CN100407540C - 注入式混合型有源电力滤波器的复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注入式混合型有源电力滤波器的复合控制方法，包括以下步骤：检测负载谐波电流，将负载谐波电流进行处理得到负载谐波电流环控制输出；检测电网谐波电流，将电网谐波电流进行处理得到电网谐波电流环控制输出；检测有源电力滤波器接入点谐波电压，将接入点谐波电压进行处理得到接入点谐波电压环控制输出；将负载谐波电流环控制输出、电网谐波电流环控制输出、接入点谐波电压环控制输出相加得到指令控制信号。本发明控制方法不仅能较好发治理电网谐波，也消除了电网谐波电压对有源电力滤波器的安全性造成的影响。

Description

注入式混合型有源电力滤波器的复合控制方法

技术领域

本发明涉及一种注入式混合型有源电力滤波器的复合控制方法。

背景技术

随着电力电子器件在工业中的广泛应用，电网的谐波污染问题日趋严重。谐波不仅影响电气设备的正常工作，还给电网的安全经济运行带来隐患。目前，消除谐波的滤波器主要有无源滤波器、有源滤波器和混合型滤波器。无源滤波器的滤波特性由电网阻抗与滤波支路阻抗的比值决定，并受电网系统参数的影响很大。有源滤波器虽能克服无源滤波器存在的缺陷，但受其开关器件容量和成本等方面的限制，很难独立挂载在大功率高压电网运行。以降低装置有源部分基波分压，减少有源部分容量为目的的注入式混合型有源电力滤波器，由于有效克服了开关器件容量和成本等方面的限制，能够很好地满足高压大功率系统谐波治理和无功补偿的要求，同时兼顾了无源滤波器和有源滤波器两者的长处，具有较高的性价比，成为目前研究的热点。

为了将电网电流补偿成正弦波，有源电力滤波器通常以负载谐波电流或电网谐波电流为参考进行控制，通过闭环控制使有源电力滤波器输出谐波电流尽量与负载谐波电流幅值相等，相位相差180度，达得消除电网谐波电流的目的。

由于有源电力滤波器正常工作时，逆变器吸收了直流侧的储能产生与电网谐波电流大小相等方向相反的谐波。整流器不停的向电容充电以补偿逆变器消耗的能量。直流侧电容上的电压总是稳定在一定的电压水平，略有波纹。基波谐振支路不承受基波分压，因此有源部分交流侧分压很低。但是有源部分交流侧在电网谐波电压含量较高时，基波谐振支路分压过大而引起能量经续流二极管构成的三相整流桥流向直流侧电容充电，使直流侧电压抬升。直流侧电压抬升将直接影响有源电力滤波器的稳定运行，降低了系统的可靠性，严重时会造成逆变器的过电压，烧坏开关管。

发明内容

为解决上述混合型有源电力滤波器直流侧电压不稳定易导致其运行不稳定的技术问题，本发明提供一种滤波效果好、运行稳定的混合型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)检测负载谐波电流，将负载谐波电流进行低通滤波，滤波结果与零相减，再与比例系数相乘得到负载谐波电流环控制输出；

2)检测电网谐波电流，将电网谐波电流进行低通滤波，滤波器输出送入PI控制器，得到电网谐波电流环控制输出；

3)检测有源电力滤波器接入点谐波电压，经低通滤波后得到接入点谐波电压环控制输出；

4)将负载谐波电流环控制输出、电网谐波电流环控制输出、接入点谐波电压环控制输出相加得到指令控制信号；

5)将指令控制信号经过PWM调制，得到有源电力滤波器的控制信号。

上述的注入式混合型有源电力滤波器的复合控制方法中，所述

步骤1)是将负载谐波电流分频后，再分别进行低通滤波，滤波结果与零相减，再与比例系数P相乘得到各频率的负载谐波电流环控制输出；

步骤2)是将电网谐波电流分频后，再分别进行低通滤波，滤波器输出送入PI控制器，得到各频率的电网谐波电流环控制输出；

步骤3)是将接入点谐波电压分频后，再分别进行低通滤波，得到接入点各频率的谐波电压环控制输出；

步骤4)是将步骤1)、2)、3)中同频率的负载谐波电流环控制输出、电网谐波电流环控制输出、谐波电压环控制输出相加，得到该频率的指令控制信号。

本发明的技术效果在于：1)本发明通过检测负载谐波电流，并将负载谐波电流环控制输出作为有源电力滤波器的指令控制信号，可以使负载谐波电流被完全的抑制；2)本发明通过检测电网谐波电流，并将电网谐波电流环控制输出作为有源电力滤波器的指令控制信号，可以在提高谐波治理效果的同时，避免电网阻抗与无源滤波器部分间的串并联谐振；3)本发明通过检测有源电力滤波器接入点谐波电压，并将接入点谐波电压环控制输出作为有源电力滤波器的指令控制信号，可有效控制可以消除谐波电压对有源电力滤波器的影响，保证有源电力滤波器的运行稳定。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为注入式混合型有源电力滤波器的结构图。

图2为其单相等效电路图

图3为采用复合控制时控制框图

具体实施方式

参见图1，混合型有源电力滤波器主要由有源部分、输出滤波器、隔离变压器、基波串联谐振电路和无源部分组成。参见图1，CT是电流互感器，它监测电网谐波电流，并把信号传送给有源电力滤波器用于产生参考补偿信号。L₂、C₂串联连接，并且选取适当的L₂、C₂使其在基波频率处产生串联谐振，因此C₁将承担大部分电网电压，有源电力滤波器承受较小的谐波电压；有源电力滤波器通过隔离变压器与基波谐振电路并联，电容C₁和上述并联支路串联后再与无源电力滤波器、非线性负载并联后接到电网中。有源电力滤波器选用的是电压源型的有源电力滤波器，其直流侧储能元件为大电容。电压源型的有源滤波器输出的PWM电压波经电感L₃和电容C₃滤除后接至隔离变压器的原边，隔离变压器的原副边的匝数比为1∶2。采用注入支路的主要作用是：给谐波提供一条低阻抗的通道，阻隔电网电压和补偿一定的无功。本发明可根据实际谐波输出和补偿无功的情况选择注入支路为N次单调谐滤波器。由于注入支路中的串联谐振LC网络谐振调谐于基波频率，其基波阻抗近似为0，相当于基波电流的短路通道，所以流过注入支路的基波电流都将流入该网络，而不会流入隔离变压器和逆变器。有源电力滤波器的作用主要有：改善整个滤波系统的滤波性能和滤波效果，抑制电网背景谐波电压对负载供电电压的影响，抑制无源电力滤波器和电网电感形成的串并联谐振，弥补无源电力滤波器存在的缺陷和不足等。

参见图2，图2为整个补偿装置在谐波域的单相等效电路。谐波负载被看作一个谐波电流源i_Lh，U_Sh为系统电源电压，有源部分被控制为一个理想的受控电压源U_I。电路中其它各电量的定义和方向，其中i_Sh、i_Lh、i_Ph、i_Rh、i_Gh分别为电网支路、负载支路、并联无源支路、基波串联谐振电路、注入支路的电流，Z_Sh、Z_Ph、Z_Gh、Z_Rh分别为电网阻抗、无源部分阻抗、有源输出支路阻抗、基波串联谐振电路阻抗，U_bush为有源电力滤波器接入点谐波电压。

由图2，根据基尔霍夫电流和电压定理，有：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{Sh}}=U_I+i_{\mathrm{Sh}}\×Z_{\mathrm{Sh}}+i_{\mathrm{Gh}}\×Z_{\mathrm{Gh}}\\ i_{\mathrm{Sh}}=i_{\mathrm{Lh}}+i_{\mathrm{Gh}}+i_{\mathrm{Ph}}\\ U_{\mathrm{Sh}}=i_{\mathrm{Sh}}\×Z_{\mathrm{Sh}}+i_{\mathrm{Ph}}\×Z_{\mathrm{Ph}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

综合考虑负载谐波电流，电网电流和接入点谐波电压的复合控制方法，其制律可以表示为

U_I＝K₁i_Lh+K₂i_Sh+U_bush    (2)

联合式(1)及式(2)可得

$i_{\mathrm{Sh}}=\frac{(Z_{\mathrm{Gh}}-K_1)Z_{\mathrm{Ph}}}{K_2{Z}_{\mathrm{Ph}}+Z_{\mathrm{Ph}}{Z}_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Sh}}{Z}_{\mathrm{Gh}}}\×i_{\mathrm{Lh}}$ (3)

$+\frac{Z_{\mathrm{Gh}}}{K_2{Z}_{\mathrm{Ph}}+Z_{\mathrm{Ph}}{Z}_{\mathrm{Gh}}+Z_{\mathrm{Sh}}{Z}_{\mathrm{Gh}}}\×U_{\mathrm{Sh}}$

这种复合控制方法通过控制输出为一个谐波电压源来消除电网谐波，输出电压指令信号由式(2)得出，式中K₁，K₂为控制系数，其对电网谐波的抑制由式(3)可以看出，当控制K₁＝Z_Gh负载谐波电流可以被完全的抑制；并且通过控制K₂可以在提高谐波治理效果的同时，避免电网阻抗与无源部分间可能的串并联谐振；同时对有源电力滤波器接入点谐波电压的有效控制可以消除谐波电压对有源电力滤波器的影响。

根据以上分析，由上述的复合控制方案可得复合控制的谐波检测及控制器结构，如图3所示。本有源电力滤波器的分频控制过程如下，以5次谐波补偿为例：

1.检测负载电流i_L，根据瞬时功率理论计算出负载电流5次谐波分量i_Lh5；

2.检测电网电流i_S，根据瞬时功率理论计算出5次谐波分量i_Sh5；

3.检测有源电力滤波器接入点电压，根据瞬时功率理论计算出5次谐波电压分量U_BUSh5；

4.i_Lh5经过低通滤波器滤波，滤波结果与零相减后与比例系数P相乘得到5次谐波电流负载电流环控制输出；

5.i_Sh5经过低通滤波器滤波，滤波器输出送入PI控制器，得到电网谐波电流环控制输出；

6.U_BUSh5经过低通滤波器滤波，得到有源电力滤波器接入点谐波电压环控制输出；

7.把负载谐波电流环、电网谐波电流环和有源电力滤波器接入点谐波环的输出相加，得到有源电力滤波器指令控制信号U^*；

8.U^*经过PWM调制，得到有源电力滤波器的开关控制信号。

Claims (2)

1.一种注入式混合型有源电力滤波器的复合控制方法，包括以下步骤：

1)检测负载谐波电流，将负载谐波电流进行低通滤波，滤波结果与零相减，再与比例系数相乘得到负载谐波电流环控制输出；

2)检测电网谐波电流，将电网谐波电流进行低通滤波，滤波器输出送入PI控制器，得到电网谐波电流环控制输出；

3)检测有源电力滤波器接入点谐波电压，经低通滤波后得到接入点谐波电压环控制输出；

4)将负载谐波电流环控制输出、电网谐波电流环控制输出、接入点谐波电压环控制输出相加得到指令控制信号；

5)将指令控制信号经过PWM调制，得到有源电力滤波器的控制信号。

2.根据权利要求1所述的注入式混合型有源电力滤波器的复合控制方法，其特征在于：

所述步骤1)是将负载谐波电流分频后，再分别进行低通滤波，滤波结果与零相减，再与比例系数P相乘得到各频率的负载谐波电流环控制输出；

步骤2)是将电网谐波电流分频后，再分别进行低通滤波，滤波器输出送入PI控制器，得到各频率的电网谐波电流环控制输出；

步骤3)是将接入点谐波电压分频后，再分别进行低通滤波，得到接入点各频率的谐波电压环控制输出；

步骤4)是将步骤1)、2)、3)中同频率的负载谐波电流环控制输出、电网谐波电流环控制输出、谐波电压环控制输出相加，得到该频率的指令控制信号。

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