基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，適用于三相四線制的零序電流補償?shù)膱龊?，采用電容中點式拓撲結構，為補償中線電流提供通道，具有可靠的零序電流補償能力。包括主電路以及用于控制主電路的控制電路，主電路包括具有電容中點式分布拓撲結構的功率變換單元，電容中點式分布拓撲結構包括直流側電容組和電容組正負母排以及第一電壓互感器、第二電壓互感器、第一均壓電阻、第二均壓電阻，直流側電容組包括若干中點式分布的電力電容器，中點式分布的電力電容器連接在電容組正負母排上，從所述電容組的中點引出中線與三相電源的中性線連接。
【專利說明】基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于低壓有源電力濾波器領域，尤其涉及一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器。
【背景技術】
[0002]諧波是電能質(zhì)量的重要指標。當正弦波電壓施加在非線性負載電路上時，電流就變成非正弦波，非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變成非正弦波。隨著電網(wǎng)中電力電子設備的不斷增加，導致了嚴重的電網(wǎng)污染。這主要是因為這些負載的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性造成的。因此，用于諧波抑制的有源電力濾波技術已成為電力電子和電工領域的研究熱點之一。有源電力濾波器(Active Power Filter一APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及動態(tài)的無功進行補償。有源電力濾波器通常有電容組、變換器和連接電抗器構成，實際上相當于受控的電流源，根據(jù)控制器實時發(fā)出的電流指令產(chǎn)生相應的補償電流，從而消除諧波。目前，市場多用三相三線制有源電力濾波器，無法適用于三相四線制的零序電流補償?shù)膱龊?。但實際的應用場所存在眾多零序電流流過中性線，造成中性線嚴重發(fā)熱而引起事故。
實用新型內(nèi)容
[0003]針對現(xiàn)有技術存在的不足，本實用新型提供一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，適用于三相四線制的零序電流補償?shù)膱龊希摓V波器并聯(lián)在電網(wǎng)與負載之間，向電網(wǎng)上的三相四線中輸出與諧波反向的電流，與電網(wǎng)上非線性負載產(chǎn)生的諧波電流相抵消，達到濾除電網(wǎng)上諧波的目的。
[0004]本實用新型的技術方案:
[0005]一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，包括主電路以及用于控制主電路的控制電路，其特征在于，所述主電路包括具有電容中點式分布拓撲結構的功率變換單元，所述電容中點式分布拓撲結構包括直流側電容組和電容組正負母排以及第一電壓互感器、第二電壓互感器、第一均壓電阻、第二均壓電阻，所述直流側電容組包括若干中點式分布的電力電容器，所述中點式分布的電力電容器連接在電容組正負母排上，從所述電容組的中點引出中線與三相電源的中性線連接；所述第一電壓互感器和第一均壓電阻并聯(lián)在所述電容組中點與電容組正母排之間，所述第二電壓互感器和第二均壓電阻并聯(lián)在所述電容組中點與電容組正負母排之間；所述功率變換單元的六個電子開關器件構成三相半橋PWM電子開關電路，其正負輸入端分別連接電容組正負母排，從三相半橋的中點引出的三相輸出線上具有穿心式電流檢測互感器，所述三相輸出線依次通過電抗器模塊、熔斷器、交流接觸器和主斷路器連接三相電源的A相線、B相線和C相線。
[0006]所述交流接觸器一端的三個觸點分別與三相四線制電網(wǎng)上的A相線、B相線、C相線連接，另一端的三個觸點分別與熔斷器FU1、FU2、FU3連接；所述交流接觸器的三個觸點的兩端分別并聯(lián)有第一充電電阻R1、第二充電電阻R2、第三充電電阻R3 ;所述第一充電電阻Rl并聯(lián)在與A相線連接的觸點兩端，所述第二充電電阻R2并聯(lián)在與B相線連接的觸點兩端，所述第三充電電阻R3并聯(lián)在與C相線連接的觸點兩端。
[0007]所述電抗器模塊包括三個電抗器，分別為第一電抗器L1、第二電抗器L2和第三電抗器L3 ;所述第一電抗器L1、第二電抗器L2和第三電抗器L3的一端分別連接功率變換單元的三相輸出線，另一端分別與熔斷器FUl、FU2、FU3電性連接。
[0008]所述功率變換單元的六個電子開關器件選用六個IGBT單元組成集成電路模塊。
[0009]所述主電路還包括濾波支路，用于濾除所述有源電力濾波器控制電路設定的特定頻率，所述濾波支路的一端與所述電抗器模塊③電性連接，另一端分別與三相電源的中性線連接。
[0010]所述濾波支路由三組相同且并聯(lián)連接的濾波器件組成，每組濾波器件由一個電阻器串聯(lián)一個電容器組成，三組濾波器件中的電容器分別對應與第一電抗器LI，第二電抗器L2和第三電抗器L3連接，三組濾波器件中的電阻器連接三相電源的中性線。
[0011 ] 所述控制電路包括DSP數(shù)字信號處理單元和FPGA現(xiàn)場可編程門陣列單元，用于對接收到的非線性負載端的電流互感器傳來的相線電流信號進行分析處理，輸出控制功率變換單元的電子開關器件開通或關斷的控制信號。
[0012]本實用新型的技術效果:
[0013]本實用新型提供一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器(簡稱APF)，該濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)與負載之間，向電網(wǎng)上的三相四線中輸出同諧波方向相反的電流，與電網(wǎng)上非線性負載產(chǎn)生的諧波電流相抵消，達到濾除電網(wǎng)上諧波的目的。本實用新型包括具有電容中點式分布拓撲結構的功率變換單元，針對中線電流采用電容中點式拓撲結構，為補償中線電流提供通道，并進行適時的動態(tài)補償，具有可靠的零序電流補償能力；本實用新型采用電容中點式分布為裝置提供中性線電平，采用多模組并聯(lián)，充分的減小寄生電容，減小紋波電流；同時為直流側提供多重直流電壓控制，多重電壓控制矢量相疊加使整個直流側電壓更穩(wěn)定，紋波能力更強；同時，本實用新型電容中點式分布可以實時的通過控制系統(tǒng)對分列電容電壓進行控制，對其均壓達到平衡狀態(tài)實現(xiàn)更迅速可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型的電路結構示意圖。
[0015]附圖標記列示如下:
[0016]Rl-第一充電電阻，R2-第二充電電阻，R3-第三充電電阻，R4-第一均壓電阻，R5-第二均壓電阻，QFl-主斷路器，
[0017]①-功率變換單元的六個電子開關器件②-功率變換單元電容中點式分布的拓撲結構
[0018]③-電抗器模塊，L1-第一電抗器，L2-第二電抗器，L3-第三電抗器
[0019]④-交流接觸器KMl，⑤-濾波支路，6-熔斷器，
[0020]PTl_Udc-第一電壓互感器，PT2_Udc_第二電壓互感器，
[0021]CT_IB-第一電流檢測互感器，
[0022]CT_IS_第二電流互感器(即接入用戶的電網(wǎng)系統(tǒng)的電流互感器)，[0023]CT_IL_第三電流互感器(B卩非線性負載端的電流互感器).【具體實施方式】
[0024]以下結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步的闡述。
[0025]圖1為本實用新型的電路連接示意圖。本實用新型提供一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器(簡稱APF)，該濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)與負載之間，向電網(wǎng)上的三相四線中輸出與諧波反向的電流，與電網(wǎng)上非線性負載產(chǎn)生的諧波電流相抵消，達到濾除電網(wǎng)上諧波的目的。
[0026]如I圖所示，本實用新型一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，包括主電路以及用于控制主電路的控制電路，主電路包括具有電容中點式分布拓撲結構②的功率變換單元，電容中點式分布拓撲結構包括直流側電容組和電容組正負母排以及第一電壓互感器PTl_Udc、第二電壓互感器PT2_Udc、第一均壓電阻R4、第二均壓電阻R5，直流側電容組包括若干中點式分布的電力電容器Cl、C2,中點式分布的電力電容器連接在電容組正負母排上，從電容組的中點引出中線與三相電源的中性線連接；第一電壓互感器PTl_Udc和第一均壓電阻R4并聯(lián)在電容組中點與電容組正母排之間，第二電壓互感器PT2_Udc和第二均壓電阻R5并聯(lián)在電容組中點與電容組正負母排之間；功率變換單元的六個電子開關器件①構成三相半橋PWM電子開關電路，其正負輸入端分別連接電容組正負母排，從三相半橋的中點引出的三相輸出線上具有穿心式電流檢測互感器CT_IB，三相輸出線依次通過電抗器模塊③、熔斷器6、交流接觸器KMl④和主斷路器QFl連接三相電源的A相線、B相線和C相線。交流接觸器KMl④一端的三個觸點分別通過主斷路器QFl與三相四線制電網(wǎng)上的A相線、B相線、C相線連接，另一端的三個觸點分別與熔斷器6 (FU1、FU2、FU3)連接；交流接觸器的三個觸點的兩端分別并聯(lián)有第一充電電阻R1、第二充電電阻R2、第三充電電阻R3 ;第一充電電阻Rl并聯(lián)在與A相線連接的觸點兩端，第二充電電阻R2并聯(lián)在與B相線連接的觸點兩端，第三充電電阻R3并聯(lián)在與C相線連接的觸點兩端。電抗器模塊③包括三個電抗器，分別為第一電抗器LI,第二電抗器L2和第三電抗器L3 ;第一電抗器LI,第二電抗器L2和第三電抗器L3的一端分別連接功率變換單元的三相輸出線，另一端分別與熔斷器FU1、FU2、FU3電性連接。主電路還包括濾波支路⑤，用于濾除所述有源電力濾波器控制電路設定的特定頻率，所述濾波支路一端與所述電抗器模塊③電性連接，另一端分別與三相電源的中性線連接。濾波支路由三組相同且并聯(lián)連接的濾波器件組成，每組濾波器件由一個電阻器串聯(lián)一個電容器組成，三組濾波器件中的電容器分別對應與第一電抗器LI，第二電抗器L2和第三電抗器L3連接，三組濾波器件中的電阻器連接三相電源的中性線?？刂齐娐钒―SP數(shù)字信號處理單元和FPGA現(xiàn)場可編程門陣列單元，用于對接收到的非線性負載端的電流互感器傳來的相線電流信號進行分析處理，輸出控制功率變換單元的電子開關器件開通或關斷的控制信號。
[0027]功率變換單元的六個電子開關器件①指的是由六個IGBT單元組成的集成電路模塊。IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT (雙極型三極管)和MOS (絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件。第一電壓互感器(即圖中PTl_Udc)和第二電壓互感器(即圖中PT2_Udc)皆屬于采集信號范疇，第一電壓互感器用于采集第一直流側電容Cl上的電壓，第二電壓互感器用于采集第二直流側電容C2上的電壓。如果第一直流側電容Cl和/或第二直流側電容C2電壓過高，超出電容額定電壓，電容會爆炸，其次母線電壓如果波動，也會影響輸出波形和電壓，這樣會影響負載的控制效果，如果是小波動，又知道了波動值，那么在PWM斬波的時候可以通過調(diào)整脈沖來補償，如果波動大，補償不了，就可以通過控制電路停止系統(tǒng)工作保護負載。本實用新型所提及的負載包含非線性負載。第一電流檢測互感器(即圖中CT_IB)的作用是檢測六個電子開關器件①構成Dl三相半橋PWM電子開關電路自身輸出的電流。第一均壓電阻R4—端連接第一直流側電容Cl的正極，另一端連接第一直流側電容Cl的負極，第二均壓電阻R5的一端連接第二直流側電容C2的正極，另一端連接第二直流側電容C2的負極；從第一均壓電阻R4和第二均壓電阻R5之間引出一根連接線，電性連接至第一直流側電容Cl和第二直流側電容C2之間的連接線上。第一均壓電阻R4和第二均壓電阻R5的作用主要起到為第一直流側電容Cl和第二直流側電容C2均壓的作用，當兩個電容的電勢差不相等的時候，通過均壓電阻進行均壓，目的是使兩個電容的電壓相等。
[0028]圖1中與控制電路連接的端子CTL1，CTL2，CTL3是用于接收第三電流互感器CT_IL(即非線性負載端的電流互感器)傳來的感應信息的接線端子，三個接線端子接收三個相線電流信息。圖1中與控制電路連接的其他端口作為控制電路與外界其他電路的接線端子。本實用新型所述的基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器的裝置外殼接地線。
[0029]電流從相電源出來后首先經(jīng)過主斷路器(前提是此時主斷路器處于閉合狀態(tài))，流經(jīng)預充電電阻Rl、R2、R3對第一直流側電容Cl，第二直流側電容C2進行不控整流第一階段，當達到一定數(shù)值后(例如600V)，通過硬件控制電路(即圖中的硬件控制電路DSP+FPGA，用于對本實用新型的采樣、信號分析、驅動電路的信號控制)的按鍵操作，閉合交流接觸器KMl，對第一直流側電容Cl，第二直流側電容C2進行boost斬波升壓，即對通過PWM控制功率器件開通或關斷對直流側電容第一電容Cl和第二電容C2充電，使直流側的電壓達到預設的目標值(例如800V)。通過相關人機界面的操作進行并網(wǎng)操作，若并網(wǎng)正常，開始補償功能操作。濾波主要是通過負載側的第三電流互感器CT_IL實時的檢測非線性負載電流，將實時的檢測非線性負載電流作為檢測結果實時的傳送給硬件電路板的電流LEM，例如5A變25mA),經(jīng)過采樣電路和諧波電流分離算法處理，(例如工頻是50HZ，假如電流中有三次諧波就是150HZ，經(jīng)過諧波電流分離算法，可以把三次諧波提取出來)，把非線性負載產(chǎn)生的諧波電流分離出來作為指令電流，來控制功率器件的開通關斷，產(chǎn)生與指令電流大小相等方向相反的電流注入該非線性負載的線路中，以此來抵消非線性負載產(chǎn)生的諧波電流。正序負序直接經(jīng)過相線注入，濾除非線性負載的諧波電流。零序電流要先經(jīng)過電網(wǎng)源系統(tǒng)，再流經(jīng)電網(wǎng)源系統(tǒng)中線，經(jīng)過APF裝置中線，流入裝置，再經(jīng)過裝置相關部件，再通過裝置相線補償濾除。CT_IS-第二電流互感器用于檢測接入用戶的電網(wǎng)系統(tǒng)的電流互感器。
[0030]應當指出，以上本實用新型【具體實施方式】可以使本領域的技術人員更全面地理解本實用新型，但不以任何方式限制本實用新型。因此，盡管本說明書和實施例對本實用新型已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本實用新型進行修改或者等同替換；而一切不脫離本實用新型創(chuàng)造的精神和范圍的技術方案及其改進，均涵蓋在本實用新型創(chuàng)造專利的保護范圍當中。
【權利要求】
1.一種基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，其特征在于，包括主電路以及用于控制主電路的控制電路，所述主電路包括具有電容中點式分布拓撲結構的功率變換單元，所述電容中點式分布拓撲結構包括直流側電容組和電容組正負母排以及第一電壓互感器、第二電壓互感器、第一均壓電阻、第二均壓電阻，所述直流側電容組包括若干中點式分布的電力電容器，所述中點式分布的電力電容器連接在電容組正負母排上，從所述電容組的中點引出中線與三相電源的中性線連接；所述第一電壓互感器和第一均壓電阻并聯(lián)在所述電容組中點與電容組正母排之間，所述第二電壓互感器和第二均壓電阻并聯(lián)在所述電容組中點與電容組正負母排之間；所述功率變換單元的六個電子開關器件構成三相半橋PWM電子開關電路，其正負輸入端分別連接電容組正負母排，從三相半橋的中點引出的三相輸出線上具有穿心式電流檢測互感器，所述三相輸出線依次通過電抗器模塊、熔斷器、交流接觸器和主斷路器連接三相電源的A相線、B相線和C相線。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，其特征在于，所述交流接觸器一端的三個觸點分別與三相四線制電網(wǎng)上的A相線、B相線、C相線連接，另一端的三個觸點分別與熔斷器FU1、FU2、FU3連接；所述交流接觸器的三個觸點的兩端分別并聯(lián)有第一充電電阻R1、第二充電電阻R2、第三充電電阻R3 ;所述第一充電電阻Rl并聯(lián)在與A相線連接的觸點兩端，所述第二充電電阻R2并聯(lián)在與B相線連接的觸點兩端，所述第三充電電阻R3并聯(lián)在與C相線連接的觸點兩端。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，其特征在于，所述電抗器模塊包括三個電抗器，分別為第一電抗器L1、第二電抗器L2和第三電抗器L3 ;所述第一電抗器L1、第二電抗器L2和第三電抗器L3的一端分別連接功率變換單元的三相輸出線，另一端分別與熔斷器FU1、FU2、FU3電性連接。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，其特征在于，所述功率變換單元的六個電子開關器件選用六個IGBT單元組成集成電路模塊。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，其特征在于，所述主電路還包括濾波支路，用于濾除所述有源電力濾波器控制電路設定的特定頻率，所述濾波支路的一端與所述電抗器模塊③電性連接，另一端分別與三相電源的中性線連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，其特征在于，所述濾波支路由三組相同且并聯(lián)連接的濾波器件組成，每組濾波器件由一個電阻器串聯(lián)一個電容器組成，三組濾波器件中的電容器分別對應與第一電抗器LI，第二電抗器L2和第三電抗器L3連接，三組濾波器件中的電阻器連接三相電源的中性線。
7.根據(jù)權利要求1至5之一所述的基于電容中點式拓撲的三相四線制有源電力濾波器，其特征在于，所述控制電路包括DSP數(shù)字信號處理單元和FPGA現(xiàn)場可編程門陣列單元，用于對接收到的非線性負載端的電流互感器傳來的相線電流信號進行分析處理，輸出控制功率變換單元的電子開關器件開通或關斷的控制信號。
【文檔編號】H02J3/01GK203707776SQ201320867572
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權日:2013年12月26日
【發(fā)明者】安爾東, 謝洪潮 申請人:武漢光谷電氣有限公司