一种H桥级联式多电平有源电力滤波器装置

技术领域

本发明属于高压大功率变流器领域，尤其涉及一种H桥级联式多电平有源电力滤波器装置。

背景技术

有源滤波器与无源滤波相比具有巨大的技术优势，在许多国家尤其是日本、美国、德国等国家得到了广泛的应用。随着电力电子器件制造工艺的提高和新的控制策略及拓扑结构的提出，有源滤波器技术将会更加普及。高电压大容量是有源电力滤波器今后的发展趋势。在高压、大功率场所，为了解决逆变器开关管耐压高，开关频率低的矛盾，传统做法是在有源电力滤波器装置前加变压器，将系统的高压变为常用的380V的电压等级。此种变压器经过特殊设计，价格高昂，体积庞大，变压器损耗较高。本发明设计了一种H桥级联式多电平的有源电力滤波器装置，不需要经过特殊设计的变压器，装置直接挂网，解决了在高压场所应用变压器所带来的设备损耗高、装置延时时间长、柜体体积大，设备成本较高的缺陷；同时在保证开关频率的同时，降低了开关管的耐压等级。

发明内容

本发明是针对有源电力滤波器装置应用于高压、大功率场合，采用H桥级联式的拓扑结构，此种拓扑结构可以直接挂网，不需要配置专用的变压器，具有结构简单、易于模块化的优点，以解决现有技术中电力有源滤波器应用于高压、大功率场合，需要配置专用变压器，设备成本高且安装空间大的缺陷。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种H桥级联式多电平有源电力滤波器装置，

一种H桥级联式多电平有源电力滤波器装置，主回路包括隔离开关(QS)，主接触器(KM1)，第一熔断器(FUa)、第二熔断器(FUb)、第三熔断器(FUc)，第一避雷器(FV-A)、第二避雷器(FV-B)、第三避雷器(FV-C)，第一网侧电抗器(L1)、第二网侧电抗器(L2)、第三网侧电抗器(L3)，第一桥侧电抗器(L4)、第二桥侧电抗器(L5)、第三桥侧电抗器(L6)，第一电压霍尔(HVT1)、第二电压霍尔(HVT2)、第三电压霍尔(HVT3)，第一电流霍尔(HAT1)、第二电流霍尔(HAT2)、第三电流霍尔(HAT3)，滤波支路，软启回路和级联式单元逆变模块；

所述3个熔断器第一熔断器(FUa)、第二熔断器(FUb)、第三熔断器(FUc)在主接触器(KM1)之后串联连接，作整个装置的过流保护；所述3个避雷器第一避雷器(FV-A)、第二避雷器(FV-B)、第三避雷器(FV-C)并联在3个熔断器第一熔断器(FUa)、第二熔断器(FUb)、第三熔断器(FUc)之后，作整个装置的防雷保护；所述3个网侧电抗第一网侧电抗器(L1)、第二网侧电抗器(L2)、第三网侧电抗器(L3)，3个桥侧电抗第一桥侧电抗器(L4)、第二桥侧电抗器(L5)、第三桥侧电抗器(L6)，串联连接在3个熔断器第一熔断器(FUa)、第二熔断器(FUb)、第三熔断器(FUc)之后；所述电压霍尔第一电压霍尔(HVT1)、第二电压霍尔(HVT2)、第三电压霍尔(HVT3)并联在隔离变压器原边侧，用作系统电压采样；所述电流霍尔第一电流霍尔(HAT1)、第二电流霍尔(HAT2)、第三电流霍尔(HAT3)串联连接在桥侧电抗之后，用作桥侧电流采样；

其特征在于：

所述主回路隔离开关(QS)直接与网侧高压系统相连接，作主回路隔离高压用；

所述软启回路并联在主接触器(KM1)两侧，包括主接触器(KM1)，2个隔离变压器第一隔离变压器(T1)、第二隔离变压器(T2)，3个软启熔断器第一软启熔断器(FU1)、第二软启熔断器(FU2)、第三软启熔断器(FU3)，3个软启电阻第一软启电阻(R1)、第二软启电阻(R2)、第三软启电阻(R3)和1个软启接触器(KM2)；其中，主接触器(KM1)在隔离开关QS之后串联连接；第一隔离变压器(T1)、第二隔离变压器(T2)的原边并联连接在主接触器(KM1)两侧，所述第一软启熔断器(FU1)、第二软启熔断器(FU2)、第三软启熔断器(FU3)，软启接触器(KM2)，第一软启电阻(R1)、第二软启电阻(R2)、第三软启电阻(R3)依次串联连接在2个隔离变压器第一隔离变压器(T1)、第二隔离变压器(T2)的副边；

所述滤波支路并联连接在网侧电抗(L1)、(L2)、(L3)和桥侧电抗(L4)、(L5)、(L6)之间；

所述滤波接触器(KM3)串联连接在滤波支路侧，用作接通、断开滤波支路；

所述级联式单元逆变模块由6个H桥单元逆变模块组成，实行2个H桥单元逆变模块串联、相间星型连接的形式接在主回路侧。

进一步的，所述级联的H桥单元逆变模块主要由IGBT模块、驱动模块、单元控制板、吸收电容、电解电容及均压电阻组成；

所述驱动模块直接焊接在IGBT模块上；单元控制板与驱动模块通过排线连接，给IGBT提供PWM脉冲信号；单元控制板通过光纤与上位机连接，接受上位机发出的H桥驱动脉冲指令；

所述吸收电容并联连接在每个IGBT模块直流侧；所述电解电容并联连接在IGBT模块的直流侧；所述均压电阻与电解电容并联连接。

本发明的有益效果是：本发明H桥级联式多电平有源电力滤波器具有以下有益效果：

(1)本发明可以应用于660V～1260V高压系统，不需要特殊设计的变压器进行降压，装置直接挂网。装置响应快(无功补偿响应时间≤7ms，谐波补偿响应时间≤16ms)、体积小、成本低。

(2)采用H桥级联式多电平的拓扑结构，每个H桥单元逆变模块的结构相同，易进行模块化设计和封装；单元开关器件所承受的耐压低，所用开关器件少。

(3)本装置的每个H桥单元逆变模块都带有独立的直流电源，相互之间没有直接的电联系，不存在直流侧均压问题。

附图说明

图1为本发明H桥单元逆变模块的拓扑图。

图2为本发明H桥级联式多电平有源滤波器主回路图。

其中，1-IGBT模块、2-驱动模块、3-单元控制板、4-吸收电容、5-电解电容、6-均压电阻；7-滤波支路、8-H桥单元逆变模块、9-级联式单元逆变模块、10-软启回路。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的原理特征。

本发明所述的H桥级联式电力有源电力滤波器应用于海上石油钻井平台，系统电压为1140V～1260V，本装置输出电流≥60A。

本发明电力有源滤波器装置主回路使用的隔离开关专用于海洋石油平台。隔离开关与真空接触器配合使用构成装置主回路的控制系统。其中隔离开关带有专用的开关手柄，该隔离开关可有效的与电力系统进行电气隔离，以保证在设备检修时，工作人员和设备的安全。

1个真空接触器KM1，2个隔离变压器T1、T2，3个软启熔断器FU1、FU2、FU3，1个软启接触器KM2和3个软启电阻R1、R2、R3构成了装置的软启回路。

2个隔离变压器T1、T2的变比、容量完全一致，熔断器、接触器、软启电阻串联连接在2个隔离变压器的副边侧。闭合隔离开关，软启接触器闭合，通过回路隔离变压器T1，软启熔断器FU1～3，软启接触器KM2，软启电阻R1～3，隔离变压器T2，来给级联的H桥单元逆变模块的直流侧进行预充电。主控制器判断直流侧电压值，充电完毕，闭合主接触器KM1，断开软启接触器KM2，实现了装置的软启动。同时，隔离变压器T1副边侧通过一个微型断路器QF1和一个滤波器LV为装置提供控制电源，隔离变压器T2的副边侧通过接触器KM2的常开点和保险接装置的散热离心风机。

此种软启回路采用隔离变压器，其一次侧与二次侧电气完全隔离，对高压侧的电源进行了良好的过滤，抑制高频杂波传入控制回路。软启回路所用器件均为低压380V器件，成本低、器件小，节省了柜体空间。

断路器QF1作为控制电源的上级保护、控制开关，为装置的控制电源系统提供过载、短路保护。同时在装置控制电源系统进线侧装入滤波器，滤除系统中的谐波，给装置的控制电源系统提供纯净的直流电。

本装置所采用的熔断器为灵敏度高的快速熔断器，快速熔断器具有速度快、效率高的优势。该快速熔断器可以为本装置提供更好的过载保护和更可靠的短路保护。

用来滤除电网高次谐波的网侧电抗L1、L2、L3和滤除PWM变流器运行中产生的高频纹波电流的桥侧电抗L4、L5、L6均采用软磁电抗器。软磁电抗器相比较于传统的电抗器具有损耗小、温升低、噪音小、体积小的优势。

本装置在主回路网侧电抗和桥侧电抗中并联加入LCL滤波支路，由接触器KM3的常开触点控制滤波支路的通断。LCL滤波支路用来滤除逆变单元中开关管的高次谐波，防止开关管的高次谐波注入电网。LCL滤波支路、网侧电抗和桥侧电抗共同组成了装置的滤波系统

本装置级联的H桥单元逆变模块主要是由IGBT模块、吸收电容、电解电容、均压电阻组成，如图1所示。模块采用大功率的IGBT，IGBT的驱动模块直接焊接在IGBT模块上。H桥单元逆变模块内部的单元控制板与驱动模块通过排线连接，给IGBT提供PWM脉冲信号。单元控制板通过光纤与上位机连接，接受上位机发出的H桥驱动脉冲指令。

单元逆变模块内部的吸收电容用于保护IGBT，消除由于母排的杂散电感引起的尖峰电压。电解电容起到直流支撑的作用。均压电阻解决了由于电容串联带来的由于电容容量和绝缘电阻的差别而造成的电压不均问题。

本装置的功率柜实行每相两个H桥单元逆变模块串联，相间星接的结构。每个H桥单元逆变模块都带有独立的直流电源，相互之间没有直接的电联系，不存在均压问题。经过PWM调制可以输出+Ud、0、-Ud三个电平。本装置中每相2个H桥串联，每相可以输出2N+1＝5电平。

应用此种级联结构具有损耗小、成本低、无变压器的铁磁非线性问题、且占地面积小。主电路结构简单、不需要钳位器件，控制器设计简单，当输出相同电平数的电压时，所需要的开关器件数量最少。