CN100399666C - 三相三线式有源式电力滤波器 - Google Patents

Abstract

一种三相三线式有源式电力滤波器，该有源式电力滤波器包含一直流储能电容器、一电能转换器、一滤波电感器组、一无功补偿电容器组、一滤波电容器电阻器组。该直流储能电容器提供一稳定直流电压。该电能转换器包含一双臂桥式电力电子开关元件组并具有二交流端及二直流端，该三相三线式有源电力滤波器的一相可未经电力电子开关元件组的控制而直接连接到该电能转换器的任一直流端，因此可减少电力电子开关元件的使用数量，并降低其制造成本。

Description

三相三线式有源式电力滤波器

技术领域

本发明关于一种三相三线式有源式电力滤波器，其特别有关应用于滤除三相三线式电源系统谐波电流的有源式电力滤波器。

背景技术

近年来由于半导体技术突飞猛进，因而发展出许多电力电子开关元件，这些电力电子开关元件具有良好的可控性、耐高压及耐大电流的特性。目前这些元件广泛的应用在电力设备中，如马达驱动器、电弧炉、电车、充电器及照明器具等。由于这些电力电子设备的非线性输入特性因此产生大量谐波电流，该谐波电流导致一些严重的电源系统问题，如变压器过热现象、旋转电机的扰动、电压失真、破坏电力元件及机器故障等。

为了有效限制谐波污染问题，许多国际研究机构指定谐波管制标准，如IEEE 519-1992、IEC 1000-3-5及IEC 1000-3-4等。至于台湾的台电公司亦制定“电力系统谐波管制暂行标准”，所以解决谐波问题已成为目前电源系统的重要课题。

传统上解决谐波问题的方法采用无源式电力滤波器，该无源式电力滤波器由电感器及交流电容器组成，然而无源式电力滤波器会造成谐振问题，且会引起邻近谐波电流注入问题，而造成无源式电力滤波器的破坏。另外，其滤波特性易受系统电抗影响，而难以获得良好的滤波效果。近年来由于电力电子技术的发展，仍有采用有源式电力滤波器来解决谐波问题的方法，如美国专利US 6,472,775、US 5,977,660及US 5,321,598等。

请参照图1所示，其揭示习用有源式电力滤波器的电路示意图。该电源1供应三相电力至负载3，该有源式电力滤波器4与该负载3并联。该有源式电力滤波器4包含一直流储能电容器40、一电能转换器41及一滤波元件42。利用该电能转换器41切换直流储能电容器40上的电压经滤波元件产生一补偿电流注入电力馈线，电能转换器41为一三臂式桥式架构的电力电子开关元件组，而滤波元件可为一电感器或一电感器与电容器组用以滤除该电力开关元件切换所造成的高频纹波电流。虽然该有源式电力滤波器具有良好的滤波特性，但是该有源式电力滤波器4的电能转换器41容量必须不小于负载谐波电流与电源电压的乘积，因此该有源式电力滤波器4的电能转换器41的容量很大，造成其价格昂贵而限制其实用性。

为了解决有源式电力滤波器的需较大的电能转换器容量所造成的价格昂贵问题，因此发展结合无源元件及电能转换器的混合式电力滤波器架构，该无源元件用以降低该电能转换器的容量，如美国专利US5,567,994、US5,731,965及US6,717,465等。然而这些专利应用在三相三线式其采用的电能转换器架构均为三臂型桥式架构的电力电子开关元件组，每一臂含有两个电力电子开关元件，总共使用到六个电力电子开关元件，若能减少电力电子开关元件的使用则可减少滤波器的成本，以增加其竞争力。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明提出一种三相三线式有源式电力滤波器，该有源式电力滤波器结合一无功补偿电容器及一电能转换器，该电能转换器只包含一双臂型桥式电力电子开关元件组，该三相三线式有源电力滤波器的一相未经电力电子开关元件组的控制而直接连接到该电能转换器的任一直流端，因此本发明可减少电力电子开关元件的使用数量并降低其制造成本。

本发明主要目的是提供一种三相三线式有源式电力滤波器，该装置包含一直流储能电容器、一电能转换器、一滤波电感器组、一无功补偿电容器组、一滤波电容器电阻器组。该直流储能电容器提供一稳定直流电压。该电能转换器包含一双臂桥式电力电子开关元件组，该电能转换器包含二交流端及二直流端，该电能转换器的直流端连接至该直流储能电容器。该滤波电感器组及无功补偿电容器组分别具有三个电感器及三个交流电容器相互对应串联用以滤除切换纹波及作为无功补偿，其中两个电感器及交流电容器的串联组合连接于三相三线式电源的任两相电力馈线及该电能转换器的两个交流端之间，另一个电感器及交流电容器的串联组合则连接于三相三线式电源的另一相电力馈线及该电能转换器的任一直流端之间。因此本发明可达到减少电力电子开关元件的使用数量的目的，并降低其制造成本。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种三相三线式有源式电力滤波器，包含：

一个直流储能电容器，其用以提供一个稳定直流电压；

一个电能转换器，其由一个双臂桥式电力电子开关元件组组成，该电能转换器包含二个交流端及二个直流端，该电能转换器的两个直流端连接至该直流储能电容器；

一个滤波电感器组，连接至该电能转换器，该滤波电感器组用以滤除该电能转换器的切换纹波电流；

一个无功补偿电容器组，该无功补偿电容器组与该滤波电感器组串联组合，该无功补偿电容器组作为该电力滤波器的无功产生元件；

一个滤波电容器电阻器组，其与该滤波电感器组及无功补偿电容器组的串联组合均与交流电源馈线相联；该滤波电容器电阻器组配合该滤波电感器组，滤除该电能转换器产生的谐波；及

一个控制电路，其用以产生该电能转换器的电力电子开关元件组的切换信号，以便该电能转换器产生一个补偿电流注入至该交流电源馈线，以便滤除负载产生的谐波电流，使电源的电流趋近于正弦波。

附图说明

图1为现有的有源式电力滤波器的电路示意图。

图2为本发明第一较佳实施例三相三线式有源式电力滤波器的电路示意图。

图3为本发明第二较佳实施例三相三线式有源式电力滤波器的电路示意图。

图4为本发明三相三线式有源式电力滤波器的控制电路的方块图。

符号说明

1   电源               2    有源式电力滤波器

20  直流储能电容器     21   电能转换器

22  滤波电感器组       23   无功补偿电容器组

24  滤波电容器电阻器组 200  第一带阻滤波器

201 PID控制器          202  第二带阻滤波器

203 第一带通滤波器     204  第一放大器

205 第二带通滤波器     206  减法器

207 第二放大器         208  低通滤波器

209 设定电压           210  减法器

211 控制器             212  乘法器

213 加法器             214  脉宽调制器

3   负载

具体实施方式

请参照图2所示，其揭示本发明第一较佳实施例三相三线式有源式电力滤波器2的电路示意图。该三相三线式有源式电力滤波器2包含一直流储能电容器20、一电能转换器21，一滤波电感器组22，一无功补偿电容器组23及一滤波电容器电阻器组24。电源1经由三条电力馈线供给三相三线式电力至负载3。

该电源1提供一三相三线电力给负载3使用，该三相三线式有源式电力滤波器2并联于该负载3，以便滤除该负载3所产生的谐波电流，并提供一无功电流。该直流储能电容器20提供一稳定直流电压。该电能转换器21包含一双臂桥式电力电子开关元件组，该双臂桥式电力电子开关元件组的每一臂包含二电力电子开关元件，每一个电力电子开关元件由一功率晶体与一二极管组成。此外，该双臂桥式电力电子开关元件组包含二直流端及二交流端。每一臂桥式架构中于两个电力电子开关元件连接处形成交流端，该桥式架构另外两端为直流端。该电能转换器21的直流端连接至该直流储能电容器20。该滤波电感器组22及无功补偿电容器组23分别具有三个电感器及三个交流电容器相互对应串联用以滤除切换纹波及作为无功补偿，其中两个电感器及交流电容器的串联组合连接于三相三线式电源1的任两相电力馈线及该电能转换器21的两个交流端之间另一个电感器及交流电容器的串联组合则连接于三相三线式电源1的另一相电力馈线及该电能转换器21的直流端的负端之间。该滤波电容器电阻器组24则并联连接于三相三线式电源1的三相电力馈线用以进一步滤除切换纹波。

请再参照图2所示，由于该三相三线式有源式电力滤波器2的每一相均包含该无功补偿电容器组23的一个交流电容器，而该交流电容器可有效阻隔直流电压。因此，当该电能转换器21应用于三相三线式电源1时，仅需设置两臂桥式电力电子开关元件组，由该电能转换器21的两臂桥式电力电子开关元件组的切换可控制该两相的补偿电流。由于三相三线系统的三相电流和为零，因此若控制连接至该电能转换器21的两臂桥式电力电子开关元件组的两交流端的两相电流，而获得正确的补偿电流时，则该三相三线式有源式电力滤波器2的第三相亦能获得正确的补偿电流。该三相补偿电流注入三相电力馈线后，使得该电源1所提供的三相电流均趋于正弦波。

请参照图3所示，其揭示本发明第二较佳实施例三相三线式有源式电力滤波器2的电路示意图。相较于图2所示第一较佳实施例三相三线式有源式电力滤波器2，第二较佳实施例三相三线式有源式电力滤波器2仅有该滤波电感器组22及无功补偿电容器组23的连接方式不同，由于串联于该电能转换器21的该无功补偿电容器组23可阻隔正值及负值的直流电压，因此该滤波电感器组22及无功补偿电容器组23中两个电感器及交流电容器的串联组合连接于三相三线式电源1的任两相电力馈线及该电能转换器21的两个交流端之间，另一个电感器及交流电容器的串联组合亦可连接于三相三线式电源1的另一相电力馈线及该电能转换器21的直流端正端之间。

请再参照图1至图3所示，本发明第一及二较佳实施例三相三线式有源式电力滤波器2较现有有源式电力滤波器4具有构造简单及降低制造成本的功效。

本发明三相三线式有源式电力滤波器2的第一较佳实施例及第二实施例中其控制器可选用现有的电压控制式及电流控制式的控制方法来达到滤除三相三线式电源系统谐波电流的功能，本发明中特举出一采用电压控制式的控制器来加以说明，然而本发明所举的电压控制式的控制器并非用以限定本发明三相三线式有源式电力滤波器2的控制器，请参照图4所示，其揭示本发明三相三线式有源式电力滤波器2的控制电路方块图。该有源式电力滤波器2的控制电路主要包含四个回路，其为负载谐波补偿回路、电源谐波抑制回路、电能转换器谐波抑制回路及直流储能电容器稳压回路。

为了输出负载电流的谐波成份，该电能转换器21产生的输出补偿电压，必须等于负载电流的谐波成份与该滤波电感器组22及无功补偿电容器组23的合成阻抗的乘积。因此第一回路即将负载电流检出经一第一带阻滤波器200滤除基波成份而取出该谐波成份。由于电感器电压可由电流的微分求得，电容器的电压可由电流的积分求得，而电阻器的电压可由电流乘以一比例求得，因此取出该负载电流的谐波成份，经一比例积分微分(PID)控制器201后，可求得负载电流的谐波成份在该滤波电感器22及无功补偿电容器23合成阻抗上的电压，其作为第一回路输出信号。在理论上，若该电能转换器21能产生该第一回路的电压则可经该滤波电感器组22及无功补偿电容器组23转换成补偿电流来滤除负载电流的谐波成份。但由于第一回路是属于开回路控制，所以若由于该滤波电感器组22及无功补偿电容器组23等的值有所偏移，则其滤波效果变差。

接着，第二回路主要用以修正第一回路的补偿结果的误差。该第二回路将检出市电的电源电流送至一第二带阻滤波器202滤除基波，再经一第一带通滤波器203取出其特定频率成份。若电源电流经第一回路补偿后仍有谐波，则可经由该第二回路检出该谐波，再经第一放大器204放大作为第二回路输出信号。

接着，第三回路主要用以产生该滤波电感器组22及无功补偿电容器组23回路的虚拟谐波阻尼。第三回路可防止该滤波电感器组22及无功补偿电容器23回路产生高频震荡。第三回路将检出该电能转换器21的输出电流经一第二带通滤波器205取出其基波，再经一减法器206取出电能转换器输出电流的谐波成份，再经一第二放大器207放大作为第三回路输出信号。该电能转换器21可利用该第三回路完成虚拟谐波电阻器与滤波电感器组22及无功补偿电容器组23串联，以提供阻尼防止震荡。

为了维持该直流储能电容器20所提供的直流电压，使该电能转换器21能正常运转，该有源式电力滤波器2具有第四回路。第四回路利用一低通滤波器208检出该直流储能电容器20的直流电压，再送至一减法器210，在该减法器210其与一设定电压209相减后，将相减结果送至一控制器211，该控制器211的输出与第二带通滤波器205的输出经一乘法器212相乘后作为第四回路的输出信号。由于该第二带通滤波器205的输出为该电能转换器21输出电流的基本成份，因此第四回路可使该电能转换器21吸收有功或释放有功，以维持该直流储能电容器器20所提供的直流电压的稳定。

最后，将第一回路、第二回路、第三回路及第四回路的输出信号经一加法器213相加后，即获得该电能转换器21的参考信号，将该参考信号送至一脉宽调制器214可获得该电能转换器21的电力电子开关元件组的切换信号。

Claims (10)

1.一种三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，包含：

一个直流储能电容器，其用以提供一个稳定直流电压；

一个电能转换器，其由一个双臂桥式电力电子开关元件组组成，该电能转换器包含二个交流端及二个直流端，该电能转换器的两个直流端连接至该直流储能电容器；

一个滤波电感器组，连接至该电能转换器，该滤波电感器组用以滤除该电能转换器的切换纹波电流；

一个无功补偿电容器组，该无功补偿电容器组与该滤波电感器组串联组合，该无功补偿电容器组作为该电力滤波器的无功产生元件；

一个滤波电容器电阻器组，其与该滤波电感器组及无功补偿电容器组的串联组合均与交流电源馈线相连；该滤波电容器电阻器组配合该滤波电感器组，滤除该电能转换器产生的谐波；及

一个控制电路，其用以产生该电能转换器的电力电子开关元件组的切换信号，以便该电能转换器产生一个补偿电流注入至该交流电源馈线，以便滤除负载产生的谐波电流，使电源的电流趋近于正弦波。

2.如权利要求1所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该滤波电感器组包含三个电感器；而该无功补偿电容器组则包含三个交流电容器。

3.如权利要求2所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该滤波电感器组的三个电感器分别与该无功补偿电容器组的三个交流电容器串联，其中两个电感器及交流电容器的串联组合连接于三相三线式电源的任两相交流电源馈线及该电能转换器的两个交流端之间，另一个电感器及交流电容器的串联组合则连接于三相三线式电源的另一相交流电源馈线及该电能转换器的直流端的负端之间。

4.如权利要求2所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该滤波电感器组的三个电感器分别与该无功补偿电容器组的三个交流电容器串联，其中两个电感器与交流电容器的串联组合连接于三相三线式电源的任两相交流电源馈线及该电能转换器的两个交流端之间，另一个电感器与交流电容器的串联组合则连接于三相三线式电源的另一相交流电源馈线及该电能转换器的直流端的正端之间。

5.如权利要求1所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该控制电路包含一个负载谐波补偿回路、一个电源谐波抑制回路、一个电能转换器谐波抑制回路、一个储能电容稳压回路、一个加法器及一个脉宽调制器。

6.如权利要求5所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该负载谐波补偿回路将检出的负载电流经一个第一带阻滤波器滤除基波成分而取出谐波成分，再将该谐波成分经一个比例积分微分控制器后，求得负载电流的谐波成分，其作为该负载谐波补偿回路的输出信号。

7.如权利要求5所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该电源谐波抑制回路将检出交流电源电流送至一个第二带阻滤波器滤除基波，再经一个第一带通滤波器取出其特定频率成分，若交流电源电流经该负载谐波补偿回路补偿后仍有谐波，则经由该电源谐波抑制回路检出该谐波，再经一个第一放大器放大作为该电源谐波抑制回路的输出信号。

8.如权利要求5所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该电能转换器谐波抑制回路将检出该电能转换器的输出电流经一个第二带通滤波器取出其基波，再经一个减法器将该电能转换器的输出电流与其基波相减，以取出该电能转换器输出电流的谐波成分，再经一个第二放大器放大作为该电能转换器谐波抑制回路的输出信号。

9.如权利要求5所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该储能电容稳压回路利用一个低通滤波器检出该储能电容的电压，再送至一个减法器，在该减法器其与一个设定电压相减后，将相减结果送至一个控制器，该控制器的输出与一个第二带通滤波器的输出经一个乘法器相乘后作为该储能电容稳压回路的输出信号。

10.如权利要求5所述的三相三线式有源式电力滤波器，其特征在于，该负载谐波补偿回路、电源谐波抑制回路、电能转换器谐波抑制回路及储能电容稳压回路的输出经一个加法器相加，将其相加结果再经该脉宽调制器产生该控制电路的输出信号。

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