优选地，所述模块化多电平结构系统包括级联模块、上桥臂、下桥臂和子模块；
13.所述级联模块用于提高等效开关的频率，级联的模块数越多阶梯数越多，等效开关的频率就越高，则抗干扰的效果就更好，所述上桥臂和下桥臂均用于通过调节自身电容能量的差值，以此完成对上桥臂和下桥臂各自之间电压的平衡调节，所述子模块用于主电路拓扑结构的连接端口，不需要额外的连接线为电容提供能量，减少了大量独立直流电源，并且通过子模块还可以在零电压和电容电压之间进行切换。
14.优选地，所述上桥臂与下桥臂之间设置有电抗器，所述电抗器用于减小系统的环流，也可被称之为环流抑制电感。
15.优选地，所述pwm整流器还包括以下计算模型：
16.由基尔霍夫定律得vsr三相回路方程为：
[0017][0018]
将上述三式相加得：
[0019][0020]
考虑vsr输入三相系统对称，则：
[0021][0022]
联立上式得：
[0023][0024]
式中：ea、eb、ec为三相输入电压，ia、ib、ic为三相输入电流，l为交流侧电感，r为交流侧电阻，u为pwm整流后的直流母线电压。
[0025]
优选地，所述裁波移相还包括以下计算模型：
[0026][0027]
式中：n为谐波次数，ai为第i个脉冲对应的开关角，e为功率单元直流母线电压；
[0028]
只看基波，n＝1，则：
[0029][0030]
n个h桥串联后，基波分量为：
[0031][0032]
优选地，所述模块化多电平结构系统还包括以下计算模型；
[0033]carm
为一个桥臂所以子模块电容c串联后的容量：
[0034][0035]
那么被切入系统的子模块电容串联容量可以表示为：
[0036][0037]
其中上式中m是指桥臂的编号。
[0038]
相比现有技术，本发明的有益效果为：
[0039]
1、本发明利用电感高频高阻抗和电容高频低阻抗的特性，用电感阻滞谐波电流流入系统，用电容疏导分流谐波电流，二者配合可形成lc、lcl型滤波pwm整流器和其他更高阶输入滤波衍生类，通过高阶滤波器有效滤除高频谐波，为后续直流环节及逆变环节提供稳定的直流电，同时通过控制输入电流正弦化以及与网侧电网电压维持同相位，从而达到网侧谐波含量较小，功率因数高的目的。
[0040]
2、本发明采用不同组整流器载波移相方法，使得载波初相位相差180
°
,输出的电流波形高频分量会错位180
°
而相互抵消，结果是二者输出电流的和便不含高频谐波；并且通过载波三角波依次滞后载波周期的n分之一的相位角，能够有效的消除低次谐波；功率单元串联后的输出电压等于所有功率单元输出电压的叠加，理想情况下，基波输出电压等于其中一个功率单元基波输出电压的n倍，而低次谐波能相互抵消。
[0041]
3、本发明模块化多电平结构来提升等效开关频率，模块化多电平结构不仅秉承了h桥级联结构模块化的优点，通过功率单元的多级串联实现多电平输出，可以灵活的实现不同电压等级输出；同时也解决了h桥级联变换器需配备移相变压器带来的缺点，模块化多电平结构采用公共的直流母线，所有子模块电容都处于悬浮状态，不需要额外的整流输入装置传递能量，所有能量均来自于直流母线，得益于这样的能量传递模式，模块化多电平结构可以方便通过公共的直流母线组成背靠背结构，形成可以四象限运行的能量回馈系统。
[0042]
4、本发明依次通过电感电容阻抗特性，载波移相方法和模块化多电平结构，使得该抗高频二次谐波干扰电路系统，具备防止通道之间的高频二次谐波干扰及防止高压瞬间浪涌冲击，同时具备防短路及接地的能力。
附图说明
[0043]
图1为本发明提出的一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统的框架结构图；
[0044]
图2为本发明提出的一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统的阻滞疏导系统框架结构图；
[0045]
图3为本发明提出的一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统的互补对消系统框架结构图；
[0046]
图4为本发明提出的一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统的互补对消系统流程图；
[0047]
图5为本发明提出的一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统的模块化多电平结构系统框架结构图；
[0048]
图6为本发明提出的一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统的模块化多电平结构电路结构图。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0050]
参照图1-6，一种新结构输出通道抗高频二次谐波干扰电路系统，包括阻滞疏导系统、互补对消系统和模块化多电平结构系统；
[0051]
阻滞疏导系统包括电感阻滞模块、电容疏导模块、融合衍生模块、高阶滤波器和pwm整流器；
[0052]
电感阻滞模块用于利用电感高频高阻抗的特性，使电感阻滞谐波电流流入系统，电容疏导模块用于利用电容高频低阻抗的特性，使电容疏导分流谐波电流，融合衍生模块用于将电感阻滞模块和电容疏导模块二者融合形成l、lc、lcl型滤波器和和其他更高阶输入滤波衍生类，高阶滤波器用于对l、lc、lcl型滤波进行有效滤除，pwm整流器用于控制整流器的交流侧电压，从而控制输入电流，实现四象限运行。
[0053]
其中，lcl滤波器相对于传统的单个电感l具有三阶的滤波特性，其在高频区域的衰减能力优秀，因此在高频谐波的滤除上得到了广泛的引用，它用lcl滤波器替换了网侧的电感l，这样对网侧高频谐波的滤除效果将会得到增强，达到高频谐波治理的目的，并且l滤波器和lcl滤波器的增益在低频阶段大致相似，即代表了在低频阶段lcl滤波器能够取代传统整流器中l滤波器的效果；在高频阶段，lcl滤波器相较于l滤波器的衰减幅值大于l滤波器，这意味着lcl滤波器在针对高频谐波时会有更好的抑制能力。
[0054]
其中，互补对消系统包括系统控制模块和整流器；
[0055]
系统控制模块用于获取和处理不同组整流器的信息，并根据各整流器的动态序号计算各整流器的裁波初相角，随即根据裁波初相角对各整流器进行裁波移相，多组整流器用于将方向、大小时刻变化的交流电，变为方向不变而大小在变的单向脉动电。
[0056]
其中，模块化多电平结构系统包括级联模块、上桥臂、下桥臂和子模块；
[0057]
级联模块用于提高等效开关的频率，级联的模块数越多阶梯数越多，等效开关的频率就越高，则抗干扰的效果就更好，上桥臂和下桥臂均用于通过调节自身电容能量的差值，以此完成对上桥臂和下桥臂各自之间电压的平衡调节，子模块用于主电路拓扑结构的连接端口，不需要额外的连接线为电容提供能量，减少了大量独立直流电源，并且通过子模块还可以在零电压和电容电压之间进行切换。
[0058]
其中，上桥臂与下桥臂之间设置有电抗器，电抗器用于减小系统的环流，也可被称之为环流抑制电感。
[0059]
其中，pwm整流器还包括以下计算模型：
[0060]
由基尔霍夫定律得vsr三相回路方程为：
[0061][0062]
将上述三式相加得：
[0063][0064]
考虑vsr输入三相系统对称，则：
[0065][0066]
联立上式得：
[0067][0068]
式中：ea、eb、ec为三相输入电压，ia、ib、ic为三相输入电流，l为交流侧电感，r为交流侧电阻，u为pwm整流后的直流母线电压；
[0069]
其中，裁波移相还包括以下计算模型：
[0070][0071]
式中：n为谐波次数，ai为第i个脉冲对应的开关角，e为功率单元直流母线电压；
[0072]
只看基波，n＝1，则：
[0073][0074]
n个h桥串联后，基波分量为：
[0075][0076]
其中，模块化多电平结构系统还包括以下计算模型；
[0077]carm
为一个桥臂所以子模块电容c串联后的容量：
[0078][0079]
那么被切入系统的子模块电容串联容量可以表示为：
[0080][0081]
其中上式中m是指桥臂的编号。
[0082]
参照图1-6，本发明中，本发明利用电感高频高阻抗和电容高频低阻抗的特性，用
电感阻滞谐波电流流入系统，用电容疏导分流谐波电流，二者配合可形成lc、lcl型滤波pwm整流器和其他更高阶输入滤波衍生类，通过高阶滤波器有效滤除高频谐波；接着采用不同组整流器载波移相方法，使得载波初相位相差180
°
,输出的电流波形高频分量会错位180
°
而相互抵消，结果是二者输出电流的和便不含高频谐波；然后通过模块化多电平结构来提升等效开关频率，模块化多电平结构不仅秉承了h桥级联结构模块化的优点，通过功率单元的多级串联实现多电平输出，可以灵活的实现不同电压等级输出，同时也解决了h桥级联变换器需配备移相变压器带来的缺点，模块化多电平结构可以方便通过公共的直流母线组成背靠背结构，形成可以四象限运行的能量回馈系统；本发明通过上述方式使得该抗高频二次谐波干扰电路系统，具备防止通道之间的高频二次谐波干扰及防止高压瞬间浪涌冲击，同时具备防短路及接地的能力。
[0083]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。