CN101924368A - 一种有源电力滤波器装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源电力滤波器装置及其控制方法。它能够避免分布式无功补偿电容器导致的自激振荡。它包括与三相被补偿电力线路连接的第一电流检测装置和电压检测装置，两者输出端与谐波电流计算单元输入端连接，谐波电流计算单元的三个输出端则分别与各自对应的减法运算单元I-III输入端连接；同时与三相被补偿电力线路连接的电容电流模拟装置输出端也与减法运算单元I-III输入端连接；减法运算单元I-III的输出端与补偿电流发生单元输入端连接；补偿电流发生单元三相输出端将补偿电流注入三相被补偿电力线路，同时在补偿电流发生单元三相输出端还接有第二电流检测装置，第二电流检测装置输出端则与谐波电流计算单元输入端连接。

Description

一种有源电力滤波器装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电力谐波治理技术领域，尤其涉及一种能够在含有分布式无功补偿电容器的配电系统中稳定运行的有源电力滤波器装置及其控制方法。

背景技术

随着电力谐波治理需求的增加，有源电力滤波器的应用日益广泛。有源电力滤波器是一种具有主动滤波功能的电力电子装置，它能够实时检测电力线路中的谐波电流，并通过其内部的补偿电流发生单元实时产生与电力线路中谐波电流大小相等，极性相反的补偿电流注入电力线路，对电力线路中的谐波电流进行“抵消”，从而实现优良的滤波效果。

然而，如果被补偿电力线路中含有无功补偿电容器，由于电网内阻抗的耦合作用，有源电力滤波器注入电力线路的补偿电流会部分流入无功补偿电容器。如果流过无功补偿电容器的电流也包含在有源电力滤波器所实时检测的线路电流中，则有源电力滤波器注入电力线路的补偿电流就会被部分反馈回来，且在无功补偿电容器与电网感性内阻抗的共振频率附近，会形成强烈的正反馈，导致自激振荡，使有源电力滤波器无法正常工作。为保证有源电力滤波器稳定工作，通常需要正确选择谐波电流检测用电流互感器的安装位置，将无功补偿电容器的电流排除在被检测电流之外，或者通过多个电流互感器的组合，将无功补偿电容器的电流从总电流中剔除。但是，在许多配电系统中，均含有分布安装的无功补偿电容器，有些电容器甚至包含在用电设备内部。要避开这些分布安装的电容器的电流几乎是不可能的，这就制约了有源电力滤波器的应用。

中国专利ZL200610105202.8《有源电力滤波器与并联电容器混合补偿系统的控制方法》公开了一种有源电力滤波器控制方法，在该方法中，将线路电压中的谐波分量加入有源电力滤波器中的指令电流信号，从而在有源电力滤波器的补偿电流中含有与线路电压谐波分量成正比的电流分量，使有源电力滤波器等效并联了一个谐波电阻，对可能发生的自激振荡起到阻尼作用。该方法可以有效抑制自激振荡，但存在以下不足：

为了有效抑制自激振荡，要求有源电力滤波器等效并联的谐波电阻阻值1/K_V适当小，或者说K_V要足够大(K_V是电压通道系数，详见原文)。实验证明，K_V取值10左右方可取得足够的抑制自激振荡效果，因此对应1V的谐波电压，滤波器对应输出的谐波电流约为10A。而电力线路电压中的3次、5次、7次等较低次谐波含量通常较高，常见值约为1％-3％，而且并不一定是有源电力滤波器的目标谐波源产生。这些电压谐波分量会在采用上述控制方法的有源电力滤波器的补偿电流中对应产生较大的谐波电流分量，而这些谐波电流分量并非滤波所需，不会与目标谐波电流对消，而会出现在滤波后的网侧电流中，使滤波后的网侧电流谐波含量增加。例如对于380V系统(相电压220V)，2％的电压谐波含量对应谐波电压4.4V，可导致采用上述等效并联谐波电阻控制方法的有源电力滤波器网侧剩余谐波电流增加44A左右，对滤波效果造成不良影响。

经文献检索，尚未见到能够有效解决上述自激振荡问题的其他控制方法。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种能够避免分布式无功补偿电容器导致自激振荡的有源电力滤波器装置及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下方案：

一种有源电力滤波器装置，它由电流互感器组I、电流检测单元I、电压检测单元、谐波电流计算单元、电容电流模拟单元、滤波单元I-III、减法运算单元I-III、补偿电流发生单元、电流检测单元II、电流互感器组II构成；其中，电流互感器组I中三个电流互感器的一次侧分别串联在三相被补偿电力线路L1、L2和L3中，二次侧分别接电流检测单元I的三组输入端；电流检测单元I的三个输出端分别接谐波电流计算单元的三相被补偿电流信号输入端；电压检测单元的三个相线输入端分别接三相被补偿电力线路L1、L2和L3，它的三个输出端分别接谐波电流计算单元的三相电压信号输入端；谐波电流计算单元的三相谐波电流信号输出端分别接减法运算单元I-III的“+”输入端；电容电流模拟单元的三个相线输入端分别接三相被补偿电力线路L1、L2和L3，它的三个输出端分别接滤波单元I-III的输入端；滤波单元I-III的输出端分别接减法运算单元I-III的“-”输入端；减法运算单元I-III的输出端分别接补偿电流发生单元的三相指令电流信号输入端；补偿电流发生单元的三相补偿电流输出端分别接电流互感器组II中三个电流互感器一次侧的各一个引出端，三个电流互感器一次侧的各另一个引出端分别接三相被补偿电力线路L1、L2和L3；电流互感器组II中三个电流互感器的二次侧分别接电流检测单元II的三组输入端；电流检测单元II的三个输出端分别接谐波电流计算单元的三相补偿电流信号输入端。

所述电容电流模拟单元由电容器I-III、电阻器I-III、电流互感器组III、电流检测单元III、比例放大单元I-III构成；其中，电容器I-III的各一个引出端分别接所述电容电流模拟单元的三个相线输入端，电容器I-III的各另一引出端分别与电阻器I-III的各一个引出端连接；电阻器I-III的各另一引出端分别接电流互感器组III中三个电流互感器一次侧的各一个引出端，三个电流互感器一次侧的各另一引出端相互连接在一起，并与所述电容电流模拟单元的中线输入端连接；电流互感器组III中三个电流互感器的二次侧分别接电流检测单元III的三组输入端；电流检测单元III的三个输出端分别接比例放大单元I-III的输入端，比例放大单元I-III的输出端分别与所述电容电流模拟单元的三个输出端连接。

所述电容电流模拟单元由电压互感器I-III、电容器IV-VI、电阻器IV-VI、电阻器VII-IX、运算放大器I-III构成；其中，电压互感器I-III一次侧各“+”输入端分别接所述电容电流模拟单元的三个相线输入端，一次侧各“-”输入端相互连接在一起，并与所述电容电流模拟单元的中线输入端连接，二次侧各“+”输入端相互连接在一起，并与参考电位点连接，二次侧各“-”输入端分别接电容器IV-VI的各一个引出端；电容器IV-VI的各另一引出端分别串接电阻器IV-VI；电阻器IV-VI的各另一引出端分别接运算放大器I-III的各“-”输入端；运算放大器I-III的各“+”输入端相互连接在一起，并与参考电位点连接，各输出端分别与所述电容电流模拟单元的三个输出端连接；电阻器VII-IX的各一个引出端分别接运算放大器I-III的各“-”输入端，各另一引出端分别接运算放大器I-III的各输出端。

所述滤波单元I-III具有相同的内部结构，它由电阻器X-XII、电容器VII-IX、缓冲单元构成；其中，电阻器X-XII和电容器VII-IX连接成典型的双T陷波器结构，其输入端接所述滤波单元的输入端，其输出端接缓冲单元的输入端；缓冲单元的输出端接所述滤波单元的输出端。

一种有源电力滤波器控制方法，该方法的步骤为：

(1)由电流互感器组I和电流检测单元I测得三相被补偿电力线路L1、L2和L3中的三相电流瞬时值信号i₁、i₂和i₃；

(2)由电压检测单元测得三相被补偿电力线路L1、L2和L3中的三相电压瞬时值信号u₁、u₂和u₃；

(3)由电流互感器组II和电流检测单元II测得补偿电流发生单元输出的三相补偿电流瞬时值信号i_c1、i_c2和i_c3

(4)由谐波电流计算单元根据i₁、i₂、i₃、u₁、u₂、u₃、i_c1、i_c2、i_c3，用公知方法求出i₁、i₂和i₃中的谐波分量信号i_h1、i_h2和i_h3；

(5)由电容电流模拟单元产生模拟被补偿电力线路中所含实际电容器电流的电容电流模拟信号i_s1、i_s2和i_s3；

(6)由滤波单元I-III分别对i_s1、i_s2和i_s3进行滤波，滤除其中的工频基波分量，得到三相修正电流信号i_e1、i_e2和i_e3；

(7)由减法运算单元I-III分别按下式计算求得三相指令电流信号

和

$i_{c1}^{*}=i_{h1}-i_{e1}$

$i_{c2}^{*}=i_{h2}-i_{e2}$

$i_{c3}^{*}=i_{h3}-i_{e3}$

(8)将三相指令电流信号

和

送入补偿电流发生单元的三相指令电流信号输入端，由补偿电流发生单元按公知技术产生对应的三相补偿电流i_c1、i_c2和i_c3，注入三相被补偿电力线路。

其中步骤(5)的一种具体实现方法为：

(1)列出被补偿电力线路中含有的实际电容器的电流响应传递函数G₀(s)：

$G_0\left(s\right)=\frac{C_{0}s}{R_0{C}_{0}s+1},$

其中：s是复变量，C₀是实际电容器的电容量，R₀是实际等效串联电阻。

(2)构造三相电容电流模拟单元，使其各相支路的电流响应传递函数相同，均为G₁(s)，且符合下式：

$G_1\left(s\right)=k\·\frac{C_{1}s}{R_1{C}_{1}s+1},$

其中：s是复变量，C₁是模拟电容器的电容量，R₁是模拟串联电阻，k是比例放大单元的放大倍数。

(3)按下列条件选取参数C₁、k和R₁：

C₁＜＜C₀，

R₁≥k·R₀

(4)用满足上述要求的电容电流模拟单元，在三相被补偿电力线路电压激励下产生模拟三相电容电流信号i_s1、i_s2和i_s3。

其中步骤(6)的一种具体实现方法为：

(1)由电阻器和电容器构造典型双T陷波器网络，选择电阻R与电容C的值，使RC＝1/ω₀(ω₀是工频角频率)，其传递函数为：

$G_2\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+4{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中：s是复变量，ω₀是工频角频率。

(2)在双T陷波器网络后串接一单位增益缓冲器，以确保双T陷波器网络的滤波特性不受负荷影响。

(3)用上述装置对i_s1、i_s2和i_s3进行滤波，即可滤除其中的工频基波分量。

采用上述方案，在公知的有源电力滤波器结构和控制方法的基础上，增加了电容电流模拟单元、滤波单元和减法运算单元，通过适当选取电容电流模拟单元的结构和参数，可以模拟产生被补偿电力线路中所包含的实际电容器电流信号，通过滤波单元滤除此信号中的工频基波分量后，则得到有源电力滤波器所检测到的谐波电流中包含的电容电流部分的模拟信号，在有源电力滤波器的指令电流信号中减去此模拟信号，则可有效消除电容器电流对有源电力滤波器的不良影响。

如果电容电流模拟单元能够准确模拟产生与实际电容器相同的电流信号，则可完全消除实际电容器对有源电力滤波器的不良影响。但这在实际中是困难的，特别是被补偿电力线路中的电容器容量可能会随无功补偿的需求变化而变化，要准确跟踪实际电容器的变化更为困难。然而，理论分析和实验验证均证明，采用上述方案时，并不需要模拟电容电流与实际电容电流相等，而只要模拟电容电流接近或大于实际电容电流，并适当选择电容电流模拟单元的时间常数R₁C₁，即可有效抑制电容器引起的自激振荡。即使是在不含实际电容器的电力线路中，采用上述方案也可取得稳定的滤波效果。

上述方案的另一个特点是，对于常见谐波频率，满足ω＜1/R₁C₁，模拟电容电流信号的幅值与谐波频率成正比，将随着谐波频率的降低而降低，电力线路电压中含量较高的固有低次谐波分量对应的模拟电容电流信号幅值很小，因而对滤波效果的不良影响很小；而当ω＞1/R₁C₁时，模拟电容电流信号的幅值正比于k/R₁，通过适当选择R₁的值，可将较高频率谐波电压的不良影响也限制在较低水平。

本发明的有益效果是：

1)解决了公知有源电力滤波器在含有无功补偿电容器的电力线路中运行时会发生自激振荡的问题，能够在含有无功补偿电容器的电力线路中稳定运行，不会发生自激振荡。

2)与在指令电流信号中加入电压谐波分量，将滤波器控制为等效并联谐波电阻的控制方法相比，本发明提供的装置和控制方法可显著降低电力线路电压中固有低次谐波分量对滤波效果的不良影响。

3)结构简单，易于实施。

附图说明

图1是本发明第一实施例结构示意图；

图2是本发明第二实施例结构示意图；

图3是本发明中所述电容电流模拟单元的第一实施例结构示意图；

图4是本发明中所述电容电流模拟单元的第二实施例结构示意图；

图5是本发明中所述滤波单元的第一实施例结构示意图；

图6是无功补偿电容器引起公知有源电力滤波器自激振荡的实验波形；

图7是本发明所述有源电力滤波器装置和控制方法有效抑制电容器引起的自激振荡的实验波形；

图8是电压谐波对本发明所述有源电力滤波器装置输出电流影响的实验波形；

图9是电压谐波对采用中国专利ZL200610105202.8所述控制方法的有源电力滤波器输出电流影响的实验波形对比；

其中：1电流互感器组I、2电流检测单元I、3电压检测单元、4谐波电流计算单元、5电容电流模拟单元、6滤波单元I、7滤波单元II、8滤波单元III、9减法运算单元I、10减法运算单元II、11减法运算单元III、12补偿电流发生单元、13电流检测单元II、14电流互感器组II、15电容器I、16电容器II、17电容器III、18电阻器I、19电阻器II、20电阻器III、21电流互感器组III、22电流检测单元III、23比例放大单元I、24比例放大单元II、25比例放大单元III、26电压互感器I、27电压互感器II、28电压互感器III、29电容器IV、30电容器V、31电容器VI、32电阻器IV、33电阻器V、34电阻器VI、35电阻器VII、36电阻器VIII，37电阻器IX、38运算放大器I、39运算放大器II、40运算放大器III、41电阻器X、42电阻器XI、43电阻器XII、44电容器VII、45电容器VIII、46电容器IX、47缓冲单元。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明第一实施例结构示意图，该实施例适用于三相三线系统的滤波。

如图1所示，一种有源电力滤波器装置，它主要由电流互感器组I 1、电流检测单元I 2、电压检测单元3、谐波电流计算单元4、电容电流模拟单元5、滤波单元I-III 6-8、减法运算单元I-III 9-11、补偿电流发生单元12、电流检测单元II 13、电流互感器组II 14构成；其中，电流互感器组I 1中三个电流互感器的一次侧分别串联在三相被补偿电力线路L1、L2和L3中，二次侧分别接电流检测单元I 2的三组输入端；电流检测单元I 2的三个输出端分别接谐波电流计算单元4的三相被补偿电流信号输入端；电压检测单元3的三个相线输入端分别接三相被补偿电力线路L1、L2和L3，它的三个输出端分别接谐波电流计算单元4的三相电压信号输入端；谐波电流计算单元4的三相谐波电流信号输出端分别接减法运算单元I-III9-11的“+”输入端；电容电流模拟单元5的三个相线输入端分别接三相被补偿电力线路L1、L2和L3，它的三个输出端分别接滤波单元I-III6-8的输入端；滤波单元I-III6-8的输出端分别接减法运算单元I-III9-11的“-”输入端；减法运算单元I-III9-11的输出端分别接补偿电流发生单元12的三相指令电流信号输入端；补偿电流发生单元12的三相补偿电流输出端分别接电流互感器组II 14中三个电流互感器一次侧的各一个引出端，三个电流互感器一次侧的各另一个引出端分别接三相被补偿电力线路L1、L2和L3；电流互感器组II 14中三个电流互感器的二次侧分别接电流检测单元II 13的三组输入端；电流检测单元II 13的三个输出端分别接谐波电流计算单元4的三相补偿电流信号输入端。

图2是本发明第二实施例结构示意图，该实施例适用于三相四线系统的滤波。

如图2所示，为适应三相四线系统的滤波需求，所述电压检测单元3、电容电流模拟单元5和补偿电流发生单元12的各中线输入端还与被补偿配电线路的中线N连接，其他均与第一实施例相同。

所述有源电力滤波器装置，如图3所示，所述电容电流模拟单元5由电容器I-III15-17、电阻器I-III18-20、电流互感器组III21、电流检测单元III22、比例放大单元I-III23-25构成；其中，电容器I-III15-17的各一个引出端分别接所述电容电流模拟单元5的三个相线输入端，电容器I-III15-17的各另一引出端分别与电阻器I-III18-20的各一个引出端连接；电阻器I-III18-20的各另一引出端分别接电流互感器组III21中三个电流互感器一次侧的各一个引出端，三个电流互感器一次侧的各另一引出端相互连接在一起，并与所述电容电流模拟单元5的中线输入端连接；电流互感器组III21中三个电流互感器的二次侧分别接电流检测单元III22的三组输入端；电流检测单元III22的三个输出端分别接比例放大单元I-III23-25的输入端，比例放大单元I-III23-25的输出端分别与所述电容电流模拟单元5的三个输出端连接。

所述有源电力滤波器装置，如图4所示，所述电容电流模拟单元5由电压互感器I-III26-28、电容器IV-VI29-31、电阻器IV-VI32-34、电阻器VII-IX35-37、运算放大器I-III38-40构成；其中，电压互感器I-III26-28一次侧各“+”输入端分别接所述电容电流模拟单元5的三个相线输入端，一次侧各“-”输入端相互连接在一起，并与所述电容电流模拟单元5的中线输入端连接，二次侧各“+”输入端相互连接在一起，并与参考电位点连接，二次侧各“-”输入端分别接电容器IV-VI29-31的各一个引出端；电容器IV-VI29-31的各另一引出端分别串接电阻器IV-VI32-34；电阻器IV-VI32-34的各另一引出端分别接运算放大器I-III38-40的各“-”输入端；运算放大器I-III38-40的各“+”输入端相互连接在一起，并与参考电位点连接，各输出端分别与所述电容电流模拟单元5的三个输出端连接；电阻器VII-IX35-37的各一个引出端分别接运算放大器I-III38-40的各“-”输入端，各另一引出端分别接运算放大器I-III38-40的各输出端。

所述有源电力滤波器装置，如图5所示，所述滤波单元I-III6-8具有相同的内部结构，它由电阻器X-XII41-43、电容器VII-IX44-46、缓冲单元47构成；其中，电阻器X-XII41-43和电容器VII-IX44-46连接成典型的双T陷波器结构，其输入端接所述滤波单元的输入端，其输出端接缓冲单元47的输入端；缓冲单元47的输出端接所述滤波单元的输出端。

一种有源电力滤波器控制方法，它的步骤为：

(1)由电流互感器组I 1和电流检测单元I 2测得三相被补偿电力线路L1、L2和L3中的三相电流瞬时值信号i₁、i₂和i₃；

(2)由电压检测单元3测得三相被补偿电力线路L1、L2和L3中的三相电压瞬时值信号u₁、u₂和u₃；

(3)由电流互感器组II 14和电流检测单元II 13测得补偿电流发生单元输出的三相补偿电流瞬时值信号i_c1、i_c2和i_c3

(4)由谐波电流计算单元4根据i₁、i₂、i₃、u₁、u₂、u₃、i_c1、i_c2、i_c3，用公知方法求出i₁、i₂和i₃中的谐波分量信号i_h1、i_h2和i_h3；

(5)由电容电流模拟单元5产生模拟被补偿电力线路中所含实际电容器电流的电容电流模拟信号i_s1、i_s2和i_s3；

(6)由滤波单元I-III6，7，8分别对i_s1、i_s2和i_s3进行滤波，滤除其中的工频基波分量，得到三相修正电流信号i_e1、i_e2和i_e3；

(7)由减法运算单元I-III9，10，11分别按下式计算求得三相指令电流信号

和

$i_{c1}^{*}=i_{h1}-i_{e1}$

$i_{c2}^{*}=i_{h2}-i_{e2}$

$i_{c3}^{*}=i_{h3}-i_{e3}$

(8)将三相指令电流信号和

送入补偿电流发生单元12的三相指令电流信号输入端，由补偿电流发生单元按公知技术产生对应的三相补偿电流i_c1、i_c2和i_c3，注入三相被补偿电力线路。

所述有源电力滤波器控制方法，其中步骤(5)的一种具体实现方法为：

(1)列出被补偿电力线路中含有的实际电容器的电流响应传递函数G₀(s)：

$G_0\left(s\right)=\frac{C_{0}s}{R_0{C}_{0}s+1},$

其中：s是复变量，C₀是实际电容器的电容量，R₀是实际等效串联电阻。

(2)按照图3或图4所示结构构造三相电容电流模拟单元，使其各相支路的参数相同，因而电流响应传递函数相同，均为G₁(s)，且符合下式：

$G_1\left(s\right)=k\·\frac{C_{1}s}{R_1{C}_{1}s+1},$

其中：s是复变量，C₁是模拟电容器的电容量，R₁是模拟串联电阻，k是图3中比例放大单元的放大倍数，如果电流互感器组III21的变比不等于1，则也应将其包含于k中；对于图4而言，k等于电压互感器I-III26-28的变比与跨接在运算放大器输出端和“-”输入端之间的电阻器VII-IX35-37阻值的乘积。

(3)按下列条件选取参数C₁、k和R₁：

C₁＜＜C₀，

R₁≥k·R₀

(4)如图1或图2所示，用满足上述要求的电容电流模拟单元接入电路，在三相被补偿电力线路电压激励下产生模拟三相电容电流信号i_s1、i_s2和i_s3。

所述有源电力滤波器控制方法，其中步骤(6)的一种具体实现方法为：

(1)如图5所示，由电阻器和电容器构造典型双T陷波器网络，选择电阻R与电容C的值，使RC＝1/ω₀(ω₀是工频角频率)，其传递函数为：

$G_2\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+4{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中：s是复变量，ω₀是工频角频率。

(2)如图5所示，在双T陷波器网络后串接一单位增益缓冲器，以确保双T陷波器网络的滤波特性不受负荷影响。

(3)如图1或图2所示，用上述装置对i_s1、i_s2和i_s3进行滤波，即可滤除其中的工频基波分量。

如图1或图2所示，其中的电流互感器组I 1、电流检测单元I 2、电压检测单元3、谐波电流计算单元4、补偿电流发生单元12、电流检测单元II 13、电流互感器组II 14等单元与公知的有源电力滤波器中的对应功能单元相同，如果将谐波电流计算单元4输出的谐波分量信号i_h1、i_h2和i_h3直接送入补偿电流发生单元12的三相指令电流信号输入端，则构成公知的有源电力滤波器。在本发明中，增加了电容电流模拟单元5、滤波单元I-III 6-8和减法运算单元I-III 9-11，由电容电流模拟单元5和滤波单元I-III 6-8按照所述控制方法产生修正电流信号i_e1、i_e2和i_e3，并通过减法运算单元I-III 9-11对谐波分量信号i_h1、i_h2和i_h3进行修正，将修正后的电流信号

和

作为指令电流信号送入补偿电流发生单元12的三相指令电流信号输入端，由补偿电流发生单元12产生相应的补偿电流。修正电流信号i_e1、i_e2和i_e3是对实际电容电流中谐波分量的模拟。通过上述修正，可以消除实际电容电流对有源电力滤波器的不良影响，有效防止有源电力滤波器发生自激振荡，实现本发明的目的。

所述电流互感器组、电压互感器、电流检测单元、电压检测单元、谐波电流计算单元、减法运算单元、补偿电流发生单元、比例放大单元、缓冲单元等均可采用公知技术实现。

例如：电流互感器和电压互感器可采用标准产品，电流检测单元可由标准采样电阻和运算放大器实现，电压检测单元可采用电压互感器和运算放大器实现；减法运算单元、比例放大单元和缓冲单元可采用通用运算放大器实现；

谐波电流计算单元可采用TMS320F2812等数字信号处理器构成数字化控制器，根据三相电压信号、负载电流信号和网侧电流信号，以瞬时无功理论方法或快速傅里叶变换方法等公知技术方法完成所需谐波电流运算；负载电流信号和网侧电流信号可根据需要，由i₁、i₂、i₃和i_c1、i_c2、i_c3按照电流节点定律求得；

补偿电流发生单元可采用与公知有源电力滤波器相同的技术实现，通常采用IGBT半导体功率器件构成三相逆变桥，直流侧接有储能电容器，三相逆变输出端通过电感器接入被补偿电力线路，用指令电流信号通过PWM方法或滞环跟踪等方法对逆变桥进行调制驱动，产生所需补偿电流。

图6-图9为关于本发明实施效果的实验波形。各图中自上而下“1，2，3，4”四条波形曲线分别为被补偿电力线路电压、补偿前电流、补偿后电流、有源电力滤波器输出电流。其中：

图6是无功补偿电容器引起公知有源电力滤波器自激振荡的实验波形；由于电力负载中含有无功补偿电容器，已导致公知有源电力滤波器发生自激振荡。

图7是本发明所述有源电力滤波器装置和控制方法有效抑制电容器引起的自激振荡的实验波形；有源电力滤波器运行环境与图6相同，说明采用本发明所述装置和控制方法，可有效抑制电容器引起的自激振荡，实现有源电力滤波器与无功补偿电容器并联稳定运行；

图8是电压谐波对本发明所述有源电力滤波器输出电流影响的实验波形；此时有源电力滤波器谐波电流检测互感器(电流互感器组I)的二次侧被短接，滤波器因检测不到负载的谐波电流而不再输出有效的滤波电流，以突出观察电压谐波对滤波器输出电流的影响。可以看出，本发明所述有源电力滤波器输出电流受电压谐波不良影响很小。

图9是电压谐波对采用中国专利ZL200610105202.8所述控制方法的有源电力滤波器输出电流影响的实验波形对比；实验条件与图8完全相同，电压通道系数K_V的取值以能保证有源电力滤波器在相同的实验条件下稳定运行为准。可以看出，滤波器输出电流受电压谐波不良影响显著增加。

Claims (9)

1.一种有源电力滤波器装置，其特征是，它包括与三相被补偿电力线路连接的第一电流检测装置和电压检测装置，两者输出端与谐波电流计算单元(4)输入端连接，谐波电流计算单元(4)的三个输出端则分别与各自对应的减法运算单元I-III(9，10，11)输入端连接；同时与三相被补偿电力线路连接的电容电流模拟装置输出端也与减法运算单元I-III(9，10，11)输入端连接；减法运算单元I-III(9，10，11)的输出端与补偿电流发生单元(12)输入端连接；补偿电流发生单元(12)三相输出端将补偿电流注入三相被补偿电力线路，同时在补偿电流发生单元(12)三相输出端还接有第二电流检测装置，第二电流检测装置输出端则与谐波电流计算单元(4)输入端连接。

2.如权利要求1所述的有源电力滤波器装置，其特征是，所述第一电流检测装置和第二电流检测装置结构相同，其中第一电流检测装置包括电流互感器组I(1)，它的三个电流互感器的一次侧分别串联在各自对应的三相被补偿电力线路，二次侧分别接电流检测单元I(2)的三组输入端，电流检测单元I(2)输出端与谐波电流计算单元(4)输入端连接；

所述第二电流检测装置包括电流互感器组II(14)，电流互感器组II(14)的三个电流互感器一次侧分别串联在各自对应的补偿电流发生单元输出回路中；二次侧分别接电流检测单元II(13)的三组输入端；电流检测单元II(13)的输出端与谐波电流计算单元(4)输入端连接。

3.如权利要求1所述的有源电力滤波器装置，其特征是，所述电容电流模拟装置包括与三相被补偿电力线路连接的电容电流模拟单元(5)，它的三相输出端分别与各自的滤波单元I-III(6，7，8)输入端连接，滤波单元I-III(6，7，8)输出端则与减法运算单元I-III(9，10，11)的输入端连接。

4.如权利要求3所述的有源电力滤波器装置，其特征是，所述电容电流模拟单元(5)由电容器I-III(15，16，17)、电阻器I-III(18，19，20)、电流互感器组III(21)、电流检测单元III(22)、比例放大单元I-III(23，24，25)构成；其中，电容器I-III(15，16，17)的各一个引出端分别接所述电容电流模拟单元(5)的三个相线输入端，电容器I-III(15，16，17)的各另一引出端分别串接电阻器I-III(18，19，20)；电阻器I-III(18，19，20)的各另一引出端分别接电流互感器组III(21)中三个电流互感器一次侧的各一个引出端，三个电流互感器一次侧的各另一引出端相互连接在一起，并与所述电容电流模拟单元(5)的中线输入端连接；电流互感器组III(21)中三个电流互感器的二次侧分别接电流检测单元III(22)的三组输入端；电流检测单元III(22)的三个输出端分别接比例放大单元I-III(23，24，25)的输入端，比例放大单元I-III(23，24，25)的输出端分别与所述电容电流模拟单元(5)的三个输出端连接。

5.如权利要求3所述的有源电力滤波器装置，其特征是，所述电容电流模拟单元(5)由电压互感器I-III(26，27，28)、电容器IV-VI(29，30，31)、电阻器IV-VI(32，33，34)、电阻器VII-IX(35，36，37)、运算放大器I-III(38，39，40)构成；其中，电压互感器I-III(26，27，28)一次侧各“+”输入端分别接所述电容电流模拟单元(5)的三个相线输入端，一次侧各“-”输入端相互连接在一起，并与所述电容电流模拟单元(5)的中线输入端连接，二次侧各“+”输入端相互连接在一起，并与参考电位点连接，二次侧各“-”输入端分别接电容器IV-VI(29，30，31)的各一个引出端；电容器IV-VI(29，30，31)的各另一引出端分别串接电阻器IV-VI(32，33，34)；电阻器IV-VI(32，33，34)的各另一引出端分别接运算放大器I-III(38，39，40)的各“-”输入端；运算放大器I-III(38，39，40)的各“+”输入端相互连接在一起，并与参考电位点连接，各输出端分别与所述电容电流模拟单元(5)的三个输出端连接；电阻器VII-IX(35，36，37)的各一个引出端分别接运算放大器I-III(38，39，40)的各“-”输入端，各另一引出端分别接运算放大器I-III(38，39，40)的各输出端。

6.如权利要求1所述的有源电力滤波器装置，其特征是，所述滤波单元I-III(6，7，8)具有相同的内部结构，每个滤波单元均由电阻器X-XII(41，42，43)、电容器VII-IX(44，45，46)、缓冲单元(47)构成；其中，电阻器X-XII(41，42，43)和电容器VII-IX(44，45，46)连接成典型的双T陷波器结构，其输入端接所述滤波单元的输入端，其输出端接缓冲单元(47)的输入端；缓冲单元(47)的输出端接所述滤波单元的输出端。

7.一种权利要求1所述的有源电力滤波器装置的控制方法，其特征是，它的步骤为：

(1)由第一电流检测装置测得三相被补偿电力线路中的三相电流瞬时值信号i₁、i₂和i₃；

(2)由电压检测装置测得三相被补偿电力线路中的三相电压瞬时值信号u₁、u₂和u₃；

(3)由第二电流检测装置测得补偿电流发生单元(12)输出的三相补偿电流瞬时值信号i_c1、i_c2和i_c3

(4)由谐波电流计算单元(4)根据i₁、i₂、i₃、u₁、u₂、u₃、i_c1、i_c2、i_c3，用公知方法求出i₁、i₂和i₃中的谐波分量信号i_h1、i_h2和i_h3；

(5)由电容电流模拟装置产生模拟被补偿电力线路中所含实际电容器电流的电容电流模拟信号i_s1、i_s2和i_s3；并滤除其中的工频基波分量，得到三相修正电流信号i_e1、i_e2和i_e3；

(6)由减法运算单元I-III(9，10，11)分别按下式计算求得三相指令电流信号

和

$i_{c1}^{*}=i_{h1}-i_{e1}$

$i_{c2}^{*}=i_{h2}-i_{e2}$

$i_{c3}^{*}=i_{h3}-i_{e3}$

(7)将三相指令电流信号和送入补偿电流发生单元(12)的三相指令电流信号输入端，由补偿电流发生单元按公知技术产生对应的三相补偿电流i_c1、i_c2和i_c3，注入三相被补偿电力线路。

8.一种权利要求7所述的有源电力滤波器装置的控制方法，其特征是，所述步骤(5)的模拟被补偿电力线路中所含实际电容器电流的电容电流模拟信号i_s1、i_s2和i_s3的具体方法为，

(1)列出被补偿电力线路中含有的实际电容器的电流响应传递函数G₀(s)：

$G_0\left(s\right)=\frac{C_{0}s}{R_0{C}_{0}s+1},$

其中：s是复变量，C₀是实际电容器的电容量，R₀是实际等效串联电阻；

(2)构造三相电容电流模拟单元，使其各相支路的电流响应传递函数相同，均为G₁(s)，且符合下式：

$G_1\left(s\right)=k\·\frac{C_{1}s}{R_1{C}_{1}s+1},$

其中：s是复变量，C₁是模拟电容器的电容量，R₁是模拟串联电阻，k是比例放大单元的放大倍数；

(3)按下列条件选取参数C₁、k和R₁：

C₁＜＜C₀，

R₁≥k·R₀

(4)用满足上述要求的电容电流模拟单元，在三相被补偿电力线路电压激励下产生模拟三相电容电流信号i_s1、i_s2和i_s3。

9.如权利要求7所述的有源电力滤波器装置的控制方法，其特征是，所述步骤(5)中得到三相修正电流信号i_e1、i_e2和i_e3的具体方法为：

(1)由电阻器和电容器构造典型双T陷波器网络，选择电阻R与电容C的值，使RC＝1/ω₀，其中ω₀是工频角频率，其传递函数为：

$G_2\left(s\right)=\frac{s^2+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+4{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其中：s是复变量，ω₀是工频角频率；

(2)在双T陷波器网络后串接一单位增益缓冲器，以确保双T陷波器网络的滤波特性不受负荷影响；

(3)用上述装置对i_s1、i_s2和i_s3进行滤波，即可滤除其中的工频基波分量。

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