CN100407539C - 大功率有源滤波器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率有源滤波器的控制方法，包括以下步骤：检测电网侧谐波电流，计算电网谐波电流的补偿量；检测负载侧谐波电流，计算负载谐波电流的补偿量；检测滤波器支路的基波电流、直流侧电压，计算直流侧电容电压控制量；将电网谐波电流的补偿量、负载谐波电流的补偿量和基波电流的补偿量相加，得到有源滤波器中逆变器的控制信号。本发明综合电网谐波电流的补偿量、负载谐波电流的补偿量和基波电流的补偿量对有源滤波器进行控制，有利于直流侧电容电压的稳定，可避免电容电压的超调现象，还能有效提高系统滤波性能及其鲁棒性和抗干扰性。

Description

大功率有源滤波器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种大功率有源滤波器的控制方法。

背景技术

随着电网中非线性负载的日益增多，电网中的谐波含量急剧上升，致使供电电压波形发生严重的畸变，严重影响了电网和电气设备的安全、经济运行，并危及广大用户的正常用电和生产。解决电网谐波污染的主要方法是加装谐波抑制装置。谐波抑制装置主要有无源电力滤波器或有源电力滤波器。

在电网中加装无源电力滤波器一直是传统补偿谐波的主要手段，其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。但无源电力滤波器的滤波性能受电网频率、阻抗的影响较大。电网频率稍微偏离额定频率点，或电网阻抗的变化、滤波器元件的生产容差、老化或其它原因引起的参数偏离理想设计无源滤波器的滤波性能将大幅度下降。此外，无源滤波器是由大容量的电抗器和电容器组成，整机体积庞大，造价高。

有源电力滤波器APF作为一种能动态抑制谐波的电力电子装置更是广受关注。并出现了多种拓扑结构：单独型、多变流器混合型以及APF与PF混合型。由于大容量APF的成本相当高，而且自关断器件的容量有限，单独使用的APF仅适用于中低压、小功率系统。多变流器混合型APF的控制系统相当复杂和繁琐，而且成本更高，基本处于理论研究阶段，实用性不强。因此，小容量有源滤波器与大容量无源滤波器相结合的混合型有源滤波器成为当今实际应用的热点和必然选择，也是未来有源滤波技术的发展方向。它既可克服APF容量要求大、成本高的缺点，又可弥补PF的不足，使整个滤波系统获得良好的性能。对于混合型有源滤波器，为了保证滤波器的滤波性能，电压型逆变器常要求直流侧的电压保持稳定，但直流侧电压常因以下原因出现大幅度波动：

(1)滤波器和电网之间大容量的无功交换；

(2)电网发生电压闪变等特殊情况，导致基波串联谐振电路产生高电压，并通过逆变器续流二极管向直流侧电容充电；

(3)电网中谐波电压造成基波串联谐振电路分压过高，有源滤波器将通过基波串联谐振电路与电网交换能量，造成直流侧电压波动；

(4)逆变器开关损耗引起直流侧电压降低。

直流侧电压波动严重影响了滤波器的滤波性能。

发明内容

为解决现有混合有源电力滤波器直流侧电压易波动而严重影响滤波器滤波性能的技术问题，本发明是提供一种混合有源电力滤波器的复合控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1)检测电网侧谐波电流i_Sh，计算电流i_Sh与给定谐波电流i_Sh ^*的差值Δi_Sh，对差值Δi_Sh进行调节得到电网谐波电流的补偿量；

2)检测负载侧谐波电流i_Lh，计算电流i_Lh与给定谐波电流i_Lh ^*的差值Δi_Lh，对差值Δi_Lh进行调节得到负载谐波电流的补偿量；

3)检测滤波器支路的基波电流i_CF，滤波器支路的基波电流与调节系数Kp相乘得到基波电流i_CF的补偿量，模糊控制器根据模糊规则表1计算调节系数Kp，表中 $K_{p\max }=\frac{C\·(2+r)\·E_{\mathrm{DC}}^{*}\·n^4}{6\·I_{\mathrm{CF}}^2\·T_S},$ n为耦合变压器的变比，r为直流侧电容电压的纹波比，E_DC ^*为给定直流侧电压，T_S为有源滤波器的采样周期，C为直流侧电容，|ΔE_DC|为直流侧电容电压E_DC与给定直流侧电容电压E_DC ^*的差值，I_CF为滤波器支路的基波电流i_CF的有效值；

4)将电网谐波电流的补偿量、负载谐波电流的补偿量和滤波器支路的基波电流的补偿量相加，得到有源滤波器中逆变器的控制信号。

本发明的技术效果在于：

1)本发明的复合控制方法中综合了检测负载谐波电流的前馈控制和检测电源谐波电流的反馈控制，这两个控制系数是完全解耦的，因此，可以根据需要对两个系数进行完全独立的控制，从而获得满意的控制效果。

2)本发明采用模糊控制方法实现直流侧电压的调节系数在线自适应调整，有利于直流侧电容电压的稳定，可避免电容电压的超调现象，还能有效提高系统滤波性能及其鲁棒性和抗干扰性。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为混合型有源滤波器的结构示意图。

图2为混合有源滤波器复合控制方法的控制框图。

具体实施方式

混合型有源滤波器的结构如图1所示，主要由有源部分、输出滤波器、耦合变压器、基波串联谐振电路和无源部分组成。有源部分为智能功率模块构成的电压型逆变器，在逆变器的直流端接有大电容C，交流端接有输出滤波器L₀、C₀以滤除开关器件通断所产生的高频毛刺，基波串联谐振电路由L₁和C₁组成，同时L₁、C₁和C₂还起到单调谐滤波器的作用，耦合变压器实现有源部分和无源部分的电气隔离，并可根据有源和无源部分的电压、电流等级来选择合适的变比，并联在电网上的无源部分由LC无源滤波器组构成。

复合控制方法通过检测电网谐波电流、负载谐波电流、有源滤波器注入支路基波电流，然后综合这三方面电流以得到有源滤波器的参考信号。其中采用模糊-PI控制方法控制有源部分产生一定量的基波电流，首先通过i_p，i_q算法检测滤波器支路电流i_C中所含的基波电流i_CF，使有源滤波器产生与基波电流方向相同或相反的基波电压，控制有源滤波器从电网吸收或向电网释放有功功率。有源滤波器产生基波电压的大小通过直流侧电容电压的实际值偏离设定值误差的大小决定，控制原理图如图2所示，图中n为耦合变压器的变比，E_DC ^*为给定直流侧电压，E_DC为实际电容电压，i_CF为滤波器支路的基波电流，控制信号为：

U_C＝K_p·i_CF    (1)

综合负载侧谐波电流和电网谐波电流的补偿，以及直流侧电容电压的稳定控制，有源滤波器的控制参考信号为：

U＝K₁·Δi_Sh+K₂·Δi_Lh+K_p·i_CF    (2)

根据两端口网络的能量守恒定律，忽略逆变桥的开关损耗，它从交流侧吸收或释放的能量应等于它向直流侧电容充电或放电的能量，则应有

$3\·K_p\·\mathrm{\Δ}{E}_{\mathrm{DC}}\·{\left(\frac{I_{C1}}{n^2}\right)}^2\·T_S=\frac{1}{2}C\·(E_{\mathrm{DC}}^2-E_{\mathrm{DC}}^{*2})---\left(3\right)$

式中，n为耦合变压器的变比。

化简上式，得：

$K_p=\frac{C\·(E_{\mathrm{DC}}+E_{\mathrm{DC}}^{*})\·n^4}{6\·I_{\mathrm{CF}}^2\·T_S}---\left(4\right)$

取 $E_{\mathrm{DC}}=E_{\mathrm{DC}}^{*}\·(1+r),$ 从而由式(3)可得：

$K_{p\max }=\frac{C\·(2+r)\·E_{\mathrm{DC}}^{*}\·n^4}{6\·I_{\mathrm{CF}}^2\·T_S}---\left(5\right)$

式中r为直流侧电容电压的纹波比，T_S为系统采样周期。

当实际的直流侧电压值大于或小于给定值，在T_S内将电容电压提高或降低ΔE_DC，三相逆变器产生大小不同的基波电压，此时需有不同的K_p值。模糊控制器的作用是通过计算机，根据精确量转化而来的模糊作为输入信息，按照语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，再将其转化为精确量，对受控对象进行控制。其算法简单，且不必知道受控对象的精确数学模型，具有较好的动态性能。采用模糊控制算法确定当前采样周期的K_p值，取ΔE_DC和i_CF为模糊输入，其模糊规则如表1所示。工程应用时，K_pmax要根据实际工况进行调整。采用上述方法实现K_p的在线自适应调整，有利于直流侧电容电压的稳定控制，可避免电容电压的超调现象。这种控制直流侧电压稳定的方法有较强的处理非线性和不确定性过程的能力，且算法简单，不需要增加复杂硬件，是一种较经济的解决措施。

表1

Claims (1)

1.一种大功率有源滤波器的控制方法，包括以下步骤：

1)检测电网侧谐波电流i_Sh，计算电流i_Sh与给定谐波电流i_Sh ^*的差值Δi_Sh，对差值Δi_Sh进行调节得到电网谐波电流的补偿量；

2)检测负载侧谐波电流i_Lh，计算电流i_Lh与给定谐波电流i_Lh ^*的差值Δi_Lh，对差值Δi_Lh进行调节得到负载谐波电流的补偿量；

3)检测滤波器支路的基波电流i_CF，滤波器支路的基波电流与调节系数Kp相乘得到基波电流i_CF的补偿量，模糊控制器根据以下模糊规则表计算调节系数Kp，表中 $K_{p\max }=\frac{C\·(2+r)\·E_{\mathrm{DC}}^{*}\·n^4}{6\·I_{\mathrm{CF}}^2\·T_S},$ n为耦合变压器的变比，r为直流侧电容电压的纹波比，E_DC ^*为给定直流侧电压，T_S为有源滤波器的采样周期，C为直流侧电容，|ΔE_DC|为直流侧电容电压E_DC与给定直流侧电容电压E_DC ^*的差值，I_CF为滤波器支路的基波电流i_CF的有效值，

；

4)将电网谐波电流的补偿量、负载谐波电流的补偿量和滤波器支路的基波电流的补偿量相加，得到有源滤波器中逆变器的控制信号。

Images