专利名称：一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构及方法
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-sourceinverter with separate DC source for Static Var Generation (IEEE Transactionson 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、可靠的芳路结构。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STATC0M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
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种在任何一个开关器件出现故障时均可对链节单元进行旁路控制，性能稳定、可靠，利用率高，且可减少额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构及基于该旁路控制结构的控制方法。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，包括主控制器、一用于产生补偿电压并可对其链节单元旁路控制的链式多电平逆变器和一用于产生补偿电流的并与电网连接的电抗器；所述链式多电平逆变器主要由两个以上的级联的链节单元组成；每个所述链节单元均包含单元控制器、故障检测电路、单相全桥逆变器、DC/DC电源和直流耦合电路，所述单元控制器与所述主控制器、故障检测电路和单相全桥逆变器连接，所述直流耦合电路的输入端与其所在的链节单元的直流电压两端和邻近的链节单元的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源的输入端与所述直流耦合电路的输出端电连接，所述DC/DC电源的输出端与所述单元控制器电连接，供给各组成部件的工作电源。进一步地，所述单相全桥逆变器主要由四个开关器件SI S4、四个二极管Dl D4和一个电容C组成，所述开关器件SI和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的所述开关器件SI和开关器件S2与串联连接的所述开关器件S3和开关器件S4并联连接，并且四个所述开关器件SI S4与四个所述二极管Dl D4依次一对一地反并联连接；其中所述开关器件SI的集电极与二极管Dl的阴极相连接的一端为P端，所述开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，所述开关器件SI和开关器件S2及其反并联的二极管Dl和二极管D2串联电路的中点为U端，所述开关器件S3和开关器件S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与所述电容C的正端和负端相连接，同时所述P端和M端还与所述U端和V端一并与所述故障检测电路相连接。进一步地，所述故障检测电路包括有四组电路结构相同的第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元，每组所述检测单元均主要由一个光电隔离模块、四个二极管D5 D8、四个电阻Rl R4和两个电容Cl和C2组成，所述二极管D5、二极管D6、电阻Rl和电阻R3依次导通连接在所述光电隔离模块的其中一个输入端上，所述光电隔离模块的另一个输入端上导通连接有所述二极管D8，所述电阻R2、二极管D7和电容Cl的两端均分别与所述光电隔离模块的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且所述电阻R2和二极管D7的一端连接在所述电阻Rl和电阻R3之间，所述电容Cl的一端连接在所述电阻R3和所述光电隔离模块的输入端之间，所述光电隔离模块的其中一个输出端导通连接有所述电阻R4，另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与所述光电隔离模块的两个输出端导通连接；其中所述第一检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的P端和U端导通连接，所述第二检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的U端和M端导通连接，所述第三检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的P端和V端导通连接，所述第四检测单元的输入端与所述单相全桥逆变器的V端和M端导通连接，而且所述第一检测单元、第二检测单元、第三检测单元和第四检测单元的输出端分别是Fl端、F2端、F3端和F4端，并与所述单元控制器导通连接。进一步地，所述直流耦合电路包括有由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管和由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管；其中所述由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器的P端和邻近链节单元的单相全桥逆变器的P’端导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源的V1+输入端导通连接；所述由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器的M端和邻近链节单元的单相全桥逆变器的M，端导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源的输入端导通连接。进一步地，所述直流耦合电路优选方案包括有由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管和由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管；其中所述由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器的P端和两个邻近链节单元的单相全桥逆变器的P’端、P”导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源的V1+输入端导通连接；所述由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器的M端和两个邻近链节单元的单相全桥逆变器的M，端、M”导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源的V1-输入端导通连接。一种基于所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构的控制方法，实时地对链式有源电力滤波器的链式多电平逆变器中每一链节单元中开关器件的状态进行检测，并对其故障类型进行分类判断，充分利用该故障开关器件所在的链节单元中非故障开关器件的控制来达到旁路该故障链节单元的目的。进一步地，本控制方法包括有以下步骤
a.故障检测电路实时检测其所在链节单元中单相全桥逆变器的开关器件的状态；
b.该故障链节单元的单元控制器对故障检测电路所检测到的故障信息进行判断和故障分类；
c.主控制器根据故障链节单元的单元控制器上报的故障分类发出相应的旁路控制命令；
d.该故障链节单元的单元控制器根据接收到主控制器发出的旁路控制命令对单相全桥逆变器的开关器件进行合理的开通控制，使该故障链节单元的单相全桥逆变器输出短路，实现旁路该故障链节单元的目的。进一步地，所述该故障链节单元的单元控制器根据接收到主控制器发出的旁路控制命令对单相全桥逆变器的开关器件进行合理的开通控制，具体为该故障链节单元的单元控制器根据接收到主控制器发出的旁路控制命令向单相全桥逆变器中非故障的开关器件发出开关信号，使开关器件SI和开关器件S3或者开关器件S2和开关器件S4导通，从而输出短路，实现旁路控制。本发明的有益效果是
本发明通过上述技术方案，在任何一个开关器件出现短路和开路故障及其它特定故障时，均可对该出现故障的开关器件所在的链节单元进行旁路控制，保证了该有源电路滤波器的正常工作，性能稳定、可靠，利用率高，解决了必须退出运行并排除故障后方才投入使用的问题，而且无需额外附加旁路器件，减少了额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少于采用接触器和可控硅完成旁路功能所用时间。同时本发明所述的控制方法不仅可以用于开关器件开路和短路故障检测，还适用于链式多电平变换器的其它应用场合，如静止同步补偿器(STATC0M)、静止无功发生器(SVG)、变频器等系统中的链节单元旁路控制。
图1是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例的结构示意 图2是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中链节单元与主控制器的结构示意 图3是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中单相全桥逆变器的结构示意 图4是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中故障检测电路的结构示意 图5是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中单相全桥逆变器的门极触发信号波形 图6是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中直流耦合电路的结构示意 图7是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中另一直流耦合电路的结构示意 图8是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中开关器件没有发生开路故障时的检测波形 图9是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中开关器件SI和开关器件S2发生开路故障时的检测波形 图10是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构实施例中开关器件S3和开关器件S4发生开路故障时的检测波形图； 图11是本发明所述一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构的控制方法的流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。如图1、图2、图3和图5中所示
本发明实施例所述的一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，包括有主控制器1、一用于产生补偿电压并可对其链节单元旁路控制的链式多电平逆变器2和一用于产生补偿电流的并与电网连接的电抗器3，根据电网无功功率补偿和谐波治理的需要，多电平逆变器2产生补偿电压，通过电抗器3后产生补偿电流，该电流注入到电网中，用于补偿电网中所需的无功电流和谐波电流。所述链式多电平逆变器2主要由两个以上的级联的链节单元21组成；每个链节单元21均包含单元控制器211、故障检测电路212、单相全桥逆变器213、DC/DC电源214和直流耦合电路215，所述单元控制器211通过光纤与主控制器I连接，还与故障检测电路212和单相全桥逆变器213连接，所述直流耦合电路215的输入端与其所在的链节单元21的直流电压两端和邻近的链节单元21的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源214的输入端与直流耦合电路215的输出端电连接，所述DC/DC电源214的输出端与单元控制器211电连接，供给各组成部件的工作电源。本发明实施例所述的单相全桥逆变器213主要由四个开关器件SI S4、四个二极管Dl D4和一个电容C组成，所述开关器件SI S4均为IGBT管，所述开关器件SI和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的开关器件SI和开关器件S2与串联连接的开关器件S3和开关器件S4并联连接，并且四个开关器件SI S4与四个二极管Dl D4依次一对一地反并联连接；其中开关器件SI的集电极与二极管Dl的阴极相连接的一端为P端，开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，开关器件SI和开关器件S2及其反并联的二极管Dl和二极管D2串联电路的中点为U端，开关器件S3和开关器件S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与电容C的正端和负端相连接，同时P端和M端还与U端和V端一并与故障检测电路212相连接。本发明工作时，主控制器I向单元控制器211发送的代表单相全桥逆变器213中开关器件SI的开关信号，经过单元控制器211内的开关器件驱动电路后给出开关器件SI门极触发信号；主控制器I向单元控制器211发送的代表单相全桥逆变器213中开关器件S3的开关信号，经过单元控制器211内的开关器件驱动电路后给出开关器件S3门极触发信号；为避免单相全桥逆变器213中开关器件SI和开关器件S2以及开关器件S3和开关器件S4直通现象，引入死区时间，开关器件S2门极触发信号和开关器件S4门极触发信号逻辑(如图5)，其中“I”代表触发开关器件导通，“O”代表触发开关器件关断。主控制器I将运行、停止、旁路命令，以数据编码方式，通过传递到单元控制器211 ;单元控制器211将本链节单元21的开关器件的开路故障、短路故障和直流电压欠压和过压等信息，以数据编码方式，通过传递到主控制器I。
如图4、图8至图10中所示
本发明实施例所述的一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构中的故障检测电路212包括有四组电路结构相同的第一检测单元2121、第二检测单元2122、第三检测单元2123和第四检测单元2124，每组检测单元2121 2124均主要由一个光电隔离模块2125、四个二极管D5 D8、四个电阻Rl R4和两个电容Cl和C2组成；所述光电隔离模块2125为TLP521或6N137芯片，所述二极管D5、二极管D6、电阻Rl和电阻R3依次导通连接在光电隔离模块2125的其中一个输入端上，且二极管D5 D7为(单极性或双极性)瞬态电压吸收管或者稳压二极管，其中二极管D5和D6主要起到电压截止作用，只有施加在回路上的电压超过D5和D6的稳压值时，光电隔离模块2125中发光二极管才有电流流过，所述光电隔离模块2125的另一个输入端上导通连接有二极管D8，二极管D8主要用于避免光电隔离模块2125中发光二极管承受反向电压，所述电阻R2、二极管D7和电容Cl的两端均分别与光电隔离模块2125的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且电阻R2和二极管D7的一端连接在电阻Rl和电阻R3之间，二极管D7主要用于起到稳压作用，避免施加到光电隔离模块2125的发光二极管两端的电压过高，所述电容Cl的一端连接在电阻R3和光电隔离模块2125的输入端之间,所述光电隔离模块2125的其中一个输出端导通连接有电阻R4,另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与光电隔离模块2125的两个输出端导通连接，并且所述电阻Rl R3为限流分压电阻，主要用于限制流过光电隔离模块2125中发光二极管的电流，所述电阻R4是上拉电平电阻，所述电容Cl和C2为滤除高频信号的滤频电容；其中第一检测单元2121的输入端与单相全桥逆变器213的P端和U端导通连接，第二检测单元2122的输入端与单相全桥逆变器213的U端和M端导通连接，第三检测单元2123的输入端与单相全桥逆变器213的P端和V端导通连接，第四检测单元2124的输入端与单相全桥逆变器213的V端和M端导通连接，而且第一检测单元2121、第二检测单元2122、第三检测单元2123和第四检测单元2124的输出端分别是Fl端、F2端、F3端和F4端，并与单元控制器211导通连接。例如设定单相全桥逆变器213中电容C两端直流电压最低工作电压为，最高工作电压为。作为本链节单元直流电压欠压，上报主控制器I ;作为本链节单元直流电压过压，上报主控制器I。当故障检测电路212中检测单元输入电压、、和分别大于，小于时，第一检测单元2121、第二检测单元2122、第三检测单元2123和第四检测单元2124中光电隔离模块2125各自导通，其Fl端、F2端、F3端和F4端分别输出低电平；当故障检测电路212中检测单元输入电压、、和低于时，第一检测单元2121、第二检测单元2122、第三检测单元2123和第四检测单元2124中光电隔离模块2125不导通，Fl端、F2端、F3端和F4端输出高电平。下面以单相全桥逆变器213中电容C两端电压处在正常工作状态下，详述开关器件的开路故障和短路故障检测方法。本发明提出的故障检测电路212中开关器件故障检测原理如下
开关器件的短路故障检测是在开关器件门极触发脉冲被封锁情况下进行。当开关器件SI出现短路故障时，单相全桥逆变器213中电容C两端电压直接加到第二检测单元2122的U端和M端，第二检测单元2122中的光电隔离模块2125导通，第二检测单元2122的F2端输出低电平。同理，当开关器件S2出现短路故障时，第一检测单元2121的Fl端输出低电平；当开关器件S3出现短路故障时，第四检测单元2124的F4端输出低电平；当开关器件S4出现短路故障时，第三检测单元2123的F3端输出低电平。对于单相全桥逆变器213中同一桥臂的开关器件SI和开关器件S2或开关器件S3和开关器件S4同时出现短路故障，会造成单相全桥逆变器213中电容C放电，变为O，造成本链节单元欠压故障，上报主控制器1，其它情况的开关器件短路故障或者组合短路故障，通过检测Fl端、F2端、F3端和F4端的高低电平状态，就可以判断相应开关器件的是否出现短路故障。开关器件SI S4的开路故障检测是在开关器件门极触发脉冲正常动作情况下进行实时判断。图8给出了开关器件SI和开关器件S2没有发生开路故障时第一检测单元2121的Fl端和第二检测单元2122的F2端的波形(因检测单元的延时以及开关器件的开通和关断过渡过程不影响本方法的分析结果，因此分析时不考虑这部分的影响)，其中开关器件SI和开关器件S2的信号为“ I ”代表开关管子导通，开关器件SI和开关器件S2的信号为“O”代表开关管子关断；F1端和F2端的信号为“ I ”代表高电平，Fl端和F2端的信号为“O”代表低电平。从图8可以看出，Fl端的信号的高电平和低电平与开关器件S2的关断和开通相对应；F2端的信号的高电平和低电平与开关器件SI的关断和开通相对应。图9给出了开关器件SI发生开路故障情况下Fl端和F2端的波形。从图9可以看出，开关器件SI发生开路故障时，F2端的信号总是处于高电平。图10给出了开关器件S2发生开路故障情况下Fl端和F2端的波形。从图10可以看出，开关器件S2发生开路故障时，Fl端的信号总是处于高电平。同理，对于开关器件开关器件S3和开关器件S4发生开路故障可以做出相同分析。对于单相全桥逆变器213中开关器件开路故障，通过检测Fl端、F2端、F3端和F4端的高低电平状态，与开关器件的触发信号、、和比较，就可以判断相应开关器件的是否出现开路故障。这样可以在一个开关周期内，判断出开关器件的开路故障，实现了开关器件开路故障的快速检测。单元控制器211接收主控制器I的脉冲信号以及控制命令，当链节单元21正常时，根据脉冲信号和控制命令，控制本链节单元21的单相全桥逆变器213输出补偿电压；当链节单元21发生开关器件SI S4短路故障或者开路故障时，经过故障检测电路212，并由单元控制器211判断出本链节单元开关器件故障类型后，将此故障信息上报主控制器1，主控制器I根据本链节单元21的开关器件故障类型向本链节单元21发出相应的旁路控制命令，单元控制器211根据该旁路控制命令地合理控制开关器件的开通，使本链节单元21的单相全桥逆变器213输出短路，达到本链节单元21旁路的目的；或者当链节单元21发生直流电压欠压和过压特定故障需要旁路时，单元控制器211将此故障信息上报主控制器1，主控制器I根据该故障信息向本链节单元21发出旁路命令，单元控制器211根据该旁路控制命令地合理控制开关器件的开通，使本链节单元21的单相全桥逆变器213输出短路，达到本链节单元21旁路的目的。如图6和图7中所示
本发明实施例所述的一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构中的直流耦合电路215包括有由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管和由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管(如图6);其中，所述由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器213的P端和邻近链节单元的单相全桥逆变器213的P’端导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源214的V1+输入端导通连接；所述由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器213的M端和邻近链节单元的单相全桥逆变器213的M，端导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源214的V1-输入端导通连接。这样，当故障链节单元21被旁路后，该故障链节单元21的单相全桥逆变器213中电容C两端的电压变为零时，直流耦合电路215将邻近链节单元21的单相全桥逆变器213中电容C的电压提供给DC/DC电源214电能。作为本发明一优选实施方案，所述直流耦合电路215包括有由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管和由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管(如图7);其中，所述由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器213的P端和两个邻近链节单元的单相全桥逆变器213的P’端、P”导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源214的V1+输入端导通连接；所述由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器213的M端和两个邻近链节单元的单相全桥逆变器213的M’端、M”导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源214的Vl-输入端导通连接。这样，直流耦合电路215向DC/DC电源214提供的输入电源更为可靠。如图11所示
本发明实施例所述的一种链式有源电力滤波器链节单元旁路的控制方法，实时地对链式有源电力滤波器的链式多电平逆变器2中每一链节单元21中开关器件的状态进行检测，并对其故障类型进行分类判断，充分利用该故障开关器件所在的链节单元21中非故障开关器件的控制来达到旁路该故障链节单元21的目的。具体包括有以下步骤
步骤A.故障检测电路212实时检测其所在链节单元21中单相全桥逆变器213的开关器件的状态，并将检测的故障信息传送给其所在链节单元21的单元控制器211 ；
步骤B.该故障链节单元21的单元控制器211接收到该故障检测电路212传送过来的故障信息进行判断和故障分类，并将故障分类发送、上报给主控制器I ;
步骤C.主控制器I根据故障链节单元21的单元控制器211上报的故障分类发出相应的旁路控制命令；
步骤D.该故障链节单元21的单元控制器211根据接收到主控制器I发出的旁路控制命令对单相全桥逆变器213的开关器件进行合理的开通控制，使该故障链节单元21的单相全桥逆变器213输出短路，实现旁路该故障链节单元21的目的。其中，所述该故障链节单元21的单元控制器211根据接收到主控制器I发出的脉冲信号和旁路控制命令对单相全桥逆变器213的开关器件进行合理的开通控制，具体为该故障链节单元21的单元控制器211根据接收到主控制器I发出的旁路控制命令向单相全桥逆变器213中非故障的开关器件发出开关信号，使开关器件SI和开关器件S3或者开关器件S2和开关器件S4导通，从而输出短路，实现旁路控制。这样，通过本发明所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路的控制结构及基于该控制结构的控制方法，在任何一个开关器件出现短路和开路故障及其它特定故障时，均可对该出现故障的开关器件所在的链节单元进行旁路控制，保证了该有源电路滤波器的正常工作，性能稳定、可靠，利用率高，解决了必须退出运行并排除故障后方才投入使用的问题，而且无需额外附加旁路器件，减少了额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少于采用接触器和可控硅完成旁路功能所用时间。
当然，本发明所述的控制方法不仅可以用于开关器件开路和短路故障检测，还适用于链式多电平变换器的其它应用场合，如静止同步补偿器(STATC0M)、静止无功发生器(SVG)、变频器等系统中的链节单元旁路控制。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于，包括主控制器(I)、 一用于产生补偿电压并可对其链节单元旁路控制的链式多电平逆变器(2 )和一用于产生补偿电流的并与外界电网连接的电抗器(3);所述链式多电平逆变器(2)主要由两个以上的级联的链节单元(21)组成；每个所述链节单元(21)均包含单元控制器(211)、故障检测电路(212)、单相全桥逆变器(213)、DC/DC电源(214)和直流耦合电路(215)，所述单元控制器 (211)与所述主控制器(I)、故障检测电路(212)和单相全桥逆变器(213)连接，所述直流耦合电路(215)的输入端与其所在的链节单元(21)的直流电压两端和邻近的链节单元(21) 的直流电压两端电连接，所述DC/DC电源(214)的输入端与所述直流耦合电路(215)的输出端电连接，所述DC/DC电源(214)的输出端与所述单元控制器(211)电连接，供给各组成部件的工作电源。
2.根据权利要求1所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于， 所述单相全桥逆变器(213)主要由四个开关器件SI S4、四个二极管Dl D4和一个电容 C组成，所述开关器件SI和开关器件S2、所述开关器件S3和开关器件S4分别串联连接，且串联连接的所述开关器件SI和开关器件S2与串联连接的所述开关器件S3和开关器件S4 并联连接，并且四个所述开关器件SI S4与四个所述二极管Dl D4依次一对一地反并联连接；其中所述开关器件SI的集电极与二极管Dl的阴极相连接的一端为P端，所述开关器件S2的发射极与二极管D2的阳极相连接的一端为M端，所述开关器件SI和开关器件S2 及其反并联的二极管Dl和二极管D2串联电路的中点为U端，所述开关器件S3和开关器件 S4及其反并联的二极管D3和二极管D4串联电路的中点为V端，所述P端和M端分别与所述电容C的正端和负端相连接，同时所述P端和M端还与所述U端和V端一并与所述故障检测电路(212)相连接。
3.根据权利要求2所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于， 所述故障检测电路(212)包括有四组电路结构相同的第一检测单元(2121)、第二检测单元 (2122)、第三检测单元(2123)和第四检测单元(2124)，每组所述检测单元(2121 2124)均主要由一个光电隔离模块(2125)、四个二极管D5 D8、四个电阻Rl R4和两个电容Cl和 C2组成，所述二极管D5、二极管D6、电阻Rl和电阻R3依次导通连接在所述光电隔离模块 (2125)的其中一个输入端上，所述光电隔离模块(2125)的另一个输入端上导通连接有所述二极管D8，所述电阻R2、二极管D7和电容Cl的两端均分别与所述光电隔离模块(2125)的两个输入端导通连接，彼此并联连接，且所述电阻R2和二极管D7的一端连接在所述电阻Rl 和电阻R3之间，所述电容Cl的一端连接在所述电阻R3和所述光电隔离模块(2125)的输入端之间，所述光电隔离模块(2125)的其中一个输出端导通连接有所述电阻R4，另一输出端接5V工作电源的负端，所述电容C2的两端分别与所述光电隔离模块(2125)的两个输出端导通连接；其中所述第一检测单元(2121)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的P端和 U端导通连接，所述第二检测单元(2122)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的U端和 M端导通连接，所述第三检测单元(2123)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的P端和 V端导通连接，所述第四检测单元(2124)的输入端与所述单相全桥逆变器(213)的V端和 M端导通连接，而且所述第一检测单元(2121)、第二检测单元(2122)、第三检测单元(2123) 和第四检测单元(2124)的输出端分别是Fl端、F2端、F3端和F4端，并与所述单元控制器 (211)导通连接。
4.根据权利要求3所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于，所述直流耦合电路(215)包括有由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管和由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管；其中所述由两个二极管正向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器(213)的P端和邻近链节单元的单相全桥逆变器(213)的P’端导通连接，输出端均与其所在链节单元的 DC/DC电源(214)的V1+输入端导通连接；所述由两个二极管反向串联而成且相互并联的两组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器(213)的M端和邻近链节单元的单相全桥逆变器(213)的M’端导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源(214) 的AV输入端导通连接。
5.根据权利要求4所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构，其特征在于， 所述直流耦合电路(215 )包括有由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管和由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管；其中所述由三个二极管正向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器(213)的P端和两个邻近链节单元的单相全桥逆变器(213)的P’端、P”导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源(214)的V1+输入端导通连接；所述由三个二极管反向串联而成且相互并联的三组二极管的输入端分别与其所在链节单元的单相全桥逆变器(213)的M端和两个邻近链节单元的单相全桥逆变器(213)的M’端、M”导通连接，输出端均与其所在链节单元的DC/DC电源(214)的V1-输入端导通连接。
6.一种基于上述权利要求1至5中任何一项所述的链式有源电力滤波器链节单元旁路控制结构的控制方法，其特征在于，实时地对链式有源电力滤波器的链式多电平逆变器(2) 中每一链节单元(21)中开关器件的状态进行检测，并对其故障类型进行分类判断，充分利用该故障开关器件所在的链节单元(21)中非故障开关器件的控制来达到旁路该故障链节单元(21)的目的。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，包括有以下步骤a.故障检测电路(212)实时检测其所在链节单元(21)中单相全桥逆变器(213)的开关器件的状态；b.该故障链节单元(21)的单元控制器(211)对故障检测电路(212)所检测到的故障信息进行判断和故障分类；c.主控制器(I)根据故障链节单元(21)的单元控制器(211)上报的故障分类发出相应的旁路控制命令；d.该故障链节单元(21)的单元控制器(211)根据接收到主控制器(I)发出的旁路控制命令对单相全桥逆变器(213)的开关器件进行合理的开通控制，使该故障链节单元(21) 的单相全桥逆变器(213)输出短路，实现旁路该故障链节单元(21)的目的。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述该故障链节单元(21)的单元控制器(211)根据接收到主控制器(I)发出的旁路控制命令对单相全桥逆变器(213)的开关器件进行合理的开通控制，具体为该故障链节单元(21)的单元控制器(211)根据接收到主控制器(I)发出的旁路控制命令向单相全桥逆变器(213)中非故障的开关器件发出开关信号，使开关器件SI和开关器件S3或者开关器件S2和开关器件S4导通，从而输出短路，实现旁 路控制。
全文摘要
本发明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，包括主控制器、链式多电平逆变器和与电网连接的电抗器；所述链式多电平逆变器主要由多个级联的链节单元组成；通过每个链节单元的故障检测电路对链节单元中单相全桥逆变器开关器件的状态进行实时检测，并对其故障类型进行分类判断，充分利用该故障开关器件所在的链节单元中非故障开关器件的控制来达到旁路该故障链节单元的目的。保证该有源电力滤波器工作正常，性能稳定、可靠，利用率高，解决了必须退出运行并排除故障后方才投入使用的问题，且无需额外附加旁路器件，减少额外的成本和体积，同时实现旁路功能所用时间少于采用接触器和可控硅完成旁路功能所用时间。
文档编号H02J3/18GK103036238SQ201210565458
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者陈峻岭, 黄明星, 余怀林, 黄超宪, 苏春苑, 李 杰, 韦延清, 汤国栋 申请人:珠海万力达电气股份有限公司