专利名称：一种有源电力滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种滤波器，尤其涉及一种有源电力滤波器。
背景技术：
近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加(例如电气机车、工业电炉、变频调速的传动装置等的应用)，电力系统谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响可以从两方面入手一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器、有源滤波器以及混合滤波器。无源滤波器(PF: Passive Filter)也称为LC滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史，其设计方法稳定可靠、结构简单，但其滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、电网谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响。与无源滤波器对应的是有源滤波器(Active Power Filter，APF)，它有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。有源滤波器的思想最早出现于1969年B. M. Bird和J. F. Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法，文中所述的方法被认为是最早的有源滤波器思想。1971年日本的H. Msaki和 T. Machida完整描述了有源电力滤波器的基本原理。1976年美国西屋电气公司的L. Gyugyi 和E. C. Mrycula提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了在少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H. Akagi等人提出了 “三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。 有源电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和混合型三大类。 每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因而其工作原理、特性也各不同。串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、 故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。串-并联型有源电力滤波器综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合性问题。其中串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善配电网的稳定性或阻尼振荡的作用；并联有源电力滤波器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用，但其主要缺陷是成本高和控制相当复杂。目前能适用于解决三相四线制配电系统电流谐波问题的有源电力滤波器结构主要有中点引出式。中点引出式有源电力滤波器由两个电容中点引出中线，中线补偿电流要流经上下两个电容，由于中线补偿电流含有大量谐波分量，上下两电容电压也必含有大量谐波分量，电容电压波动较为剧烈，对逆变器的运行性能产生不利影响。为抑制电压波动， 必然要增大电容容量，为补偿中线电流，中点引出式有源电力滤波器的两个电容电压值必然存在差异，上下电容电压必然不平衡，这也导致逆变器性能的下降，为保持电压平衡，必然要采用一定的控制措施，亦必然增加系统硬件成本与系统控制复杂以及降低系统运行安全系数。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型提供一种有源电力滤波器，其旨在解决三相四线制配电系统电流谐波问题。本实用新型是这样实现的，一种有源电力滤波器，其包括主电路以及用于控制所述主电路的控制电路。所述主电路为四桥臂并联式的结构方式并输出八路电流信号与一路直流侧电压信号，所述控制电路包括信号处理电路、对所述一路直流侧电压信号进行信号调理的电压信号调理电路与过压保护的过压保护电路、以及对所述八路电流信号进行信号调理的电流信号调理电路与过流保护的过流保护电路，所述电压信号调理电路、所述电流信号调理电路、所述过压保护电路与所述过流保护电路分别电性连接于所述主电路与所述信号处理电路之间。作为上述方案的进一步改进，所述电压信号调理电路包括电阻(R3al、R3a2、R3a3、 R3a4、R3a5、R3a6、R3a7、Rla)、运算放大器(A3aA)、二极管(Vd3a)、电容(C3a、C3al)，电阻 (R3a5 )的一端连接于所述主电路用于接收所述一路直流侧电压信号，电阻(R3a5 )的另一端经由电阻(R3al)电性接地，电阻(R3a2)的一端连接于电阻(R3al)与电阻(R3a5)之间，电阻 (R3a2)的另一端经由电容(C3al)电性接地，电阻(R3a3)的一端连接于电阻(R3a2)与电容 (C3al)之间，电阻(R3a3)的另一端连接于运算放大器(A3aA)的同相端，运算放大器(A3aA) 的反相端经由电阻(R3a4连接于运算放大器(A3aA的输出端，电阻(R3a6)的一端连接于运算放大器(A3aA)的输出端，电阻(R3a6)的另一端经由电阻(R3a7)接地，电阻(Rla)的一端连接于电阻(R3a6)与电阻(R3a7)之间，电阻(Rla)的另一端经由二极管(Vd3a)分别连接至地与电源，电阻(Rla)的另一端还连接于所述信号处理电路，且电阻(Rla)的另一端还经由电容(C3a)接地。所述二极管(Vd3a)为肖特基势垒二极管。作为上述方案的进一步改进，所述主要电路包括两个断路器(Si、S2)、三个电源侧电压检测器(SVA、SVB、SVC)、三个负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC)、若干电阻(R1A、R1B、 R1C、R2、R3、R4)、四个交流进线电抗组(Li、L2、L3、L4)、四个电流霍尔传感器(FCA、FCB、 FCC、FCN)、继电器(Jl、J2)、电容(C)、电压霍尔传感器(VDC)以及八个功率模块(12)，断路器(Si)的一端与四相(A、B、C、N)中的三相(A、B、C)电性连接，其另一端电性连接于三个电源侧电压检测器(SVA、SVB、SVC)的一端，三个电源侧电压检测器(SVA、SVB、SVC)的另一端电性连接于三个负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC)的一端，三个负载端电流检测器(LCA、 LCB、LCC)的另一端电性连接于非线性负荷，所述非线性负荷还电性连接于另一相(N)，断路器(S2)的一端电性连接在三个电源侧电压检测器(SVA、SVB、SVC)与三个负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC)之间，其另一端电性连接于三个电阻(R1A、RIB、RlC)的一端，继电器 (Jl)的三个常开触点分别并联于三个电阻(1 认、1 18、1 10，三个电阻(1 认、1 18、1 10的另一端电性连接于三个交流进线电抗组(Li、L2、L3)的一端，另一个交流进线电抗组(L4)的一端电性连接在另一相(N)与非线性负荷之间，其另一端电性连接于另一交流进线电抗组 (L4)的一端，四个交流进线电抗组(L1、L2、L3、L4)的另一端电性连接于四个电流霍尔传感器(FCA、FCB、FCC、FCN)的一端，四个电流霍尔传感器(FCA、FCB、FCC、FCN)的另一端电性连接于每两个功率模块(12)之间，每两个功率模块(12)的一端电性连接在一起并电性连接于电阻(R3)的一端，每两个功率模块(12)的另一端亦电性连接在一起并电性连接于电阻 (R4)的一端，电阻(R3)的另一端经由电压霍尔传感器(VDC)连接至电阻(R4)的另一端，电容(C)的两端分别电性连接两个电阻(R3、R4)，继电器(J2)与电阻(R2)串联后一起并联在电容(C)上。作为上述方案的进一步改进，所述控制电路还包括过流保护电路，所述过流保护电路包括电阻(R5a0、R5a 1、R5a2、R5a3、R5a4、R5a5、R5a6、R5a )、运算放大器(A5aA )、二极管 (Vdfe)、电容(C5a、C5al),电阻(Rfel)的一端接收所述主电路的交流侧电流，电阻(Rfel) 的另一端经由电阻电性接地，电阻(RfeO)的一端连接于电阻(Rfel)与电阻之间，电阻(RfeO)的另一端经由电容(Cfel)电性接地，电阻的一端连接于电阻 (RfeO)与电容(Cfel)之间，电阻的另一端连接于运算放大器(A5aA)的同相端，运算放大器(A5aA)的反相端经由电阻连接于运算放大器(A5aA)的输出端，电阻
的一端连接于运算放大器(A5aA)的输出端，电阻的另一端经由电阻接电源， 电阻(Rfe)的一端连接于电阻与电阻之间，电阻(Rfe)的另一端经由二极管(Vd5a)分别连接至地与电源，电阻(R5a)的另一端还连接于所述信号处理电路，且电阻 (R5a)的另一端还经由电容(C5a)接地。所述二极管(Vd5a)为肖特基势垒二极管。作为上述方案的进一步改进，所述控制电路还包括过压保护电路，所述过压保护电路包括电阻(R3a0、R3a71、R3a8、R3a9、R3al0、R3al 1)、比较器(A3aB)、二极管(D3a)、稳压二极管(Vd3al)、电容(C3a2)，电阻(R3a71)的一端接电源，电阻(R3a71)的另一端经由电阻 (R3a9)电性接地，电阻(R3a0)的一端连接于电阻(R3a9)与电阻(R3a71)之间，电阻(R3a0) 的另一端连接于比较器(A3aB)的反相端，比较器(A3aB)的同相端经由电阻(R3a8)连接于所述主电路用于接收所述一路直流侧电压信号，比较器(A3aB)的输出端依次经由二极管 (D3a)、电阻(R3al0)、电阻(R3all)而连接于所述信号处理电路，稳压二极管(Vd3al)的阳极接地，稳压二极管(Vd3al)的阴极连接于电阻(R3al0)电阻(R3all)之间，电容(C3a2)并联于稳压二极管(Vd3al)。与传统的有源电力滤波器相比，本实用新型提供的有源电力滤波器，为四桥臂并联式有源电力滤波器，其有益效果如下(1)具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿的对象有极快的响应；(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节；(3)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。
图1是本实用新型较佳实施方式提供的有源电力滤波器的主电路结构示意图。图2是图1中有源电力滤波器的控制电路模块结构示意图。图3为图2中信号处理电路的电路结构示意图。图4为图2中电流信号调理电路的电路结构示意图。图5为图2中电压信号调理电路的电路结构示意图。图6为图2中过流保护电路的电路结构示意图。图7为图2中过压保护电路的电路结构示意图。图8为图2中驱动电路的电路结构示意图。符号说明
权利要求1.一种有源电力滤波器，其包括主电路以及用于控制所述主电路的控制电路，其特征在于，所述主电路为四桥臂并联式的结构方式并输出八路电流信号与一路直流侧电压信号，所述控制电路包括信号处理电路、对所述一路直流侧电压信号进行信号调理的电压信号调理电路与过压保护的过压保护电路、以及对所述八路电流信号进行信号调理的电流信号调理电路与过流保护的过流保护电路，所述电压信号调理电路、所述电流信号调理电路、 所述过压保护电路与所述过流保护电路分别电性连接于所述主电路与所述信号处理电路之间。
2.如权利要求1所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述主要电路包括两个断路器 (S1、S2 )、三个电源侧电压检测器(SVA、SVB、SVC )、三个负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC )、 若干电阻(R1A、RIB、R1C、R2、R3、R4)、四个交流进线电抗组(Li、L2、L3、L4)、四个电流霍尔传感器(FCA、FCB、FCC、FCN)、继电器(Jl、J2)、电容(C)、电压霍尔传感器(VDC)以及八个功率模块(12)，断路器(Si)的一端与四相(A、B、C、N)中的三相(A、B、C)电性连接，其另一端电性连接于三个电源侧电压检测器(SVA、SVB、SVC)的一端，三个电源侧电压检测器(SVA、 SVB,SVC)的另一端电性连接于三个负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC)的一端，三个负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC)的另一端电性连接于非线性负荷，所述非线性负荷还电性连接于另一相(N)，断路器(S2)的一端电性连接在三个电源侧电压检测器(SVA、SVB、SVC)与三个负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC)之间，其另一端电性连接于三个电阻(R1A、RIB、RlC) 的一端，继电器(Jl)的三个常开触点分别并联于三个电阻(R1A、R1B、R1C)，三个电阻(R1A、 RIB、RlC)的另一端电性连接于三个交流进线电抗组(Li、L2、L3)的一端，另一个交流进线电抗组(L4)的一端电性连接在另一相(N)与非线性负荷之间，其另一端电性连接于另一交流进线电抗组(L4)的一端，四个交流进线电抗组(L1、L2、L3、L4)的另一端电性连接于四个电流霍尔传感器(FCA、FCB、FCC、FCN)的一端，四个电流霍尔传感器(FCA、FCB、FCC、FCN)的另一端电性连接于每两个功率模块(12)之间，每两个功率模块(12)的一端电性连接在一起并电性连接于电阻(R3)的一端，每两个功率模块(12)的另一端亦电性连接在一起并电性连接于电阻(R4 )的一端，电阻(R3 )的另一端经由电压霍尔传感器(VDC )连接至电阻(R4 ) 的另一端，电容(C)的两端分别电性连接两个电阻(R3、R4)，继电器(J2)与电阻(R2)串联后一起并联在电容(C)上。
3.如权利要求2所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述电流信号调理电路包括电阻(R5a5、R5a7、R5a8、R5a9、R5al0、R5all)、比较器(A5aB)、二极管(D5a)、稳压二极管(Vd5al)以及电容(Cfe2)，电阻的一端接电源，电阻的另一端经由电阻 (R5a9)电性接地，电阻的一端连接于电阻与电阻之间，电阻的另一端连接于比较器(A5aB)的反相端，比较器(A5aB)的同相端经由电阻(RfeS)连接于负载端电流检测器(LCA、LCB、LCC)以及电流霍尔传感器(FCA、FCB、FCC、FCN)中的任意一者，比较器(A5aB)的输出端依次经由二极管(Dfe)、电阻(RfelO)、电阻(Rfell)而连接于所述信号处理电路，稳压二极管(Vd5al)的阳极接地，稳压二极管(Vd5al)的阴极连接于电阻 (R5al0)与电阻(Rfell)之间，电容并联于稳压二极管(Vd5al)。
4.如权利要求3所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述电压信号调理电路包括电阻(R3al、R3a2、R3a3、R3a4、R3a5、R3a6、R3a7、Rla)、运算放大器(433々)、二极管(￥(133)、电容(C3a、C3al),电阻(R3a5)的一端连接于所述主电路用于接收所述一路直流侧电压信号，电阻(R3a5 )的另一端经由电阻(R3a 1)电性接地，电阻(R3a2 )的一端连接于电阻(R3a 1)与电阻(R3a5)之间，电阻(R3a2)的另一端经由电容(C3al)电性接地，电阻(R3a3)的一端连接于电阻(R3a2)与电容(C3al)之间，电阻(R3a3)的另一端连接于运算放大器(A3aA)的同相端，运算放大器(A3aA)的反相端经由电阻(R3a4连接于运算放大器(A3aA的输出端，电阻 (R3a6)的一端连接于运算放大器(A3aA)的输出端，电阻(R3a6)的另一端经由电阻(R3a7) 接地，电阻(Rla)的一端连接于电阻(R3a6)与电阻(R3a7)之间，电阻(Rla)的另一端经由二极管(Vd3a)分别连接至地与电源，电阻(Rla)的另一端还连接于所述信号处理电路，且电阻(Rla)的另一端还经由电容(C3a)接地。
5.如权利要求4所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述过流保护电路包括电阻 (R5a0、R5al、R5a2、R5a3、R5a4、R5a5、R5a6、R5a)、运算放大器(A5aA)、二极管(Vd5a)、电容 (C5a、C5al),电阻(Rfel)的一端接收所述主电路的交流侧电流，电阻(Rfel)的另一端经由电阻电性接地，电阻(RfeO)的一端连接于电阻(Rfel)与电阻之间，电阻 (R5a0)的另一端经由电容(Cfel)电性接地，电阻(R5a3)的一端连接于电阻(R5a0)与电容 (C5al)之间，电阻的另一端连接于运算放大器(A5aA)的同相端，运算放大器(A5aA) 的反相端经由电阻连接于运算放大器(A5aA)的输出端，电阻的一端连接于运算放大器(A5aA)的输出端，电阻的另一端经由电阻接电源，电阻(R5a)的一端连接于电阻与电阻之间，电阻(R5a)的另一端经由二极管(Vd5a)分别连接至地与电源，电阻(R5a)的另一端还连接于所述信号处理电路，且电阻(R5a)的另一端还经由电容(C5a)接地。
6.如权利要求5所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述过压保护电路包括电阻(R3a0、R3a71、R3a8、R3a9、R3al0、R3all)、比较器(A3aB)、二极管(D3a)、稳压二极管 (Vd3al)、电容(C3a2)，电阻(R3a71)的一端接电源，电阻(R3a71)的另一端经由电阻(R3a9) 电性接地，电阻(R3a0)的一端连接于电阻(R3a9)与电阻(R3a71)之间，电阻(R3a0)的另一端连接于比较器(A3aB)的反相端，比较器(A3aB)的同相端经由电阻(R3a8)连接于所述主电路用于接收所述一路直流侧电压信号，比较器(A3aB)的输出端依次经由二极管(D3a)、 电阻(R3al0)、电阻(R3all)而连接于所述信号处理电路，稳压二极管(Vd3al)的阳极接地， 稳压二极管(Vd3al)的阴极连接于电阻(R3al0)电阻(R3all)之间，电容(C3a2)并联于稳压二极管(Vd3al)。
7.如权利要求5所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述二极管(Vd3a、Vdfe)为肖特基势垒二极管。
专利摘要本实用新型涉及一种有源电力滤波器，其包括主电路以及用于控制所述主电路的控制电路。所述主电路为四桥臂并联式的结构方式并输出八路电流信号与一路直流侧电压信号，所述控制电路包括信号处理电路、对所述一路直流侧电压信号进行信号调理的电压信号调理电路与过压保护的过压保护电路、以及对所述八路电流信号进行信号调理的电流信号调理电路与过流保护的过流保护电路，所述电压信号调理电路、所述电流信号调理电路、所述过压保护电路与所述过流保护电路分别电性连接于所述主电路与所述信号处理电路之间。所述有源电力滤波器为四桥臂并联式有源电力滤波器，其解决三相四线制配电系统电流谐波问题。
文档编号H02J3/01GK202309079SQ20112045233
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者殷骏 申请人:安徽立卓智能电网科技有限公司