CN203707776U - 基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，适用于三相四线制的零序电流补偿的场合，采用电容中点式拓扑结构，为补偿中线电流提供通道，具有可靠的零序电流补偿能力。包括主电路以及用于控制主电路的控制电路，主电路包括具有电容中点式分布拓扑结构的功率变换单元，电容中点式分布拓扑结构包括直流侧电容组和电容组正负母排以及第一电压互感器、第二电压互感器、第一均压电阻、第二均压电阻，直流侧电容组包括若干中点式分布的电力电容器，中点式分布的电力电容器连接在电容组正负母排上，从所述电容组的中点引出中线与三相电源的中性线连接。
Description
技术领域
本实用新型属于低压有源电力滤波器领域，尤其涉及一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器。
背景技术
谐波是电能质量的重要指标。当正弦波电压施加在非线性负载电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦波。随着电网中电力电子设备的不断增加，导致了严重的电网污染。这主要是因为这些负载的非线性、冲击性和不平衡的用电特性造成的。因此，用于谐波抑制的有源电力滤波技术已成为电力电子和电工领域的研究热点之一。有源电力滤波器（Active Power Filter—APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及动态的无功进行补偿。有源电力滤波器通常有电容组、变换器和连接电抗器构成，实际上相当于受控的电流源，根据控制器实时发出的电流指令产生相应的补偿电流，从而消除谐波。目前，市场多用三相三线制有源电力滤波器，无法适用于三相四线制的零序电流补偿的场合。但实际的应用场所存在众多零序电流流过中性线，造成中性线严重发热而引起事故。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型提供一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，适用于三相四线制的零序电流补偿的场合，该滤波器并联在电网与负载之间，向电网上的三相四线中输出与谐波反向的电流，与电网上非线性负载产生的谐波电流相抵消，达到滤除电网上谐波的目的。
本实用新型的技术方案：
一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，包括主电路以及用于控制主电路的控制电路，其特征在于，所述主电路包括具有电容中点式分布拓扑结构的功率变换单元，所述电容中点式分布拓扑结构包括直流侧电容组和电容组正负母排以及第一电压互感器、第二电压互感器、第一均压电阻、第二均压电阻，所述直流侧电容组包括若干中点式分布的电力电容器，所述中点式分布的电力电容器连接在电容组正负母排上，从所述电容组的中点引出中线与三相电源的中性线连接；所述第一电压互感器和第一均压电阻并联在所述电容组中点与电容组正母排之间，所述第二电压互感器和第二均压电阻并联在所述电容组中点与电容组正负母排之间；所述功率变换单元的六个电子开关器件构成三相半桥PWM电子开关电路，其正负输入端分别连接电容组正负母排，从三相半桥的中点引出的三相输出线上具有穿心式电流检测互感器，所述三相输出线依次通过电抗器模块、熔断器、交流接触器和主断路器连接三相电源的A相线、B相线和C相线。
所述交流接触器一端的三个触点分别与三相四线制电网上的A相线、B相线、C相线连接，另一端的三个触点分别与熔断器FU1、FU2、FU3连接；所述交流接触器的三个触点的两端分别并联有第一充电电阻R1、第二充电电阻R2、第三充电电阻R3；所述第一充电电阻R1并联在与A相线连接的触点两端，所述第二充电电阻R2并联在与B相线连接的触点两端，所述第三充电电阻R3并联在与C相线连接的触点两端。
所述电抗器模块包括三个电抗器，分别为第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3；所述第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3的一端分别连接功率变换单元的三相输出线，另一端分别与熔断器FU1、FU2、FU3电性连接。
所述功率变换单元的六个电子开关器件选用六个IGBT单元组成集成电路模块。
所述主电路还包括滤波支路，用于滤除所述有源电力滤波器控制电路设定的特定频率，所述滤波支路的一端与所述电抗器模块③电性连接，另一端分别与三相电源的中性线连接。
所述滤波支路由三组相同且并联连接的滤波器件组成，每组滤波器件由一个电阻器串联一个电容器组成，三组滤波器件中的电容器分别对应与第一电抗器L1，第二电抗器L2和第三电抗器L3连接，三组滤波器件中的电阻器连接三相电源的中性线。
所述控制电路包括DSP数字信号处理单元和FPGA现场可编程门阵列单元，用于对接收到的非线性负载端的电流互感器传来的相线电流信号进行分析处理，输出控制功率变换单元的电子开关器件开通或关断的控制信号。
本实用新型的技术效果：
本实用新型提供一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器（简称APF），该滤波器并联在电网与负载之间，向电网上的三相四线中输出同谐波方向相反的电流，与电网上非线性负载产生的谐波电流相抵消，达到滤除电网上谐波的目的。本实用新型包括具有电容中点式分布拓扑结构的功率变换单元，针对中线电流采用电容中点式拓扑结构，为补偿中线电流提供通道，并进行适时的动态补偿，具有可靠的零序电流补偿能力；本实用新型采用电容中点式分布为装置提供中性线电平，采用多模组并联，充分的减小寄生电容，减小纹波电流；同时为直流侧提供多重直流电压控制，多重电压控制矢量相叠加使整个直流侧电压更稳定，纹波能力更强；同时，本实用新型电容中点式分布可以实时的通过控制系统对分列电容电压进行控制，对其均压达到平衡状态实现更迅速可靠。
附图说明
图1为本实用新型的电路结构示意图。
附图标记列示如下：
R1-第一充电电阻，R2-第二充电电阻，R3-第三充电电阻，R4-第一均压电阻，R5-第二均压电阻，QF1-主断路器，
①-功率变换单元的六个电子开关器件②-功率变换单元电容中点式分布的拓扑结构
③-电抗器模块，L1-第一电抗器，L2-第二电抗器，L3-第三电抗器
④-交流接触器KM1，⑤-滤波支路，6-熔断器，
PT1_Udc-第一电压互感器,PT2_Udc-第二电压互感器,
CT_IB-第一电流检测互感器,
CT_IS-第二电流互感器（即接入用户的电网系统的电流互感器）,
CT_IL-第三电流互感器（即非线性负载端的电流互感器）.
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的阐述。
图1为本实用新型的电路连接示意图。本实用新型提供一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器（简称APF），该滤波器并联在电网与负载之间，向电网上的三相四线中输出与谐波反向的电流，与电网上非线性负载产生的谐波电流相抵消，达到滤除电网上谐波的目的。
如1图所示，本实用新型一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，包括主电路以及用于控制主电路的控制电路，主电路包括具有电容中点式分布拓扑结构②的功率变换单元，电容中点式分布拓扑结构包括直流侧电容组和电容组正负母排以及第一电压互感器PT1_Udc、第二电压互感器PT2_Udc、第一均压电阻R4、第二均压电阻R5，直流侧电容组包括若干中点式分布的电力电容器C1、C2，中点式分布的电力电容器连接在电容组正负母排上，从电容组的中点引出中线与三相电源的中性线连接；第一电压互感器PT1_Udc和第一均压电阻R4并联在电容组中点与电容组正母排之间，第二电压互感器PT2_Udc和第二均压电阻R5并联在电容组中点与电容组正负母排之间；功率变换单元的六个电子开关器件①构成三相半桥PWM电子开关电路，其正负输入端分别连接电容组正负母排，从三相半桥的中点引出的三相输出线上具有穿心式电流检测互感器CT_IB，三相输出线依次通过电抗器模块③、熔断器6、交流接触器KM1④和主断路器QF1连接三相电源的A相线、B相线和C相线。交流接触器KM1④一端的三个触点分别通过主断路器QF1与三相四线制电网上的A相线、B相线、C相线连接，另一端的三个触点分别与熔断器6(FU1、FU2、FU3)连接；交流接触器的三个触点的两端分别并联有第一充电电阻R1、第二充电电阻R2、第三充电电阻R3；第一充电电阻R1并联在与A相线连接的触点两端，第二充电电阻R2并联在与B相线连接的触点两端，第三充电电阻R3并联在与C相线连接的触点两端。电抗器模块③包括三个电抗器，分别为第一电抗器L1，第二电抗器L2和第三电抗器L3；第一电抗器L1，第二电抗器L2和第三电抗器L3的一端分别连接功率变换单元的三相输出线，另一端分别与熔断器FU1、FU2、FU3电性连接。主电路还包括滤波支路⑤，用于滤除所述有源电力滤波器控制电路设定的特定频率，所述滤波支路一端与所述电抗器模块③电性连接，另一端分别与三相电源的中性线连接。滤波支路由三组相同且并联连接的滤波器件组成，每组滤波器件由一个电阻器串联一个电容器组成，三组滤波器件中的电容器分别对应与第一电抗器L1，第二电抗器L2和第三电抗器L3连接，三组滤波器件中的电阻器连接三相电源的中性线。控制电路包括DSP数字信号处理单元和FPGA现场可编程门阵列单元，用于对接收到的非线性负载端的电流互感器传来的相线电流信号进行分析处理，输出控制功率变换单元的电子开关器件开通或关断的控制信号。
功率变换单元的六个电子开关器件①指的是由六个IGBT单元组成的集成电路模块。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。第一电压互感器（即图中PT1_Udc）和第二电压互感器（即图中PT2_Udc）皆属于采集信号范畴，第一电压互感器用于采集第一直流侧电容C1上的电压，第二电压互感器用于采集第二直流侧电容C2上的电压。如果第一直流侧电容C1和/或第二直流侧电容C2电压过高，超出电容额定电压，电容会爆炸，其次母线电压如果波动，也会影响输出波形和电压，这样会影响负载的控制效果，如果是小波动，又知道了波动值，那么在PWM斩波的时候可以通过调整脉冲来补偿，如果波动大，补偿不了，就可以通过控制电路停止系统工作保护负载。本实用新型所提及的负载包含非线性负载。第一电流检测互感器（即图中CT_IB）的作用是检测六个电子开关器件①构成D1三相半桥PWM电子开关电路自身输出的电流。第一均压电阻R4一端连接第一直流侧电容C1的正极，另一端连接第一直流侧电容C1的负极，第二均压电阻R5的一端连接第二直流侧电容C2的正极，另一端连接第二直流侧电容C2的负极；从第一均压电阻R4和第二均压电阻R5之间引出一根连接线，电性连接至第一直流侧电容C1和第二直流侧电容C2之间的连接线上。第一均压电阻R4和第二均压电阻R5的作用主要起到为第一直流侧电容C1和第二直流侧电容C2均压的作用，当两个电容的电势差不相等的时候，通过均压电阻进行均压，目的是使两个电容的电压相等。
图1中与控制电路连接的端子CTL1，CTL2，CTL3是用于接收第三电流互感器CT_IL（即非线性负载端的电流互感器）传来的感应信息的接线端子，三个接线端子接收三个相线电流信息。图1中与控制电路连接的其他端口作为控制电路与外界其他电路的接线端子。本实用新型所述的基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器的装置外壳接地线。
电流从相电源出来后首先经过主断路器（前提是此时主断路器处于闭合状态），流经预充电电阻R1、R2、R3对第一直流侧电容C1，第二直流侧电容C2进行不控整流第一阶段，当达到一定数值后（例如600V），通过硬件控制电路（即图中的硬件控制电路DSP+FPGA，用于对本实用新型的采样、信号分析、驱动电路的信号控制）的按键操作，闭合交流接触器KM1，对第一直流侧电容C1，第二直流侧电容C2进行boost斩波升压，即对通过PWM控制功率器件开通或关断对直流侧电容第一电容C1和第二电容C2充电，使直流侧的电压达到预设的目标值（例如800V）。通过相关人机界面的操作进行并网操作，若并网正常，开始补偿功能操作。滤波主要是通过负载侧的第三电流互感器CT_IL实时的检测非线性负载电流，将实时的检测非线性负载电流作为检测结果实时的传送给硬件电路板的电流LEM，例如5A变25mA），经过采样电路和谐波电流分离算法处理，（例如工频是50HZ，假如电流中有三次谐波就是150HZ，经过谐波电流分离算法，可以把三次谐波提取出来），把非线性负载产生的谐波电流分离出来作为指令电流，来控制功率器件的开通关断，产生与指令电流大小相等方向相反的电流注入该非线性负载的线路中，以此来抵消非线性负载产生的谐波电流。正序负序直接经过相线注入，滤除非线性负载的谐波电流。零序电流要先经过电网源系统，再流经电网源系统中线，经过APF装置中线，流入装置，再经过装置相关部件，再通过装置相线补偿滤除。CT_IS-第二电流互感器用于检测接入用户的电网系统的电流互感器。
应当指出，以上本实用新型具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本实用新型，但不以任何方式限制本实用新型。因此，尽管本说明书和实施例对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型进行修改或者等同替换；而一切不脱离本实用新型创造的精神和范围的技术方案及其改进，均涵盖在本实用新型创造专利的保护范围当中。
Claims (7)
1.一种基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，其特征在于，包括主电路以及用于控制主电路的控制电路，所述主电路包括具有电容中点式分布拓扑结构的功率变换单元，所述电容中点式分布拓扑结构包括直流侧电容组和电容组正负母排以及第一电压互感器、第二电压互感器、第一均压电阻、第二均压电阻，所述直流侧电容组包括若干中点式分布的电力电容器，所述中点式分布的电力电容器连接在电容组正负母排上，从所述电容组的中点引出中线与三相电源的中性线连接；所述第一电压互感器和第一均压电阻并联在所述电容组中点与电容组正母排之间，所述第二电压互感器和第二均压电阻并联在所述电容组中点与电容组正负母排之间；所述功率变换单元的六个电子开关器件构成三相半桥PWM电子开关电路，其正负输入端分别连接电容组正负母排，从三相半桥的中点引出的三相输出线上具有穿心式电流检测互感器，所述三相输出线依次通过电抗器模块、熔断器、交流接触器和主断路器连接三相电源的A相线、B相线和C相线。
2.根据权利要求1所述的基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，其特征在于，所述交流接触器一端的三个触点分别与三相四线制电网上的A相线、B相线、C相线连接，另一端的三个触点分别与熔断器FU1、FU2、FU3连接；所述交流接触器的三个触点的两端分别并联有第一充电电阻R1、第二充电电阻R2、第三充电电阻R3；所述第一充电电阻R1并联在与A相线连接的触点两端，所述第二充电电阻R2并联在与B相线连接的触点两端，所述第三充电电阻R3并联在与C相线连接的触点两端。
3.根据权利要求1所述的基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，其特征在于，所述电抗器模块包括三个电抗器，分别为第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3；所述第一电抗器L1、第二电抗器L2和第三电抗器L3的一端分别连接功率变换单元的三相输出线，另一端分别与熔断器FU1、FU2、FU3电性连接。
4.根据权利要求1所述的基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，其特征在于，所述功率变换单元的六个电子开关器件选用六个IGBT单元组成集成电路模块。
5.根据权利要求1所述的基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，其特征在于，所述主电路还包括滤波支路，用于滤除所述有源电力滤波器控制电路设定的特定频率，所述滤波支路的一端与所述电抗器模块③电性连接，另一端分别与三相电源的中性线连接。
6.根据权利要求1所述的基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，其特征在于，所述滤波支路由三组相同且并联连接的滤波器件组成，每组滤波器件由一个电阻器串联一个电容器组成，三组滤波器件中的电容器分别对应与第一电抗器L1，第二电抗器L2和第三电抗器L3连接，三组滤波器件中的电阻器连接三相电源的中性线。
7.根据权利要求1至5之一所述的基于电容中点式拓扑的三相四线制有源电力滤波器，其特征在于，所述控制电路包括DSP数字信号处理单元和FPGA现场可编程门阵列单元，用于对接收到的非线性负载端的电流互感器传来的相线电流信号进行分析处理，输出控制功率变换单元的电子开关器件开通或关断的控制信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140709 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |