[发明专利]一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构及方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统动态无功补偿和谐波治理技术领域，涉及一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构及方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，各种非线性电力电子装置在电力系统、工业（特别是冶金、钢铁、化工等）、交通、楼宇自动化及家庭中获得了广泛的应用，并且其装置容量不断增大和控制方式多样化等，使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，电网中的谐波污染状况日益严重。对于电网中的无功功率补偿和谐波抑制，国内外采用较多的是无源电力滤波器（passive power filter，PPF），其结构简单、成本低、对于特定次谐波有良好的滤波效果。如冶金和钢铁等行业供电电网上，一般均安装PPF，容量从几MVA到几十MVA，它们对改善电网质量发挥了一定作用，但是其滤波效果受电网阻抗和自身参数影响较大，且宜与电网阻抗发生串并联谐振，容易引起事故，比如电容器烧毁，过电压、过电流引起主开关频繁跳闸，严重影响供电安全。为了克服PPF的不足，有源电力滤波器（active power filter，APF）是目前研究和应用的热点。与PPF相比，APF具有以下优点和特点：

1．具有多种补偿功能，不仅能够补偿各次谐波，还可以动态补偿无功功率和负序电流等；

2．滤波性能不受电网阻抗的影响，不会与电网阻抗发生串并联谐振；

3．谐波补偿特性不受电网频率变化的影响；

4．实现了谐波动态抑制，能够快速响应谐波的频率和大小发生的变化；

5．由于装置本身的输出能力有限，即使系统谐波含量增大也不会出现过载现象；

6．具有良好的性价比，一台APF可以完成多次谐波治理；

7．可以对一个谐波源单独治理，也可以同时对多个谐波源进行集中治理。

正因为APF具有很多优点和特点，越来越被用户接受和采用。由于受目前电力电子开关器件的限制，APF常用于低压供电系统谐波治理场合。对于中、高压大容量谐波治理场合，APF主电路一般需要采用开关器件的串、并联，多重化和多电平技术。采用开关器件的串、并联需要解决器件的动态均压、均流问题；多重化技术中采用的变压器具有饱和性和非线性，带来控制复杂、保护困难等问题；采用多电平技术是提高APF容量的一个重要的研究方向。

1996年，F. Z. Peng,和J. S. Lai等人在“A Multilevel voltage-source inverter with separate DC source for Static Var Generation（IEEE Transactions on Industry Applications, 1996, 32(5):1130-1138）”文中提出了链式多电平逆变器的拓补结构，将这种拓扑结构应用于APF中，构成链式有源电力滤波器可以显著提高APF装置的容量和耐压等级，可不通过升压变压器用于中高压大容量非线性负载的谐波补偿，具有广阔的应用前景。

链式APF的主电路是链式多电平逆变器，每一相都是一个独立的链，由结构完全相同的多个链节单元级联组成，每个链节单元是一个可输出三电平的单相全桥逆变器及其控制单元组成。随着链节单元级联数目的增加，装置的容量和耐压等级也相应增加。然而大量的使用开关器件必然会增加故障发生的概率，这就有必要增加冗余链节单元，当少于或者等于冗余个数链节单元故障时，故障链节单元能被旁路，装置在故障链节单元旁路后继续运行，提高装置的利用率和可靠性。因此每个链节单元有必要设计简单、经济、可靠的旁路结构。

中国专利201010624231.1和中国专利201020700497.5提供一种采用机械开关的链式STATCOM链节单元旁路结构，选用特殊设计的机械开关作为链节单元的旁路结构，该电路结构简单，选用原件数量小，安装操作方便。中国专利201010261610.9提供了一种采用接触器作为变频器链节单元的旁路结构。中国专利200520050490.2、中国专利200810113842.2、中国专利200810113844.1均采用可控硅作为链节单元的旁路结构。以上旁路结构均采用增加功率器件来完成链节单元旁路，这样增加了额外的成本和体积；同时采用接触器或者可控硅作为旁路的执行器件，完成旁路功能需要的时间较长。

发明内容