基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器及其控制方法

基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器及其控制方法
【专利摘要】基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器及其控制方法，属于中高压大功率场合的电力谐波抑制【技术领域】。本发明为了解决现有并联有源滤波器不能够有效进行谐波结合补偿，使配电网的电能质量差的问题。滤波器包括模块化多电平变换器、电流变换单元、谐波电流检测单元、电流控制器、电容C和电网电抗LS，所述模块化多电平变换器为半桥型拓扑结构，其各相上、下桥臂各包括n个子模块SMn；控制方法采用载波移相调制方法，使相同开关频率条件下等效开关频率高，减小开关损耗；同时采用相间电容均压和环流抑制策略，使各个子模块电容电压和直流母线电压维持稳定。本发明用于电网的谐波抑制。
【专利说明】基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器及其控制方法，属于中高压大功率场合的电力谐波抑制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的迅猛发展，中压配电网络中的非线性负载日益增多，非线性负载装置的增多导致配电网的电能质量变得非常恶劣，使波形产生畸变、无功波动以及不平衡。由此，为了获得可靠的供电质量，这些电能质量问题必须得到有效的治理。
[0003]无源滤波器目前仍然是中压配电网络主要的谐波抑制手段，其自身的缺点决定了它必然会逐渐被基于电力电子技术的滤波装置所取代。
[0004]目前，基于耦合变压器和电压型逆变器相结合的并联有源滤波器也应用于中压配电领域中，由于存在体积大、成本高、损耗高等缺点，使其发展前景并不乐观。另外，耦合变压器和电压型逆变器的磁路饱和与直流磁通还会对控制回路带来不利影响。基于此，多电平变换器(MMC)以其输出谐波含量少及功率器件应力小等优点，具备了广泛的应用前景。
[0005]目前在并联有源滤波器中常见的多电平拓扑结构主要有三种:二极管钳位型、飞跨电容型以及H桥级联型。二极管钳位型和飞跨电容型，随着电平数的增加，所需的开关器件和钳位电容数量大大增加，不利于实现更高电平的变换电路，而且电容电压不易均衡，推广应用受到限制。
[0006]基于H桥级联多电平变换器的配电系统柔性直流输电技术DFACTS在中高压配电系统已经有所应用，这种装置可以直接与电网相连，无需升压变压器，因此在损耗和体积方面占有优势。与二极管钳位型和飞跨电容型相比，基于H桥级联的DFACTS装置损耗更小，可靠性更高。另外，模块化的结构使其易于达到更多电平数，安装和布局也更为方便。然而，当配电网处于畸变和不平衡的情况时，H桥级联的DFACTS装置功能受到限制，当三相输出的电流不均衡时，桥臂间不能传递有功能量，难以实现三相模块间的电容电压平衡。因此，在中压配电系统中，H桥级联的DFACTS装置并不适合进行谐波、无功以及不平衡的综合补
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【发明内容】

[0007]本发明目的是为了解决现有并联有源滤波器不能够有效进行谐波结合补偿，使配电网的电能质量差的问题，提供了一种基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器及其控制方法。
[0008]本发明所述基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器，它包括模块化多电平变换器，所述模块化多电平变换器为半桥型拓扑结构，其各相上、下桥臂各包括η个子模块SMn, η为正整数；它还包括电流变换单元、谐波电流检测单元、电流控制器、电容C和电网电抗Ls，
[0009]电容C连接在模块化多电平变换器直流侧的三相上桥臂公共点+P和三相下桥臂公共点_n之间；
[0010]电网电抗Ls连接在三相交流电网和三相非线性负载之间，模块化多电平变换器的输出端公共点PCC连接在电网电抗Ls和三相非线性负载之间，模块化多电平变换器的控制信号输入端连接电流控制器的控制信号输出端；
[0011]电流变换单元用于对模块化多电平变换器输出端的实际输出电流ih进行采集，并进行三相变两相及dq变换，再输出所述实际输出电流ih的d轴分量id和q轴分量i,，该d轴分量id和q轴分量i,输入到电流控制器中；
[0012]谐波电流检测单元用于采集模块化多电平变换器的输出端公共点电压Vp。。、三相非线性负载的输入电流k和电容C两端的电压Udc,并基于瞬时功率理论计算获得三相非线性负载的各次谐波电流d轴参考值idMf和各次谐波电流q轴参考值i_f，该各次谐波电流d轴参考值idMf和各次谐波电流q轴参考值i_f输入到电流控制器中；
[0013]电流控制器根据所述d轴分量id、q轴分量i,、各次谐波电流d轴参考值idMf和各次谐波电流q轴参考值i_f计算获得对模块化多电平变换器的控制信号。
[0014]所述η个子模块SMn中每个子模块包括两个IBGT管，每个IGBT管各反并联一个二极管，上侧IBGT管的集电极与下侧IBGT管的发射极之间串联一个储能电容，模块化多电平变换器的各相上、下桥臂的η个子模块与相应相的电网电流注入端之间串联交流电抗器Ltl。
[0015]所述三相非线性负载为RL型三相不控六脉波整流桥。
[0016]—种基于模块化 多电平变换器的并联有源滤波器的控制方法，所述控制方法基于权上述基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器实现，
[0017]谐波电流检测单元采集获得的模块化多电平变换器的输出端公共点电压Vpcx经过锁相环PLL进行锁相，获得与三相交流电网电压Vs的々相电压同相位的单位正弦信号，该单位正弦信号与三相非线性负载的输入电流k经三相变两相及dq变换获得三相非线性负载电流的d轴分量idn和三相非线性负载电流的q轴分量iqn，三相非线性负载电流的d轴分量idn和q轴分量iqn再经低通滤波后分别获得三相非线性负载各次谐波电流的d轴分量&和q轴分量I I.亥各次谐波电流的d轴分量&和q轴分量ζη与所述单位正弦信号再经dq反变换及两相变三相的变换后，获得三相非线性负载各次谐波的A相谐波电流iahn、B相谐波电流ibhn和C相谐波电流1-，三相非线性负载各次谐波的A相谐波电流?_、Β相谐波电流Ibhn和C相谐波电流再经三相变两相及dq变换获得三相非线性负载d轴谐波电流和各次谐波电流q轴参考值;三相非线性负载的输入电流L包括三相非线性负载的A相输入电流ka、B相输入电流込和C相输入电流L ；
[0018]电容C的电容电压参考值「/',。与谐波电流检测单元采集获得的电容C两端的电压Udc作差后经PI控制器后生成电流补偿信号iu，该电流补偿信号iu与所述三相非线性负载d轴谐波电流叠加后，获得三相非线性负载各次谐波电流d轴参考值idMf;
[0019]电流控制器将三相非线性负载各次谐波电流d轴参考值idMf与模块化多电平变换器实际输出电流ih的d轴分量id作差后获得第一误差分量e (z)，该第一误差分量e (z)与
重复控制内模& Y +相加的和作为输出信号一，该输出信号方面作为重复控制内模
【权利要求】
1.一种基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器，它包括模块化多电平变换器(1 )，所述模块化多电平变换器(1)为半桥型拓扑结构，其各相上、下桥臂各包括η个子模块SMn，η为正整数；其特征在于，它还包括电流变换单元(2)、谐波电流检测单元(3)、电流控制器(4)、电容C和电网电抗Ls，电容C连接在模块化多电平变换器(1)直流侧的三相上桥臂公共点+p和三相下桥臂公共点-η之间；电网电抗Ls连接在三相交流电网和三相非线性负载之间，模块化多电平变换器(1)的输出端公共点PCC连接在电网电抗Ls和三相非线性负载之间，模块化多电平变换器(1)的控制信号输入端连接电流控制器(4)的控制信号输出端；电流变换单元(2)用于对模块化多电平变换器(1)输出端的实际输出电流ih进行采集，并进行三相变两相及dq变换,再输出所述实际输出电流ih的d轴分量id和q轴分量，该d轴分量id和q轴分量i,输入到电流控制器(4)中；谐波电流检测单元(3)用于采集模块化多电平变换器(1)的输出端公共点电压Vp。。、三相非线性负载的输入电流k和电容C两端的电压Ud。，并基于瞬时功率理论计算获得三相非线性负载的各次谐波电流d轴参考值idMf和各次谐波电流q轴参考值i_f，该各次谐波电流d轴参考值idMf和各次谐波电流q轴参考值i_f输入到电流控制器(4)中；电流控制器(4)根据所述d轴分量id、q轴分量i,、各次谐波电流d轴参考值idMf和各次谐波电流q轴参考值i_f计算获得对模块化多电平变换器(1)的控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器，其特征在于，所述η个子模块SMn中每个子模块包括两个IBGT管，每个IGBT管各反并联一个二极管，上侧IBGT管的集电极与下侧IBGT管的发射极之间串联一个储能电容，模块化多电平变换器(1)的各相上、下桥臂的η个 子模块与相应相的电网电流注入端之间串联交流电抗器L。。
3.根据权利要求1或2所述的基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器，其特征在于，所述三相非线性负载为RL型三相不控六脉波整流桥。
4.一种基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器的控制方法，所述控制方法基于权利要求3所述基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器实现，其特征在于:谐波电流检测单元(3)采集获得的模块化多电平变换器(1)的输出端公共点电压Vp。。经过锁相环PLL进行锁相，获得与三相交流电网电压％的六相电压同相位的单位正弦信号，该单位正弦信号与三相非线性负载的输入电流k经三相变两相及dq变换获得三相非线性负载电流的d轴分量U和三相非线性负载电流的q轴分量iqn，三相非线性负载电流的d轴分量4和q轴分量iqn再经低通滤波后分别获得三相非线性负载各次谐波电流的d轴分量&和q轴分量，该各次谐波电流的d轴分量^和q轴分量ξη与所述单位正弦信号再经dq反变换及两相变三相的变换后，获得三相非线性负载各次谐波的A相谐波电流iahn、B相谐波电流ibhn和C相谐波电流1-，三相非线性负载各次谐波的A相谐波电流?_、Β相谐波电流ibhn和C相谐波电流再经三相变两相及dq变换获得三相非线性负载d轴谐波电流和各次谐波电流q轴参考值1-f ;三相非线性负载的输入电流L包括三相非线性负载的A相输入电流ka、B相输入电流込和C相输入电流L ；电容C的电容电压参考值A与谐波电流检测单元(3)采集获得的电容C两端的电压Udc作差后经PI控制器后生成电流补偿信号iu，该电流补偿信号iu与所述三相非线性负载d轴谐波电流叠加后，获得三相非线性负载各次谐波电流d轴参考值idMf; 电流控制器(4)将三相非线性负载各次谐波电流d轴参考值idMf与模块化多电平变换器(I)实际输出电流ih的d轴分量id作差后获得第一误差分量e (z)，该第一误差分量e (z)与重复控制内模
5.根据权利要求4所述的基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器的控制方法，其特征在于:所述每个子模块SMn的均压和环流抑制信号通过均压与环流抑制单元获得，每个子模块SMn的均压和环流抑制信号包括子模块相间电压的修正量Utof和相应子模块的电压修正量uB#f，其具体获得过程为: 均压与环流抑制单元将每个子模块SMn的储能电容电压参考值Urarf与其所在相桥臂的η个子模块电容电压的平均值uMV作差，经PI调节器得到环流参考值Λ iz，将环流实际值iz与环流参考值△ iz与作差后，经过比例谐振调节器调节获得子模块相间电压的修正量Aref ; 环流实际值iz的表达式为:

6.根据权利要求5所述的基于模块化多电平变换器的并联有源滤波器的控制方法，其特征在于:触发脉冲信号生成单元进行载波移相调制与载波比较，获得模块化多电平变换器(I)中每个子模块SMn的IGBT开关信号的具体过程为: 将模块化多电平变换器(I)每一相的上桥臂电压Up或下桥臂电压Un与子模块相间电压的修正量Utof和相应子模块的电压修正量uBjMf相叠加，获得指令生成信号Vjl: 上桥臂电压Up和下桥臂电压Un的表达式为:

【文档编号】H02J3/01GK103683288SQ201310680140
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】武健, 刘瑜超, 徐殿国, 徐修林, 冯宇哲 申请人:哈尔滨工业大学