一种有源电力滤波器的功率单元及其控制方法技术

本发明专利技术公开一种有源电力滤波器的功率单元及其控制方法。功率单元包括H桥逆变电路，与逆变电路直流母线相连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路，所述功率单元还包括一斩波能耗电路，结合有源电力滤波器吸收的少量有功功率实现功率单元直流母线电压的控制。本发明专利技术由于每个功率单元的直流母线二端并联有斩波能耗电路，解决了功率单元直流母线电压控制问题，实现了每个功率单元直流母线电压的独立控制。当有源电力滤波器初次上电时，电网电压会通过预充电电路给功率单元直流环节的电容进行充电，解决了初次上电时的冲击电流问题，使主回路器件选择更加合理，降低成本，同时减少对电网的冲击。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开。功率单元包括H桥逆变电路，与逆变电路直流母线相连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路，所述功率单元还包括一斩波能耗电路，结合有源电力滤波器吸收的少量有功功率实现功率单元直流母线电压的控制。本专利技术由于每个功率单元的直流母线二端并联有斩波能耗电路，解决了功率单元直流母线电压控制问题，实现了每个功率单元直流母线电压的独立控制。当有源电力滤波器初次上电时，电网电压会通过预充电电路给功率单元直流环节的电容进行充电，解决了初次上电时的冲击电流问题，使主回路器件选择更加合理，降低成本，同时减少对电网的冲击。【专利说明】
本专利技术涉及有源电力滤波器的功率单元及其控制方法。
技术介绍
由于各种非线性用电负载，如变频器、整流装置、电弧炉、高压直流输电用变流器 等的增加，电网的谐波污染、功率因数下降、电压不对称、供电中断、电压波动和闪变等问题 越来越关出。 中国机械工业出版社《谐波抑制和无功补偿》（ISBN 7-111-06298-1/TM. 728)第 7章介绍了用于低压供电电网的有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐 波、补偿无功的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行快 速补偿。利用电力电子装置产生对应的谐波电流注入供电电网来抵消非线性负载产生的谐 波电流，从而阻止谐波电流流入电网，避免电网电压畸变。根据需要，有源电力滤波器还能 实现无功补偿功能。低压有源电力滤波器得到了广泛应用，但是由于电力电子器件耐压等 级的限制，低压有源电力滤波器一般只能用于电压等级较低的电网（如380V或以下）。当 电网电压等级较高（如6KV)时，通常采用低压有源电力滤波器加变压器耦合的方式。 美国专利US6075350提出了一种采用多个功率单元串联的有源电力滤波器，如图 1所示。其原理是采用多个功率单元串联的方式实现高压有源电力滤波功能。其功率单元 组成结构如图2所示。可以看出，组成逆变器的功率单元为单相Η桥结构，由4个电力电子 器件（包含反并联续流二极管）和直流环节电容及相关电路组成。 这种源电力滤波器正常工作时，所有功率单元直流母线电压必须控制在一合适的 值。功率单元直流母线电压的控制是这种有源电力滤波器实现的难点。该专利提出的方法 为：取其中某一功率单元直流母线电压作为反馈信号，与给定值比较，构成闭环控制，同时 结合脉冲轮换的方法实现功率单元直流母线电压的控制和平衡。 该专利提出的有源电力滤波器存在的主要问题有： 1.直流母线电压控制方法只将某一特定功率单元的直流母线电压检测后传送至 中央控制系统进行闭环调节，原则上只能实现该特定功率单元直流母线电压的控制。当功 率单元之间特性和工况有差异时，即使采用了脉冲轮换的方法，由于其它功率单元的直流 母线电压没有构成闭环控制，仍会出现其它功率单元的直流母线电压偏离给定值。 2.逆变器的输出端经过滤波器后直接连接到电网，当有源电力滤波器初次上电 时，由于功率单元内部电容充电造成的冲击电流可能导致有源电力滤波器损坏。 3.当逆变器中任何一个功率单元故障时，整个有源电力滤波器就停止工作，不具 有功率单元冗余功能。 中国专利200310115393. 2提出了一种基于链式逆变器的无功发生装置的直流电 压平衡电路，如图3所示。其原理是利用最小电容电压求取器得到所有功率单元直流母线 电压中的最小值，然后将此值作为基准电压，将功率单元的直流母线电压与之进行误差调 节，输出脉宽调制信号，经过放大器后调节功率单元直流母线电压，实现不同功率单元直流 母线电压的平衡。 该专利技术能实现不同功率单元直流母线电压的平衡，但不能将功率单元的直流电压 控制在某一设定值。此外，该专利技术中放电电阻二端没有设置续流二极管，当电阻内寄生电感 较大时，直流母线调节用IGBT关断过程中产生的浪涌电压可能导致IGBT过压损坏。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种克服上述不足、可实现每个功率单元直 流母线电压控制的有源电力滤波器的功率单元及其控制方法。 本专利技术的技术方案是： 一种用于有源电力滤波器的功率单元，包括Η桥逆变电路，与Η桥逆变电路直流母 线连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路，斩波能耗电路；在所述斩波能 耗电路中，放电电阻与电力电子器件串联后并接在所述Η桥逆变电路直流母线两端，电压 检测电路的输入端与所述Η桥逆变电路的直流母线相连，电压设定电路的输出端和电压检 测电路的输出端经过比较后的误差输入到电压控制电路，电压控制电路的输出端连接到驱 动保护电路的输入端，驱动保护电路的输出端连接到电力电子器件的门极。 所述斩波能耗电路还包括与所述放电电阻反并联的续流二极管。 所述电压控制电路为滞环比较器、周期采样控制比较电路或开关电源用集成电路 之中的一种，用于控制功率单元直流母线电压稳定在设定值。 在所述功率单元两输出端之间设有旁路电路。 在所述Η桥逆变电路直流母线两端之间设有依次串联的充放电电路和储能电路。 所述旁路电路包括两个反向并联的可控硅和串接在所述功率单元一输出端与所 述可控硅相连支路上的熔断器。 所述Η桥逆变电路为二电平结构、三电平或多电平结构。 所述功率单元的控制方法，包括如下步骤： 1)谐波补偿电流计算：根据负载电流1L，经过谐波补偿电流计算环节，得到有源 电力滤波器所需要吸收的谐波电流ih ; 2)有功电流的给定：有功电流ip的相位和电网电压Vs同相，其大小根据有源电力 滤波器的容量按比例得到，并保证每个功率单元净有功吸取值和斩波能耗电路的放电功率 平衡； 3)无功补偿电流计算：根据负载电流的无功分量和补偿后需要达到的目标功率 因数，计算出有源电力滤波器需要提供的无功电流iq ; 4)逆变器输入电流的给定值if = ih+ip+iq，检测逆变器实际输入电流1作为反 馈值，经过电流调节和多电平PWM环节得到每个功率单元的触发脉冲，使逆变器输入电流 的实际值跟踪给定值。 所述无功电流iq为零，谐波电流ih不为零，有源电力滤波器只实现谐波抑制功 能。 所述谐波电流ih为零，无功电流iq不为零，有源电力滤波器只实现无功补偿功 能，此时有源电力滤波器相当于静止无功发生器。 有益效果 本专利技术的有益效果在于： 本专利技术由于每个功率单元的直流母线二端并联有斩波能耗电路，解决了功率单元 直流母线电压控制问题，实现了每个功率单元直流母线电压的独立控制。当有源电力滤波 器初次上电时，电网电压会通过预充电电路给功率单元直流环节的电容进行充电，解决了 初次上电时的冲击电流问题，使主回路器件选择更加合理，降低成本，同时减少对电网的冲 击。由于功率单元特性的差异，每个功率单元的直流母线电压在充电过程中不一定相等，个 别功率单元的直流母线电压可能偏高，这时斩波能耗电路就可以工作，确保功率单元的直 流母线电压不会超过设定值，保证功率单元内电容和电力电子器件的安全；此时斩波能耗 电路起到了预充电过程中串联在一起的功率单元之间直流母线电压的动态均衡功能。配备 功率单元旁路电路后，能实现功率单元冗余功能，在功率单元故本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有源电力滤波器的功率单元，包括H桥逆变电路，与H桥逆变电路直流母线连接的直流环节电容以及控制功率单元工作的控制电路，其特征在于：还包括斩波能耗电路，在所述斩波能耗电路中，放电电阻与电力电子器件串联后并接在所述H桥逆变电路直流母线两端，电压检测电路的输入端与所述H桥逆变电路的直流母线相连，电压设定电路的输出端和电压检测电路的输出端经过比较后的误差输入到电压控制电路，电压控制电路的输出端连接到驱动保护电路的输入端，驱动保护电路的输出端连接到电力电子器件的门极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张朝龙，胡绍刚，刘君，李旭阳，陈昱达，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网辽宁省电力有限公司鞍山供电公司，
类型：发明
国别省市：北京;11