一种单相通用有源电力滤波器的制作方法

本实用新型属于有源滤波技术领域，涉及一种单相通用有源电力滤波器。

背景技术：

诸多研究致力于将电网电能的质量保持在可接受的范围内，并且已经开发出诸如有源功率滤波器(apf)类的设备，以减轻功率损耗并提高系统效率；apf分为并联和串联，其中并联apf与负载并联连接，串联apf通过变压器串联到系统；并联式apf可以补偿由于非线性负载引起的无功功率和电流谐波，而串联apf可以补偿单相交流电网中的电压骤降/骤升和电压谐波；

在此基础上又出现了通用有源功率滤波器(uapf)，其兼具串联和并联apf的特性；可对不同性质负载下的电压和电流谐波，无功功率以及电压骤降/骤升进行有效补偿；将h桥转换器添加到系统中以获得多级拓扑，但现阶段提出的拓扑结构，会增加开关数量和变压器的数量，从而导致平均开关频率及损耗剧增，对单相电网的电流(thd)和电压(wthd)补偿效果较差。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题在于提供一种具有较低的平均开关频率和开关损耗、可有效减低电网thd和wthd的单相通用有源电力滤波器。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种单相通用有源电力滤波器，包括通过变压器与单相交流电网一极相连接的ac-dc-ac变换器，ac-dc-ac变换器通过无源滤波器与单相交流电网另一极相连接，单相交流电网上的负载连接在无源滤波器上；

ac-dc-ac变换器包括分别由两个绝缘栅双极型晶体管串联连接的桥臂a、桥臂b、桥臂c和桥臂h；桥臂a、桥臂b、桥臂c和桥臂h的发射极和集电极分别并联连接；桥臂a中点与变压器的一次侧相连接，桥臂b中点和桥臂c中点分别与变压器的二次侧相连接，桥臂b中点和桥臂c中点为异名端连接；桥臂a的两端还并联连接有直流链路电容器；桥臂b中点还与无源滤波器的一端相连接，单相交流电网另一极还与无源滤波器的另一端相连接。

进一步的，无源滤波器包括串联连接的滤波电感lh和电容ch，负载与电容ch并联连接。

进一步的，变压器一次侧和二次侧的同名端方向相反。

进一步的，桥臂a中点与桥臂c中点为同名端连接。

进一步的，负载包含线性负载和非线性负载，其中非线性负载包括感性负载和容性负载。

进一步的，变压器的一次侧和二次侧的匝数比为1:2。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的一种单相通用有源电力滤波器，其通过桥臂a、桥臂b、桥臂c和桥臂h组成4l-b拓扑结构，桥臂a、桥臂b和桥臂c通过变压器与单相交流电网的一极相连接；其中，桥臂a串联在变压器一次侧的供电回路中，桥臂b和桥臂c与变压器二次侧并联；桥臂h与单相交流电网另一极相连接；再经无源滤波器对负载供电；桥臂b和桥臂c与变压器二次侧并联，a相桥臂串接在供电回路中，实现串联apf的功能，用于补偿谐波电压，可在电压骤升/骤降情况下安全、稳定运行；而桥臂h和桥臂b通过与负载的并联关系实现并联apf的功能，用于向电网侧注入一个大小相同，方向相反的谐波电流对负载的电压、电流谐波、无功功率以及电压骤降/骤升进行有效补偿，达到抑制网侧谐波电流的效果，大大减小电流thd同时也可补偿无功功率；与传统单相通用有源功率滤波器相比，该单相通用有源电力滤波器在拓扑上组件数量少，具有较低的平均开关频率和开关损耗、可有效减低电网thd和wthd，实现变换器的高效率工作。

附图说明

图1为本实用新型的单相通用有源电力滤波器电路图；

图2为本实用新型的单相通用有源电力滤波器简化等效电路图；

图3为本实用新型的单相通用有源电力滤波器仅一次侧工作时的电路通路图；

图4为本实用新型的单相通用有源电力滤波器变压器一次侧和二次侧正常工作时的电路通路图；

图5为本实用新型的单相通用有源电力滤波器变压器一次侧和二次侧正常工作时的电路通路图；

图6为电网电压方向发生改变时本实用新型的单相通用有源电力滤波器变压器一次侧和二次侧正常工作时的电路通路图；

图7为本实用新型的单相通用有源电力滤波器以50％电压骤升运行条件下的仿真波形图；

图8为本实用新型的单相通用有源电力滤波器在容性负载条件下的仿真波形图。

其中，1-单相交流电网，2-电网阻抗，3-变压器，4-直流链路电容，5-ac-dc-ac变换器，6-无源滤波器，7-负载。

具体实施方式

下面给出具体的实施例。

如图1所示，包括变压器3一次侧和二次侧的同名端方向相反的变压器3，变压器3的一次侧和二次侧的匝数比为1:2。通过变压器3与单相交流电网1一极相连接的ac-dc-ac变换器5，ac-dc-ac变换器5通过无源滤波器6与单相交流电网1另一极相连接，负载7与无源滤波器6并联连接；其中，单相交流电网1电压100v；无源滤波器6包括串联连接的滤波电感lh和电容ch，两者的参数值分别为1ω和3mh；负载7与电容ch并联连接；负载7包含线性负载7和非线性负载7，其中非线性负载7包括感性负载7和容性负载7；由于单相交流电网1在向变压器3输送电流的过程中还存在电网阻抗2，电网阻抗2包含电阻rg和电感lg；电网阻抗2等效设置在单相交流电网中变压器3的一次侧；

ac-dc-ac变换器5包括串联连接的绝缘栅双极型晶体管sa与组成的桥臂a、sb与组成的桥臂b、sc与组成的桥臂c、sh与组成的桥臂h；sa的集电极与的发射极相连接、sb的集电极与sb的发射极相连接、sc的集电极与的发射极相连接、sh的集电极与的发射极相连接；桥臂a、桥臂b、桥臂c和桥臂h的发射极和集电极分别并联连接；即sc、sa、sh、sb的发射极并联连接，和的集电极并联连接；桥臂a中点与变压器3的一次侧相连接，桥臂b中点和桥臂c中点分别与变压器3的二次侧相连接，桥臂b中点和桥臂c中点为异名端连接，桥臂a中点与桥臂c中点为同名端连接；桥臂a的两端还并联连接有直流链路电容4器；桥臂b中点还与无源滤波器6的一端相连接，单相交流电网1另一极还与无源滤波器6的另一端相连接。b相桥臂中点与无源滤波器6相连为负载7供电；

所述单相通用有源电力滤波器主要元件的参数如表1所示表1单相通用有源电力滤波器系统参数

本实用新型的工作原理如下：

如图2所示，本实用新型的单相通用有源电力滤波器简化等效电路图，则系统方程为：

vs＝(rg+lgp)ig+vg

其中p＝d/dt，vs是电网侧电压，vl是负载7电压，ig是电网电流，il表示负载7电流，ih表示桥臂h上的电流。网侧电压vg为：

vg＝n(vb0-vc0)+va0-vh0

其中，n是变压器3匝数比。转换器极电压为：

其中，vc是直流链路电压；k＝a，b，c，h；开关状态sk与互补，即sk＝1时，sk＝0，根据sk的取值极电压为：

sk＝1，vk0＝vc/2；

sk＝0，vk0＝-vc/2。

如图3所示为本实用新型的单相通用有源电力滤波器工作模式图：

如图3所示，变压器3仅一次侧工作，二次侧未发生耦合时该通用有源电力滤波器的电路导通图，由图3可知，单相交流电网1经由a、b相桥臂组成的整流变换器再经无源滤波相负载7rl供电，其中开关管sb导通，sa和的并接二极管可提供开关关断时电流的续流通路。

如图4所示，变压器3一次侧和二次侧正常工作时的电路通路图，单相交流电网1上正下负，a点电位为“+”，由变压器3的耦合作用使得c、b点的电位分别为“+”和“-”，因此完整的通路为与变压器3仅一次侧工作所述相似，一次侧的回路也可以和的续流二极管作用形成回路；如图5所示，在此工作模式下，c、b相桥臂与变压器3二次侧并联，a相桥臂串接在供电回路中，实现串联apf的功能，用于补偿谐波电压，可在电压骤升/骤降情况下安全、稳定运行；而h、b相桥臂通过与负载7的并联关系实现并联apf的功能，通过向电网侧注入一个大小相同，方向相反的谐波电流对其进行补偿，达到抑制网侧谐波电流的效果，大大减小电流thd同时也可补偿无功功率，

如图6所示，当电网电位上“-”下“+”时且变压器3工作时电路的原理图，a点电位为“-”，由变压器3的耦合作用使得c、b点的电位分别为“-”和“+”，因此完整的通路为可实现通用的有源滤波功能。

表2与表3是本实用新型的单相通用有源电力滤波器与传统拓扑结构之间thd与wthd的比较结果。

表2传统拓扑和本申请的thd比较

表3传统拓扑和本申请的wthd比较

由表2和表3可以得出，在il相同时，本申请的thd值为传统拓扑的thd值的38.7％；在vl相同时，本申请的wthd值小于传统拓扑的wthd值的38％；本申请可有效减低单相电网的thd和wthd。

如图7和8所示为本实用新型的单相通用有源电力滤波器matilab/simlink仿真波形图，图7(a)表示vs与ig同相，从而补偿无功功率。从图7(b)看出vc被控制在108v；图7(c)包含电网电流和负载7电流，可以在其中观察到谐波补偿。图7(d)示出了具有七个电平的vg和具有三个不同电平的vl对称地间隔开。

图8显示了本实用新型的单相通用有源电力滤波器在电容负载7条件下运行的仿真结果。图8(a)示出vs与ig同相，并且vs由于电容性负载7而相对于il延迟。图8(b)示出了vc被控制在108v。图8(c)和8(d)分别示出具有七个和三个电平的网侧电压vg和vl。