一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构及方法技术

本发明专利技术涉及一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构及方法，包括主控制器、链式多电平逆变器和与电网连接的电抗器；所述链式多电平逆变器主要由多个级联的链节单元组成；通过每个链节单元的故障检测电路对链节单元中单相全桥逆变器开关器件的状态进行实时检测，并对其故障类型进行分类判断，充分利用该故障开关器件所在的链节单元中非故障开关器件的控制来达到旁路该故障链节单元的目的。保证该有源电力滤波器工作正常，性能稳定、可靠，利用率高，解决了必须退出运行并排除故障后方才投入使用的问题，且无需额外附加旁路器件，减少额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少于采用接触器和可控硅完成旁路功能所用时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统动态无功补偿和谐波治理
，涉及。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，各种非线性电力电子装置在电力系统、工业(特别是冶金、钢铁、化工等)、交通、楼宇自动化及家庭中获得了广泛的应用，并且其装置容量不断增大和控制方式多样化等，使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，电网中的谐波污染状况日益严重。对于电网中的无功功率补偿和谐波抑制，国内外采用较多的是无源电力滤波器(passive power filter, PPF),其结构简单、成本低、对于特定次谐波有良好的滤波效果。如冶金和钢铁等行业供电电网上，一般均安装PPF，容量从几MVA到几十MVA，它们对改善电网质量发挥了一定作用，但是其滤波效果受电网阻抗和自身参数影响较大，且宜与电网阻抗发生串并联谐振，容易引起事故，比如电容器烧毁，过电压、过电流引起主开关频繁跳闸，严重影响供电安全。为了克服PPF的不足,有源电力滤波器(active power filter,APF)是目前研究和应用的热点。与PPF相比，APF具有以下优点和特点 1.具有多种补偿功能，不仅能够补偿各次谐波，还可以动态补偿无功功率和负序电流等; 2.滤波性能不受电网阻抗的影响，不会与电网阻抗发生串并联谐振； 3.谐波补偿特性不受电网频率变化的影响； 4.实现了谐波动态抑制，能够快速响应谐波的频率和大小发生的变化； 5.由于装置本身的输出能力有限，即使系统谐波含量增大也不会出现过载现象； 6.具有良好的性价比，一台APF可以完成多次谐波治理； 7.可以对一个谐波源单独治理，也可以同时对多个谐波源进行集中治理。正因为APF具有很多优点和特点，越来越被用户接受和采用。由于受目前电力电子开关器件的限制，APF常用于低压供电系统谐波治理场合。对于中、高压大容量谐波治理场合，APF主电路一般需要采用开关器件的串、并联，多重化和多电平技术。采用开关器件的串、并联需要解决器件的动态均压、均流问题；多重化技术中采用的变压器具有饱和性和非线性，带来控制复杂、保护困难等问题；采用多电平技术是提高APF容量的一个重要的研究方向。1996 年，F. Z. Peng,和 J. S. Lai 等人在“A Multilevel voltage-sourceinverter with separate DC source for Static Var Generation (IEEE Transactionson Industry Applications, 1996, 32 (5) : 1130-1138)” 文中提出了链式多电平逆变器的拓补结构，将这种拓扑结构应用于APF中，构成链式有源电力滤波器可以显著提高APF装置的容量和耐压等级，可不通过升压变压器用于中高压大容量非线性负载的谐波补偿，具有广阔的应用前景。链式APF的主电路是链式多电平逆变器，每一相都是一个独立的链，由结构完全相同的多个链节单元级联组成，每个链节单元是一个可输出三电平的单相全桥逆变器及其控制单元组成。随着链节单元级联数目的增加，装置的容量和耐压等级也相应增加。然而大量的使用开关器件必然会增加故障发生的概率，这就有必要增加冗余链节单元，当少于或者等于冗余个数链节单元故障时，故障链节单元能被旁路，装置在故障链节单元旁路后继续运行，提高装置的利用率和可靠性。因此每个链节单元有必要设计简单、经济、可靠的芳路结构。中国专利201010624231.1和中国专利201020700497. 5提供一种采用机械开关的链式STATC0M链节单元旁路结构，选用特殊设计的机械开关作为链节单元的旁路结构，该电路结构简单，选用原件数量小，安装操作方便。中国专利201010261610. 9提供了一种采用接触器作为变频器链节单元的旁路结构。中国专利200520050490. 2、中国专利200810113842. 2、中国专利200810113844.1均采用可控硅作为链节单元的旁路结构。以上旁路结构均采用增加功率器件来完成链节单元旁路，这样增加了额外的成本和体积；同时采用接触器或者可控硅作为旁路的执行器件，完成旁路功能需要的时间较长。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种在任何一个开关器件出现故障时均可对链节单元进行旁路控制，性能稳定、可靠，利用率高，且可减少额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构及基于该旁路控制结构的控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案 一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，包括主控制器、一用于产生补偿电压并可对其链节单元旁路控制的链式多电平逆变器和一用于产生补偿电流的并与电网连接的电抗器；所述链式多电平逆变器主要由两个以上的级联的链节单元组成；每个所述链节单元均包含单元控制器、故障检测电路、单相全桥逆变器、DC/DC电源和直流耦合电路，所述单元控制器与所述主控制器、故障检测电路和单相全桥逆变器连接，所述直流耦合电路的输入端与其所在的链节单元的直流电压两端和邻近的链节单元的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源的输入端与所述直流耦合电路的输出端电连接，所述DC/DC电源的输出端与所述单元控制器电连接，供给各组成部件的工作电源。进一步地，所述单相全桥逆变器主要由四个开关器件SI S4、四个二极管Dl D4和一个电容C组成，所述开关器件SI和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的所述开关器件SI和开关器件S2与串联连接的所述开关器件S3和开关器件S4并联连接，并且四个所述开关器件SI S4与四个所述二极管Dl D4依次一对一地反并联连接；其中所述开关器件SI的集电极与二极管Dl的阴极相连接的一端为P端，所述开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，所述开关器件SI和开关器件S2及其反并联的二极管Dl和二极管D2串联电路的中点为U端，所述开关器件S3和开关器件S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与所述电容C的正端和负端相连接，同时所述P端和M端还与所述U端和V端一并与所述故障检测电路相连接。进一步地，所述故障检测电路包括有四组电路结构相同的第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元，每组所述检测单元均主要由一个光电隔离模块、四个二极管D5 D8、四个电阻Rl R4和两个电容Cl和C2组成，所述二极管D5、二极管D6、电阻Rl和电阻R3依次导通连接在所述光电隔离模块的其中一个输入端上，所述光电隔离模块的另一个输入端上导通连接有所述二极管D8，所述电阻R2、二极管D7和电容Cl的两端均分别与所述光电隔离模块的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且所述电阻R2和二极管D7的一端连接在所述电阻Rl和电阻R3之间，所述电容Cl的一端连接在所述电阻R3和所述光电隔离模块的输入端之间，所述光电隔离模块的其中一个输出端导通连接有所述电阻R4，另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与所述光电隔离模块的两个输出端导通连接；其中所述第一检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的P端和U端导通连接，所述第二检测单元的输入端与所述单相全桥逆变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于，包括主控制器（1）、一用于产生补偿电压并可对其链节单元旁路控制的链式多电平逆变器（2）和一用于产生补偿电流的并与外界电网连接的电抗器（3）；所述链式多电平逆变器（2）主要由两个以上的级联的链节单元（21）组成；每个所述链节单元（21）均包含单元控制器（211）、故障检测电路（212）、单相全桥逆变器（213）、DC/DC电源（214）和直流耦合电路（215），所述单元控制器（211）与所述主控制器（1）、故障检测电路（212）和单相全桥逆变器（213）连接，所述直流耦合电路（215）的输入端与其所在的链节单元（21）的直流电压两端和邻近的链节单元（21）的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源（214）的输入端与所述直流耦合电路（215）的输出端电连接，所述DC/DC电源（214）的输出端与所述单元控制器（211）电连接，供给各组成部件的工作电源。

【技术特征摘要】
1.一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于，包括主控制器(I)、 一用于产生补偿电压并可对其链节单元旁路控制的链式多电平逆变器(2 )和一用于产生补偿电流的并与外界电网连接的电抗器(3);所述链式多电平逆变器(2)主要由两个以上的级联的链节单元(21)组成；每个所述链节单元(21)均包含单元控制器(211)、故障检测电路(212)、单相全桥逆变器(213)、DC/DC电源(214)和直流耦合电路(215)，所述单元控制器 (211)与所述主控制器(I)、故障检测电路(212)和单相全桥逆变器(213)连接，所述直流耦合电路(215)的输入端与其所在的链节单元(21)的直流电压两端和邻近的链节单元(21) 的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源(214)的输入端与所述直流耦合电路(215)的输出端电连接，所述DC/DC电源(214)的输出端与所述单元控制器(211)电连接，供给各组成部件的工作电源。2.根据权利要求1所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于， 所述单相全桥逆变器(213)主要由四个开关器件SI S4、四个二极管Dl D4和一个电容 C组成，所述开关器件SI和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的所述开关器件SI和开关器件S2与串联连接的所述开关器件S3和开关器件S4 并联连接，并且四个所述开关器件SI S4与四个所述二极管Dl D4依次一对一地反并联连接；其中所述开关器件SI的集电极与二极管Dl的阴极相连接的一端为P端，所述开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，所述开关器件SI和开关器件S2 及其反并联的二极管Dl和二极管D2串联电路的中点为U端，所述开关器件S3和开关器件 S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与所述电容C的正端和负端相连接，同时所述P端和M端还与所述U端和V端一并与所述故障检测电路(212)相连接。3.根据权利要求2所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于， 所述故障检测电路(212)包括有四组电路结构相同的第一检测单元(2121)、第二检测单元 (2122)、第三检测单元(2123)和第四检测单元(2124)，每组所述检测单元(2121 2124)均主要由一个光电隔离模块(2125)、四个二极管D5 D8、四个电阻Rl R4和两个电容Cl和 C2组成，所述二极管D5、二极管D6、电阻Rl和电阻R3依次导通连接在所述光电隔离模块 (2125)的其中一个输入端上，所述光电隔离模块(2125)的另一个输入端上导通连接有所述二极管D8，所述电阻R2、二极管D7和电容Cl的两端均分别与所述光电隔离模块(2125)的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且所述电阻R2和二极管D7的一端连接在所述电阻Rl 和电阻R3之间，所述电容Cl的一端连接在所述电阻R3和所述光电隔离模块(2125)的输入端之间，所述光电隔离模块(2125)的其中一个输出端导通连接有所述电阻R4，另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与所述光电隔离模块(2125)的两个输出端导通连接；其中所述第一检测单元(2121)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的P端和 U端导通连接，所述第二检测单元(2122)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的U端和 M端导通连接，所述第三检测单元(2123)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的P端和 V端导通连接，所述第四检测单元(2124)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的V端...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈峻岭，黄明星，余怀林，黄超宪，苏春苑，李杰，韦延清，汤国栋，
申请(专利权)人：珠海万力达电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：