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三級有源電力濾波器

二極管箝位三電平拓撲是由日本學者Nabae提出的。1980的a等人。經過近30年的發展,它已經廣泛應用於電力電子技術的各個領域。二極管箝位三電平拓撲的優點是每個開關管承受的反向電壓是DC母線電壓的壹半,電壓電平較高的變換器可以由電壓電平較低的開關組成。在4.2kV電機驅動系統中得到廣泛應用。通常,高電壓、大功率的系統壹般采用三電平技術,這是由功率器件有限的耐壓與變流系統要求的高電壓之間的矛盾決定的。但是我們應該看到二極管箝位三電平拓撲的壹些固有優勢。(1)電壓等級較高的變換器由電壓等級較低的開關管組成。隨著功率器件技術的不斷發展,6500V IGBT已經在市場上銷售,但耐壓越高,開關損耗越高,最大開關頻率越低。3300V以上IGBT最大開關頻率不會超過5 kHz,1200 V的IGBT開關損耗遠大於600V V的IGBT..低壓IGBT的三電平變換器的開關損耗遠低於相同電壓電平的高壓IGBT的兩電平變換器,前者能達到的開關頻率也高於後者。

(2)可以輸出三個電平。二極管箝位三電平變換器可以輸出正母線電壓、負母線電壓和零電壓(簡稱P、N、O)。壹般情況下輸出電壓在P-O and O-N之間跳變,特殊情況下P-N跳變,而兩電平變換器只能在P-N之間跳變..也就是說,三個等級的電壓跳變幅度是DC母線電壓的壹半,而兩個等級的電壓跳變幅度是DC母線電壓的壹半。高電壓跳變幅度會給並網逆變器或有源電力濾波器帶來高紋波電流。為了抑制紋波電流,需要較大的輸出電感和濾波電容,帶來較高的紋波電流損耗。同時,由於輸出濾波電感和電容的原因,電流響應速度也降低,或者輸出電流容量受到壹定程度的限制。對於變頻器來說,給電機帶來沖擊,軸電流大,嚴重影響電機壽命。此外,高電壓跳變幅度還會產生嚴重的電磁幹擾,對周圍的電子設備造成嚴重的危害。三級以其固有的優勢,很大程度上解決了上述問題。

隨著技術的不斷發展,越來越多的人關註三電平技術,同時將其從中壓大功率領域引入400V的低壓小功率應用。許多國際知名功率器件制造商推出了大量適用於400V系統應用的集成二極管箝位三電平功率模塊,有逐步取代傳統兩電平變換器的趨勢。成功應用於400V領域的三電平產品如下:

(1)2008年,日本安川電機公司推出Varispeed G7系列通用矢量變頻器,其400V產品采用了三菱的三電平功率模塊,在應用上取得了巨大成功。

(2)2009年,德州何能工業自動化有限公司基於自主研發的三電平變流器控制技術,推出了HEINV系列三電平光伏並網逆變器。前端采用對稱升壓跟蹤最大功率點,逆變器采用二極管箝位三電平拓撲。兩者相互配合,采用了Semikron的三級功率模塊,各項指標均優於同類兩級產品。

(3)2006年,上海交大與上海鑫源瑞電氣有限公司(當時的上海飛平電子有限公司)合作,推出國內唯壹基於能量算法的有源電力濾波器新系列產品,大大提高了系統的穩定性。該產品在國內137大型項目中的實際應用反饋,證明並標誌著中國FACTS技術已達到國際領先水平。二極管箝位三電平技術在有源電力濾波器領域的應用,國內外已有很多文獻涉及。國內外許多專家學者對此進行了深入的研究,提出了許多新的算法。然而,三電平有源電力濾波器始終沒有從實驗室走向市場。究其原因,可能是技術不夠成熟,控制算法過於復雜,應用成本高,也可能是企業界對此重視不夠,沒有意識到這項技術的優勢。德州何能工業自動化有限公司通過對三電平技術的深入研究和對市場趨勢的正確把握,在行業內率先推出三電平有源電力濾波器產品。

與傳統的兩電平有源電力濾波器相比,三電平有源電力濾波器具有以下優點:SPA3系列有源電力濾波器。

性能描述

可以同時濾除2次到60次諧波。

在40μs內響應負載變化,全響應時間小於10ms(1/2周期)。

單相動態補償不受系統不平衡的影響。

3.8英寸QVGA顯示屏,

MODBUS通信接口有源電力濾波器

采用高達20KHz的IGBT,完美消除諧波。

並聯安裝模式,安裝簡單方便,易於擴展,最多可並聯10臺。

優勢

SPA3是諧波控制的完美解決方案。

動態電流補償可消除諧波並提高功率因數。

減少電纜、開關和變壓器中的諧波發熱。

減少諧波引起的停電和時間。

提高電力利用率並降低運營成本

應用範圍

SPA3適用於工業負載場合。

SPA4系列有源電力濾波器

性能描述

有效消除零序諧波引起的中性點電流。

可同時濾除2 ~ 25階範圍內的全部或選定諧波。

單相動態補償不受系統不平衡的影響。

並聯安裝方式,安裝簡單方便,易於擴展,最多可並聯4臺。

設計和選型簡單,不需要詳細的電網分析,只需要測量諧波電流的大小。

重量輕,可安裝在墻上。

標準通信接口,方便接入用戶現有的通信系統

優勢

SPA4系列是諧波控制的完美解決方案。

動態電流補償可消除諧波並提高功率因數。

減少電纜、開關和變壓器中的諧波發熱。

減少諧波引起的停電和時間。

提高電力利用率並降低運營成本

應用範圍

三相四線適用於商業建築負載場合(1),紋波電流小,電流響應速度快。

紋波電流和電流響應速度是兩個矛盾的指標。作為有源電力濾波器,其基本原理是檢測負載諧波,註入反相諧波,通過諧波的相互抵消達到濾波的目的。壹般的有源電力濾波器是電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流由逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產生。逆變器采用脈寬調制。根據電工的基本原理,紋波電流取決於開關頻率、DC母線電壓和輸出電感,與電流環的控制無關。開關頻率越高,紋波電流越小,DC總線電壓越高,紋波電流越大。輸出電感越大,紋波電流越小。逆變器的預期輸出電流由電流環路控制。如果基波為50Hz,補償50次諧波,有源電力濾波器的輸出諧波電流將達到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應速度有很高的要求。電流響應速度與DC總線電壓和輸出電感有關。DC母線電壓越高,電流響應越快;輸出電感越大,電流響應越慢。我們期望輸出紋波電流越小,電流響應速度越好,這是壹個矛盾。從以上分析可以看出,解決兩電平有源電力濾波器這壹矛盾的唯壹方法就是改進開關。在壹些廠家,兩級有源電力濾波器產品的開關頻率已經達到了20kHz。但是開關頻率的提高帶來了更高的開關損耗和驅動損耗,有源電力濾波器的單機容量會受到限制。對於電壓等級更高的有源電力濾波器,高壓IGBT根本不允許這麽高的開關頻率。然而,三電平有源電力濾波器從原理上解決了上述問題。三電平逆變器可以輸出正、負、零電壓。計算紋波電流時,只需要DC總線電壓的壹半。因此,在開關頻率、DC母線電壓和紋波電流要求相同的前提下,三電平的輸出電感是兩電平的壹半,同時,器件的開關損耗和紋波損耗也會降低。計算電流響應速度時,DC母線電壓全部起作用,壹半輸出電感加快電流響應速度,增強濾波效果,提高單機容量。

(2)提高系統耐壓,應用於更高電壓系統。

通常國內低壓電網是400V,但對於某些行業,其低壓電網會更高。比如石油鉆機的輸電是600V,礦山用電可能是690V或者1140V,而有些行業的電壓等級可能更多樣,但壹般都在500V V以上,如何解決這些行業的諧波治理需求是個問題。通常,為了提高電流響應速度和保證補償效果,處理諧波的有源電力濾波器需要比處理基波的逆變器或並網逆變器更高的DC母線電壓。通常,兩電平逆變器的DC母線電壓是交流電網電壓有效值的兩倍。對於380V的應用,DC總線電壓壹般在700 V到750 V之間,而對於600V,DC總線電壓需要達到1200V..很多企業的做法是加壹個變壓器,把其他等級的電壓變成400V V,傳遞諧波的變壓器是專門設計的,價格較高,體積較大,變壓器損耗較大。采用三電平技術,耐壓更高的變流系統可以由耐壓更低的燈管組成,直接接入電壓更高的電網,同時保證更好的濾波效果和單機容量。

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