本发明专利技术公开一种基于高频隔离交交直接变换器及偶次谐波调制技术的有源滤波器(APF)，其主电路由推挽正激式高频隔离交交直接变换器和传统无功补偿电容器构成，可进行无功和谐波的综合补偿。相对于传统有源滤波器的基于逆变器拓扑，本发明专利技术的有源滤波器没有直流储能装置，仅使用传统无功补偿电容器，整个器件价格更低廉；同时可实现了补偿电容器和电网侧的电气隔离，可靠性更高；并且改变高频变压器变比，相同电压等级和补偿电容器的客观条件下整个器件的补偿容量有更大的自主选择性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电能质量管理领域，特别是低电压输入、需要处理谐波次数较高的精密制造等领域。
技术介绍
随着工业经济的发展，大量的非线性负载尤其是各类电力电子装置接入电网，在电网中产生了大量的谐波污染，严重影响了网侧电能质量。广大工业厂商面临着提高自身功率因数、限制谐波含量的挑战。目前，谐波抑制的一个重要研究内容就是有源电力滤波器。并联有源电力滤波器通过产生与谐波波形一致但相位相反的电流来补偿由非线性负载产生的谐波电流。传统有源滤波器都是基于逆变器拓，最常见的是电压源逆变器，例如SVC、SVG等。电压源逆变器的直流侧采用大容量电解电容器组作为储能元件，电解电容的使用带来如下问题：首先，电解电容寿命较短，容易损坏，从而使得APF装置可靠性较差；其次，储能电容体积大，价格昂贵，大大限制了APF的市场前景。所以传统APF在工业生产上的应用并不广泛。近年来，学术界基于单项结构的交流斩波器，提出了名为虚拟正交源的新型交交变换器控制策略，并基于此发展处一类新型Inverter-Less STATCOM。该概念的基本思想是将传统的斩波器的固定占空比用一个时变量代替，时变占空比由偶次谐波调制技术实现，从而突破了传统斩波器不能合成任意频率与相位的正弦输出电压的局限。并且，当斩波器负载侧接传统无功补偿电容器，就可以实现无功和谐波的综合补偿，而无功补偿电容器比储能电容体积小，价格低，可靠性高。目前的新型APF研究中，交交变换器主要采用传统的交流斩波器，其由双向功率开关管结合DC-DC变换器直接得到。即目前的新型APF都是基于Buck型和Boost型基本交流斩波器展开，补偿容量较小，研究内容单一，因而这项新技术尚且处在一个发展阶段，新型交流变换器的引入、补偿容量的增加以及闭环控制方案的设计等方面都有待深入研究。
技术实现思路
本专利技术在基于交流斩波器的新型APF技术上引入高频隔离变换器，提出一种适用于三相三线系统的基于高频隔离交交变换器的新型APF结构，可以实现无功和谐波综合补偿的功能。该结构使用传统无功补偿电容器，价格低廉；采用高频隔离交交变换器，实现了补偿电容器和网侧的电气隔离，装置可靠性更高；改变高频变压器变比，相同电压等级和补偿电容器的条件下可以设计更大补偿容量的补偿装置。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于高频隔离交交直接变换器及偶次谐波调制技术的有源滤波器，单相主功率电路包括推挽正激式高频隔离交交直接变换器和传统无功补偿电容器。整个有源滤波器具有三相APF主功率电路，其中每个单相APF主功率电路采用推挽正激式高频隔离交交直接变换器与电容器并联，每个推挽正激式高频隔离交交直接变换器包括交流输入单元、输入滤波器、高频隔离式推挽正激变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流电容负载。推挽正激式高频隔离交交直接变换器整体上可以分为五个部分：高频变压器T，变压器原边的推挽正激结构斩波器1，变压器副边全波整流斩波器2，输入滤波器和输出滤波器。高频变压器有四个绕组：Tp1、Tp2、、Ts1和Tp2。变压器原边同名端之间接入一个箝位电容Cs，实现了对高频变压器漏感能量的回收,同时也抑制原边开关管电压尖峰。推挽正激结构斩波器1和全波整流斩波器2中双向开关由两个串联的开关管分别由S1a和S1b、S1c和S1d、S2a和S2b、S2c和S2d串联组成，每个开关管dou并联一个相应的二极管，其中串联的两个开关管的源极S共用，驱动信号加在两个开关管共用的源极和各自的栅极之间。输入滤波器Li和Ci用于滤除变换器输入电流中的谐波成分，主要是开关频率成分。输出滤波器滤Lf和Cf除输出电压的开关频率成分。传统无功补偿电容器C作为交交变换器的负载。三相主功率电路按照Y型连接方式并入电网。使用一个时变占空比控制推挽正激式高频隔离交交直接变换器，变换器会向网侧注入含有容性成分和各次谐波成分的电流。容性电流超前电压相位90°，实现无功补偿功能；各次注入谐波和电网含有谐波相位相反幅值相同，实现谐波补偿功能。通过对变换器时变占空比控制，实现无功和谐波动态综合补偿。本专利技术的控制策略采用偶次谐波调制技术和逐次谐波补偿控制方案。即采样网侧的电压和电流，根据相应的算法计算出无功和各次谐波成分，作为控制电路的指令信号。控制电路将指令信号按照对应的算法，得到偶次调制波信号，作为控制信号，由控制信号得到最终交交变换器的驱动信号。因为检测环节需要针对系统含有的谐波成分进行针对性的补偿，因此这种控制被称为逐次谐波补偿控制。与现有APF系统相比，本专利技术的有益效果是：1.相对于传统APF，本专利技术没有直流储能装置，仅使用传统无功补偿电容器，从而装置价格更加低廉；2.不同于传统基于逆变器的APF所采用的检测谐波总含量一并进行补偿的控制策略，提出的新型APF采用逐次谐波补偿方案，因而根据含有不同谐波成分的网络情况新型APF可以更加具有针对性，同时更加容易实现对较高次谐波的补偿。3.相比于基于交流斩波器的APF，本专利技术实现了补偿电容器和电网侧的电气隔离，装置可靠性更高；并且改变高频变压器变比，相同电压等级和补偿电容器的客观条件下本专利技术的补偿容量有更大的自主选择性。附图说明图1是本专利技术一种基于高频隔离交交直接变换器及偶次谐波调制技术的有源滤波器的系统结构图。图2是本专利技术推挽正激式高频隔离交交直接变换器的示意图。图3是本专利技术新型有源滤波器的控制系统示意图。图4a、4b分别是本专利技术有源滤波器投入电网前后电网电压和电流波形示意图。具体实施方式结合图1、图2所示，根据本专利技术的实施例，一种基于高频隔离交交直接变换器及偶次谐波调制技术的有源滤波器，具有三相APF主功率电路，其中每个单相APF主功率电路采用推挽正激式高频隔离交交直接变换器与电容器并联。如图2所示，本专利技术的实施例中，每个推挽正激式高频隔离交交直接变换器包括交流输入单元1、输入滤波器2、高频隔离式推挽正激变换单元3、周波变换器4、输出滤波器5和输出交流电容负载6。交流输入单元1与输入滤波器2一端连接，输入滤波器2另一端与高频隔离式推挽正激变换单元3一端连接，高频隔离式推挽正激变换单元3另一端与连接周波变换器4一端连接，周波变换器4另一端与输出滤波器5一端连接，输出滤波器5另一端与输出交流电容负载6连接。输入滤波器2包括滤波电感Li和滤波电容Ci；滤波电感Li一端与交流交流输入单元1正极相连，另一端与滤波电容Ci一端相连；滤波电容Ci另一端与交流输入单元1负极相连。高频隔离式推挽正激变换单元3包括第一双向开关管SA、第二双向功率开关管SB、高频变压器和箝位电容Cs；所述的第一双向功率开关管SA和第二双向功率开关管SB都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管SA包括第一功率开关管S1a，第一二极管V1a，第二功率开关管S1b，第二二极管V1b，第一功率开关管S1a的漏极和第一二极管V1a的阴极相连作为第一双向开关管SA的一端，第一功率开关管S1a的阳极、第一二极管V1a阳极、第二功率开关管S1b的源极、第二二极管V1b的阳极连在一起，第二功率开关管S1b的漏极和第二二极管V1b的阴极相连作为第一双向功率开关管SA的另一端；第二双向功率开关管SB包括第三功率开关管本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于高频隔离交交直接变换器及偶次谐波调制技术的有源滤波器，其特征在于：具有三相APF主功率电路，其中每个单相APF主功率电路采用推挽正激式高频隔离交交直接变换器与电容器并联，每个推挽正激式高频隔离交交直接变换器包括交流输入单元(1)、输入滤波器(2)、高频隔离式推挽正激变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和输出交流电容负载(6)；交流输入单元(1)与输入滤波器(2)一端连接，输入滤波器(2)另一端与高频隔离式推挽正激变换单元(3)一端连接，高频隔离式推挽正激变换单元(3)另一端与连接周波变换器(4)一端连接，周波变换器(4)另一端与输出滤波器(5)一端连接，输出滤波器(5)另一端与输出交流电容负载(6)连接；其中：输入滤波器(2)包括滤波电感(Li)和滤波电容(Ci)；滤波电感(Li)一端与交流交流输入单元(1)正极相连，另一端与滤波电容(Ci)一端相连；滤波电容(Ci)另一端与交流输入单元(1)负极相连；高频隔离式推挽正激变换单元(3)包括第一双向开关管(SA)、第二双向功率开关管(SB)、高频变压器和箝位电容(Cs)；所述的第一双向功率开关管(SA)和第二双向功率开关管(SB)都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管(SA)包括第一功率开关管(S1a)，第一二极管(V1a)，第二功率开关管(S1b)，第二二极管(V1b)，第一功率开关管(S1a)的漏极和第一二极管(V1a)的阴极相连作为第一双向开关管(SA)的一端，第一功率开关管(S1a)的阳极、第一二极管(V1a)阳极、第二功率开关管(S1b)的源极、第二二极管(V1b)的阳极连在一起，第二功率开关管(S1b)的漏极和第二二极管(V1b)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)的另一端；第二双向功率开关管(SB)包括第三功率开关管(S1c)，第三二极管(V1c)，第四功率开关管(S1d)，第四二极管(V1d)；第三功率开关管(S1c)的漏极和第三二极管(V1c)的阴极相连作为第二双向开关管(SB)的一端，第三功率开关管(S1c)的阳极、第三二极管(V1c)阳极、第四功率开关管(S1d)的源极、第四二极管(V1d)的阳极连在一起，第四功率开关管(S1d)的漏极和第四二极管(V1d)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)的另一端；高频变压器包括高频隔离变压器第一原边绕组(Tp1)，高频隔离变压器第二原边绕组(Tp2)，高频隔离变压器第一副边绕组(Ts1)，高频隔离变压器第二副边绕组(Ts2)；第一双向功率开关管(SA)的一端与高频隔离变压器第二原边绕组(Tp1)的非同名端相连，第一双向功率开关管(SA)的另一端与箝位电容(Cs)的一端和高频隔离变压器第一原边绕组(Tp1)的同名端相连；箝位电容(Cs)另一端与高频隔离变压器第二原边绕组(Tp1)的同名端和第二双向功率开关管(SB)的一端相连，第二双向功率开关管(SB)的另一端与高频隔离变压器第一原边绕组(Tp1)的非同名端相连；周波变换器(4)包括第三双向开关管(SC)和第四双向功率开关管(SD)；第三双向功率开关管(SC)包括第五功率开关管(S2a)，第五二极管(V2a)，第六功率开关管(S2b)，第六二极管(V2b)，第五功率开关管(S2a)的漏极和第五二极管(V2a)的阴极相连作为第三双向开关管(SC)的一端，第五功率开关管(S2a)的阳极、第五二极管(V2a)阳极、第六功率开关管(S2b)的源极、第六二极管(V2b)的阳极连在一起，第六功率开关管(S2b)的漏极和第六二极管(V2b)的阴极相连作为第三双向功率开关管(SC)的另一端；第四双向功率开关管(SD)包括第七功率开关管(S2c)，第七二极管(V2c)，第八功率开关管(S2d)，第八二极管(V2d)；第七功率开关管(S2c)的漏极和第七二极管(V2c)的阴极相连作为第四双向开关管(SD)的一端，第七功率开关管(S2c)的阳极、第七二极管(V2c)阳极、第八功率开关管(S2d)的源极、第八二极管(V2d)的阳极连在一起，第八功率开关管(S2d)的漏极和第八二极管(V2d)的阴极相连作为第四双向功率开关管(SD)的另一端；第三双向功率开关管(SC)的一端与高频隔离变压器第一副边绕组(Ts1)的同名端相连，第三双向功率开关管(SC)的另一端与第四双向功率开关管(SD)的另一端连接，第四双向功率开关管(SD)的一端与高频隔离变压器第二副边绕组(Ts2)的非同名端与相连，第四双向功率开关管(SD)的另一端与第三双向功率开关管(SC)的另一端连接；输出滤波器(5)包含输出滤波电容(Cf)和输出滤波电感(Lf)，输出滤波电感(Lf)一端与第三双向功率开关管(SC)的一端相连，另一...
【技术特征摘要】
1.一种基于高频隔离交交直接变换器及偶次谐波调制技术的有源滤波器，其特征在于：具有三相APF主功率电路，其中每个单相APF主功率电路采用推挽正激式高频隔离交交直接变换器与电容器并联，每个推挽正激式高频隔离交交直接变换器包括交流输入单元(1)、输入滤波器(2)、高频隔离式推挽正激变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和输出交流电容负载(6)；交流输入单元(1)与输入滤波器(2)一端连接，输入滤波器(2)另一端与高频隔离式推挽正激变换单元(3)一端连接，高频隔离式推挽正激变换单元(3)另一端与连接周波变换器(4)一端连接，周波变换器(4)另一端与输出滤波器(5)一端连接，输出滤波器(5)另一端与输出交流电容负载(6)连接；其中：输入滤波器(2)包括滤波电感(Li)和滤波电容(Ci)；滤波电感(Li)一端与交流交流输入单元(1)正极相连，另一端与滤波电容(Ci)一端相连；滤波电容(Ci)另一端与交流输入单元(1)负极相连；高频隔离式推挽正激变换单元(3)包括第一双向开关管(SA)、第二双向功率开关管(SB)、高频变压器和箝位电容(Cs)；所述的第一双向功率开关管(SA)和第二双向功率开关管(SB)都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管(SA)包括第一功率开关管(S1a)，第一二极管(V1a)，第二功率开关管(S1b)，第二二极管(V1b)，第一功率开关管(S1a)的漏极和第一二极管(V1a)的阴极相连作为第一双向开关管(SA)的一端，第一功率开关管(S1a)的阳极、第一二极管(V1a)阳极、第二功率开关管(S1b)的源极、第二二极管(V1b)的阳极连在一起，第二功率开关管(S1b)的漏极和第二二极管(V1b)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)的另一端；第二双向功率开关管(SB)包括第三功率开关管(S1c)，第三二极管(V1c)，第四功率开关管(S1d)，第四二极管(V1d)；第三功率开关管(S1c)的漏极和第三二极管(V1c)的阴极相连作为第二双向开关管(SB)的一端，第三功率开关管(S1c)的阳极、第三二极管(V1c)阳极、第四功率开关管(S1d)的源极、第四二极管(V1d)的阳极连在一起，第四功率开关管(S1d)的漏极和第四二极管(V1d)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)的另一端；高频变压器包括高频隔离变压器第一原边绕组(Tp1)，高频隔离变压器第二原边绕组(Tp2)，高频隔离变压器第一副边绕组(Ts1)，高频隔离变压器第二副边绕组(Ts2)；第一双向功率开关管(SA)的一端与高频隔离变压器第二原边绕组(Tp1)的非同名端相连，第一双向功率开关管(SA)的另一端与箝位电容(Cs)的一端和高频隔离变压器第一原边绕组(Tp1)的同名端相连；箝位电容(Cs)另一端与高频隔离变压器第二原边绕组(Tp1)的同名端和第二双向功率开关管(SB)的一端相连，第二双向功率开关管(SB)的另一端与高频隔离变压器...
【专利技术属性】
技术研发人员：师贺，李磊，马爱华，管月，郭伟，龚坤珊，陶兆俊，严潇，高扬，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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