一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器

摘要

本发明公开一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器，包括负载电流传感器、电网电压传感器、APF侧电流传感器、二极管钳位型三电平拓扑电路、母排直流电压传感器、DSP控制器、重复PI控制器和逻辑CPLD器件；所述负载电流传感器、电网电压传感器、APF侧电流传感器和母排直流电压传感器分别将检测的电信号发送至DSP控制器，所述DSP控制器输出的信号经重复PI控制器和逻辑CPLD器件形成12路IGBT驱动信号，输出的12路IGBT驱动信号传送至二极管钳位型三电平拓扑电路用于对IGBT模块进行控制。本发明采用690V进行谐波以及无功补偿的问题，避免谐波引起的有源滤波器谐振问题，减少损耗以及降低谐波对通讯信号的影响。

说明书

技术领域

本发明属于有源滤波器技术领域，涉及到一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器。

背景技术

690V低压系统作为IEC60038中介绍的标准电压系统之一，在欧洲工业中存在着广泛的应用。随着国内工业的蓬勃发展，690V系统在我国大型造纸，石化，冶金，矿井等含有中频炉、大量电机及大型电机负荷的项目中，也开始了较为广泛的应用。随着690V电机的大量使用，690V的变频器也在市场多见。在频率为50Hz的低压系统中，230/400V，400/690V电压均为国际通用的标准电压系统。将现行的380V电压升为660V电压，可增加输电距离，提高输电能力；可减少变压器数量，简化工厂配电系统，提高供电可靠性；可缩小电缆截面，节省有色金属；可降低功率损耗及短路电流值；并扩大异步电动机的容量等等，因而是有效的节电手段之一,其中低压690V系统应用中，常见变压器容量可达3150kVA，能够承载更多负载，从而减少使用变压器数量，提高供电可靠性。针对690V系统的优势，大量的负载开始使用690V电压等级，负载比较多的常见变频器、中频炉等非线性负载，会导致谐波含量THD变高，电流、电压畸变比较严重；因此，需设计一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器来解决690V的电压等级问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器，通过

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器，包括负载电流传感器、电网电压传感器、APF侧电流传感器、二极管钳位型三电平拓扑电路、母排直流电压传感器、DSP控制器、重复PI控制器和逻辑CPLD器件；

所述负载电流传感器、电网电压传感器、APF侧电流传感器和母排直流电压传感器分别将检测的电信号发送至所述DSP控制器，所述DSP控制器对接收的信号进行处理，DSP控制器输出的信号经重复PI控制器和逻辑CPLD器件形成12路IGBT驱动信号，输出的12路IGBT驱动信号传送至二极管钳位型三电平拓扑电路用于对IGBT模块进行控制。

进一步地，还包括非线性负载、690V三相电源、主断路器、软启动电路、LCL滤波器和二极管钳位型三电平拓扑电路；

所述非线性负载通过负载电流传感器与主断路器连接，所述690V三相电源通过电网电压传感器与主断路器连接，所述主断路器通过APF侧电流传感器与软启动电路连接，所述软启动电路与LCL滤波器连接，所述LCL滤波器与二极管钳位型三电平拓扑电路连接。

进一步地，所述软启动电路包括主接触器、软启动电阻和软启动接触器，所述软启动器电阻与软启动接触器串联后与主接触器并联。

进一步地，所述LCL滤波器包括滤波电容、逆变桥侧电抗器和网侧电抗器，所述逆变桥侧电抗器与网侧电抗器进行串联，所述逆变桥侧电抗器与网侧电抗器的中点并联滤波电容。

进一步地，所述二极管钳位型三电平拓扑电路有三个桥臂，同一时间触发需12个触发脉冲，其中任意一个桥臂输出均有三种状态分别为高电平、零电平和低电平。

进一步地，所述DSP控制器产生6路独立PWM输出信号，所述DSP控制器22译码产生路IGBT触发脉冲PWM信号。

本发明的有益效果：本发明通过采用二极管钳位型三电平拓扑电路，降低了IGBT开关管电压的等级和损耗；通过采用LCL滤波电路，降低滤波电感且提高了滤波效果；采用690V进行谐波以及无功补偿的问题，避免谐波引起的有源滤波器谐振问题，通过解决谐波问题，减少损耗以及降低谐波对通讯信号的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器示意图；

图2为本发明DSP与CPLD控制器示意图；

图3为本发明谐波电流检测框图；

图4为本发明重复PI控制示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-非线性负载，2-负载电流传感器，3-电网电压传感器，4-690V三相电源，5-主断路器，6-APF侧电流传感器，7-软启动结构，8-主接触器器，9-软启动电阻，10-软启动接触器，11-LCL滤波器，12-滤波电容，13-逆变桥侧电抗器，14-网侧电抗器，15-二极管钳位型三电平逆变结构，16-IGBT半桥模块，17-钳位二极管，18-母排电容，19-母排直流电压传感器，20-放电电阻，21-放电接触器，22-DSP控制器，23-重复PI控制器，24-逻辑CPLD器件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1所示，本发明为一种690V三电平三桥臂并联型有源滤波器,包括非线性负载1、负载电流传感器2、电网电压传感器3、690V三相电源4、主断路器5、APF侧电流传感器6、软启动电路7、LCL滤波器11和二极管钳位型三电平拓扑电路15；

非线性负载1通过负载电流传感器2与主断路器5连接，690V三相电源4通过电网电压传感器3与主断路器5连接，主断路器5通过APF侧电流传感器6与软启动电路7连接，软启动电路7与LCL滤波器11连接，LCL滤波器11与二极管钳位型三电平拓扑电路15连接。

其中软启动电路7包括主接触器8、软启动电阻9和软启动接触器10，软启动器电阻9与软启动接触器10串联后与主接触器8并联。

其中LCL滤波器11包括滤波电容12、逆变桥侧电抗器13和网侧电抗器14，逆变桥侧电抗器13与网侧电抗器14进行串联，逆变桥侧电抗器13与网侧电抗器14的中点并联滤波电容12。

其中二极管钳位型三电平拓扑电路15包括IGBT半桥模块16、钳位二极管17、母排电容18、母排直流电压传感器19、放电电阻20和放电接触器21，共有六个IGBT半桥模块16，构成三组，每组由两个IGBT半桥模块16串联构成，串联后的两个IGBT半桥模块16分别与其他两组进行并联，两个钳位二极管17串联后分别与串联的两IGBT半桥模块16的中点连接；四个母排电容18构成两组两两串联的母排电容18，串联后的母排电容18和串联后的两个母排直流电压传感器19以及放电电阻20和放电接触器21串联分别与每组IGBT半桥模块16进行并联；两个钳位二极管17分别与串联的两母排电容18的中点以及串联的两母排直流电压传感器19的中点连接。

负载电流传感器2、电网电压传感器3、APF侧电流传感器6和母排直流电压传感器19分别将检测的电信号发送至DSP控制器22，DSP控制器22对接收的信号进行处理，DSP控制器22输出的信号经重复PI控制器23和逻辑CPLD器件24形成12路IGBT驱动信号，输出的12路IGBT驱动信号传送至二极管钳位型三电平拓扑电路15，输出的12路IGBT驱动信号用于对二极管钳位型三电平拓扑电路15中的IGBT模块进行控制。

如图2所示，采用DSP控制器22和逻辑CPLD器件24作为控制器的电力谐波治理专用设备，由指令电流运算电路和补偿电流产生电路两个主要部分组成，指令电流运算电路实时监视非线性负载线路上的电流i_xL，并将模拟电流采样转换为数字信号，送入DSP控制器22，DSP控制器22对信号进行处理，提取谐波分量作为补偿电流参考值；DSP控制器22通过控制算法跟踪补偿电流参考值并结合逻辑CPLD器件24输出12路IGBT开关管触发信号，通过驱动电路向IGBT送出驱动脉冲，驱动IGBT模块，产生与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。

一种690V有源滤波器控制实现方法，通过采集三相负载电流i_xL(x＝a,b,c，下同)，利用瞬时无功功率理论，通过ip-iq算法检测出谐波电流参考值i_xh^*，检测框图如图3所示：

其中，

其中重复PI控制实现方法，控制框图如图4所示：

图中I_ref为输入信号，Ic为输出信号，e为误差信号，，Z^-N为周期延迟环节，N为一个基波周期的采样次数，C(z)为重复控制环路的补偿器，E为电网电压前馈信号，G_PI(z)为PI控制环节，G_APF(z)为控制对象，图中虚线框部分为重复信号发生器内模，其中设置了滤波器Q(z)，以对周期性干扰产生良好的抑制作用。Q(z)可以为小于1的常数，或者具有低通性质的函数。为减弱积分效果，惯常采用Q(z)＝0.95，即上一周期的输出量经过衰减0.95倍和当前误差进行逐基波周期累加，则重复控制器的传递函数为：

一般情况下补偿器C(z)由重复控制增益K_r、超前环节Z^k和滤波器C₁(z)三部分组成：

C(z)＝K_r·z^k·C₁(z)

K_r用来控制稳定裕度和误差收敛速度的合理匹配，取值范围为0到1；相位补偿环节Z^k主要用来补偿P(z)和C(z)在低频段引起的相位滞后；C₁(z)为低通滤波器，主要对P(z)进行幅值补偿。

由于690V有源滤波器采用二极管钳位型三电平拓扑电路15，一个桥臂需要4个触发脉冲，则该电路同一时刻共需要12个触发脉冲；以任一桥臂为例，每项桥臂输出均有三种状态：高电平(输出电压为+1/2Udc)，零电平(输出电压为0)，低电平(输出电压为-1/2Udc)，则每相至少需要两路高低电平信号来表示三种状态，分别对应为10,00,01，因此DSP控制器22共需产生6路独立PWM输出信号，再经DSP控制器22译码产生12路IGBT触发脉冲PWM信号。

本发明采用飞思卡尔公司MC56F84789芯片和Altera公司EPM1270芯片作为控制板的主要芯片，该DSP芯片的增强型PWM模块，可以输出6路独立的PWM信号，满足电路对控制信号的要求。

本发明通过采用二极管钳位型三电平拓扑电路，降低了IGBT开关管电压的等级和损耗；通过采用LCL滤波电路，降低滤波电感且提高了滤波效果；采用690V进行谐波以及无功补偿的问题，避免谐波引起的有源滤波器谐振问题，通过解决谐波问题，减少损耗以及降低谐波对通讯信号的影响。

以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。