有源滤波器低开关损耗电路结构及补偿电流调制方法

摘要

有源滤波器低开关损耗电路结构及补偿电流调制方法属于三相有源滤波技术领域，尤其涉及一种有源滤波器低开关损耗电路结构及补偿电流调制方法。本发明提供一种补偿精度好的有源滤波器低开关损耗电路结构及补偿电流调制方法。本发明有源滤波器低开关损耗电路结构包括IGBT三相逆变桥、MOSFET三相逆变桥和电容，其结构要点IGBT三相逆变桥包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT，MOSFET三相逆变桥包括第一MOSFET、第二MOSFET、第三MOSFET、第四MOSFET、第五MOSFET、第六MOSFET。

说明书

技术领域

本发明属于三相有源滤波技术领域，尤其涉及一种有源滤波器低开关损耗电路结构及补偿电流调制方法。

背景技术

电能是现代社会不可缺少的重要能源。供电系统中电能的质量受到非线性负载的影响，不可避免的产生谐波电流，降低能源利用效率，损害电力设备。谐波抑制装置主要有无源滤波器和有源滤波器。其中三相有源滤波器较无源滤波器具有更好的谐波补偿性能，但造价较高。

作为利用电力电子器件进行谐波补偿的装置，三相有源滤波器具有很高的开关频率。传统的三相有源滤波器对谐波电流进行补偿时，由于中低次谐波电流幅值较大，现有技术所使用的补偿电流调制方法，不会考虑功率管所承受的电压与通过的电流的大小对开关损耗的影响。这样，当通过电流较大，承受电压较高时，有源滤波器开关损耗明显，容易造成设备的损坏。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种补偿精度好的有源滤波器低开关损耗电路结构及补偿电流调制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明有源滤波器低开关损耗电路结构包括IGBT三相逆变桥、MOSFET三相逆变桥和电容，其结构要点IGBT三相逆变桥包括第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT，MOSFET三相逆变桥包括第一MOSFET、第二MOSFET、第三 MOSFET、第四MOSFET、第五MOSFET、第六MOSFET，其结构要点第一IGBT集电极、第二IGBT集电极、第三IGBT集电极、第一MOSFET漏极、第二MOSFET漏极、第三 MOSFET漏极、电容一端相连，第四IGBT发射极、第五IGBT发射极、第六IGBT发射极、第四MOSFET源极、第五MOSFET源极、第六MOSFET源极、电容另一端相连；第一IGBT发射极、第四IGBT集电极、第一电感一端相连，第二IGBT发射极、第五IGBT集电极、第二电感一端相连，第三IGBT发射极、第六IGBT集电极、第三电感一端相连，第一电感另一端与交流电压源Usa一端相连，第二电感另一端与交流电压源Usb一端相连，第三电感另一端与交流电压源Usc一端相连，电压源Usa另一端、电压源Usb另一端、电压源Usc另一端相连接地。

所述第一MOSFET源极、第四MOSFET漏极、第四电感一端相连，第二MOSFET源极、第五MOSFET漏极、第五电感一端相连，第三MOSFET源极、第六MOSFET漏极、第六电感一端相连，第四电感另一端与A相谐波源相连，第五电感另一端与B相谐波源相连，第六电感另一端与C相谐波源相连。

作为一种优选方案，本发明所述第一IGBT集电极与第一二极管阴极相连，第一二极管阳极与第一IGBT发射极相连；第二IGBT集电极与第二二极管阴极相连，第二二极管阳极与第二IGBT发射极相连；第三IGBT集电极与第三二极管阴极相连，第三二极管阳极与第三IGBT发射极相连；第四IGBT集电极与第四二极管阴极相连，第四二极管阳极与第四IGBT发射极相连；第五IGBT集电极与第五二极管阴极相连，第五二极管阳极与第五IGBT发射极相连；第六IGBT集电极与第六二极管阴极相连，第六二极管阳极与第六IGBT发射极相连。

本发明有源滤波器低开关损耗补偿电流调制方法，包括以下步骤。

1）以A相作为被钳制相，计算调制电压信号，采用以下公式。

u₀=sign(u_a)*(Vdc/2)-u_a

u^**_a = u^*_a + u₀

u^**_b = u^*_b + u₀

 u^**_c = u^*_c + u₀             。

V_dc为有源滤波器直流母线电压，u_a为A相电压，u^*_a、u^*_b、u^*_c为有源滤波器的三相参考电压调制信号；sign(u_a)为判断u_a符号操作，若u_a为正，则sign(u_a)为1，若u_a为负，则sign(u_a)为-1；u^**_a、u^**_b、u^**_c为最终对输出补偿电流波形进行调制的三相电压调制信号。

2）钳制相选取。

A相电压30°～150°、210°～270°区间内设置为钳制相，比较30°～150°区间内AB两相电流瞬时值大小，若A相瞬时电流绝对值大于B相，则钳制A相电压，使A相在该区间内开关管不动作；反之钳制B相电压。

比较210°～270°区间内AC两相电流瞬时值大小，若A相瞬时电流绝对值大于C相，则钳制A相电压（即保持A相电压值不变），反之钳制C相电压。

所述钳制电压值为所述电容两端电压Vdc。

作为一种优选方案，本发明所述30°～150°区间划分为30°～90°区间和90°～150°区间。

比较30°～90°区间内AB两相电流瞬时值大小，若A相瞬时电流绝对值大于B相，则钳制A相电压，反之钳制B相电压。

比较90°～150°区间内AC两相电流瞬时值大小，若A相瞬时电流绝对值大于C相，则钳制A相电压，反之钳制C相电压。

本发明有益效果。

本发明有源滤波器低开关损耗电路结构两个三相逆变桥共用同一个直流侧电容，其中一侧功率管具有较高的开关速度，用于补偿幅值小的高次谐波电流，另一侧功率管为常规功率管，用于补偿幅值大的中低次谐波电流；开关频率低但能通过大电流的功率管补偿剩余的中低次谐波电流，能够更好的发挥功率管的特性，解决现有补偿电流调制方法无法降低有源滤波器开关损耗的问题。

由于开关管的开关损耗主要受开关管动作时刻所通过电流和开关次数决定，所以在开关管动作的时刻，通过电流越大，开关损耗越大。本发明在每一个采样周期内设置钳制电压相能够保证总存在三相开关管中的一相不发生开关动作，从而减少三分之一的开关动作次数。选择输出补偿电流较大的一相作为钳制相的意义在于，选择通过电流最大的一相的开关管不动作能够最大程度的降低开关损耗。将本发明中的低开关损耗补偿电流调制方法应用到低开关频率、大电流容量一侧，能够在保证补偿精度的条件下，有效地降低开关损耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。

图1是本发明中电压调制信号钳制相选取实例示意图。

图2是本发明的低开关损耗补偿电流调制方法流程图。

图3是本发明中有源滤波器的电路结构图。

具体实施方式

如图所示，计算有源滤波器的三相参考电压调制信号u^*_abc并采样三相输出的补偿电流I_fabc并判断三相电压调制信号所处相位，并根据所处相位选择三相中的两相作为调制电压信号有可能被钳制的相。

有可能被钳制的两相选择判据为：电压的相位位于30°～150°、210°～270°以内的两相。进一步比较这两相的实际输出补偿电流的绝对值，并选择绝对值较大的一相作为被钳制相。

设置调制电压钳制相的优势是，该相的调制电压可以一直处于有源滤波器直流母线电压一半的位置，该相开关管不做开关动作。

以A相作为被钳制相为例，调制电压信号的计算利用如下公式。

u₀=sign(u_a)*(Vdc/2)-u_a

u^**_a = u^*_a + u₀

u^**_b = u^*_b + u₀

u^**_c = u^*_c + u₀                （1）。

公式（1）中，V_dc为有源滤波器直流母线电压，u_a为A相电压，u^*_a、u^*_b、u^*_c为有源滤波器的三相参考电压调制信号。sign(u_a)为判断u_a符号操作，若u_a为正，则sign(u_a)为1，若u_a为负，则sign(u_a)为-1。u^**_a、u^**_b、u^**_c为最终对输出补偿电流波形进行调制的三相电压调制信号。

图1以A相为例，对电压调制信号的钳制相选取进行说明。A相电压30°～150°、210°～270°区间内可以设置为钳制相，即图中白色部分所示。左边白色区域左半侧可以同时允许A、B两相同时设置为钳制相。比较此区间内AB两相电流瞬时值大小，若A相瞬时电流绝对值大于B相，则钳制A相电压，反之钳制B相电压。右半侧可以同时允许A、C两相同时设置为钳制相。比较此区间内AC两相电流瞬时值大小，若A相瞬时电流绝对值大于C相，则钳制A相电压，反之钳制C相电压。图中可以看出，在A相电压正半周期内，30°～90°区间内A相电流Ifa有一处大于B相电流，90°～150°区间内Ifa有两处大于C相电流Ifc，故设置三处钳制区间。在该区间内A相电压调制信号将被钳制在V_dc从而A相在该区间内开关管不动作。

图2对本发明的低开关损耗电流控制方法中调制信号的计算流程进行说明。该流程在每个采样周期内均被执行一次。首先，根据参考电压矢量的相位排除一相不能进行钳制的功率管的桥臂。然后，通过比较其他两相电流瞬时绝对值，决定钳制相设置在电流绝对值较大的一相上。进而根据公式（1）计算零序分量大小，并与三相参考电压进行叠加得到补偿电流调制信号。

图3对本发明的有源滤波器电路结构进行实例说明。直流侧电容右侧的三相逆变桥由MOSFET组成，具有高开关频率，但由于MOSFET本身的特性，电流容量小，所以用来补偿幅值低的高次谐波电流。左侧的逆变桥由IGBT组成，IGBT不具有MOSFET那么高的开关频率，但能通过较大的电流，故用来补偿剩余的中低次谐波电流。本发明的低开关损耗补偿电流调制方法用于参与IGBT逆变桥的调制，以降低IGBT在开关过程中的损耗。

可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。