CN101950966B - 基于倍频spwm控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器。本发明包括滤波器主电路(1)、采样电路(2)和控制及驱动电路(3)；控制及驱动电路(3)包括无功检测环(4)、电压环(5)、电流环(6)、逻辑控制及隔离驱动环(7)；无功检测环(4)利用低通滤波器对有功功率、谐波及无功功率进行分离控制可得谐波及无功电流，电压环(5)、电流环(6)分别用以稳定直流侧电容电压和跟踪补偿谐波及无功电流基准，逻辑控制及隔离驱动环(7)进行逻辑信号分配和产生驱动信号。本发明不仅能够避免交流侧并联双电感环流存在，同时有利于提高功率管等效开关频率，缓解功率管容量与开关频率的矛盾，优化有源滤波器系统补偿特性。

Description

基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器

技术领域：

本发明涉及一种基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器，属于电力谐波抑制技术领域。

背景技术：

随着国民经济的发展和现代化技术的进步，电网负荷急剧增大，对电网无功功率补偿的要求与日俱增。特别是如轧机、电弧炉等冲击、非线性负荷的不断增加，加上电力电子技术的普遍应用，使得电网发生了电压波形畸变、电压波动闪变和三相不平衡等问题，产生电能质量降低、网络损耗严重等不良影响。

有源电力滤波器作为谐波及无功滤除装置的发展趋势之一，其拓扑结构、谐波及无功检测和电流控制策略受到了广泛研究。比较两种主流型有源电力滤波器拓扑——半桥型和全桥型结构，半桥结构虽然结构简单，控制容易，但表现出直流侧电容电压利用率低，补偿特性一般，功率器件电压容量等级要求高等不可忽视的缺点，使得全桥型拓扑更具优势，更为研究人员所关注。为了提高全桥型拓扑结构的有源电力滤波器的系统可靠性，控制驱动环节不可避免需要增加一定的死区时间，影响补偿性能。而且，随着开关频率的增加，有源电力滤波器的补偿性能会得到提升。因此在解决大容量的电网谐波及无功补偿问题时，往往采取多级并联或级联等手段来缓解功率管开关频率在容量上的矛盾，以便得到更优的补偿特性，这会带来成本的增加和控制的更为复杂。双降压全桥并联型有源电力滤波器的功率管控制不需要死区时间，可完全杜绝桥臂直通问题，提高系统可靠性，同时功率管体二极管的剥离，降低了功率管开关损耗，有益开关频率的提高。将常规的全桥型结构的控制策略应用于双降压全桥并联型有源电力滤波器会造成电感出现环流，虽然对有源电力滤波器的补偿特性影响不大，但会带来不必要的损耗，考虑到系统安全可靠性也不允许。因此如何减少双降压全桥并联型有源电力滤波器的运行损耗，提高其装置效率，避免过热引起设备安全性等问题有一定现实意义。考虑全桥型结构的有源电力滤波器控制策略已经采用倍频技术，有利于提高功率管等效开关频率，从而带来滤波特性的优势，双降压全桥并联型有源电力滤波器虽然有其特殊结构，如何引进这种先进技术对其实际应用同样十分重要。

发明内容

发明目的：

本发明的目的在于以双降压全桥并联型有源电力滤波器为对象，针对其控制技术存在的不足，提出一种SPWM半波倍频控制系统，避免有源电力滤波器工作时交流侧并联双电感环流侧存在，并能缓解功率管开关频率与容量的矛盾，有利于降低有源滤波器系统损耗，提高系统效率和滤波性能。

技术方案：

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器，包括滤波器主电路、采样电路和控制及驱动电路；所述滤波器主电路的输入端分别与电网正母线、非线性负载的一端连接，滤波器主电路的输出端分别与非线性负载的另一端、电网的负母线连接，采样电路的输入端分别与滤波器主电路、电网侧电路连接，用于采集电流、电压的采样值；控制及驱动电路包括无功检测环、电压环、电流环、逻辑控制及隔离驱动环；其中无功检测环的第一输入端、电压环的输入端、电流环的第一输入端分别与采样电路的输出端连接；电压环的输出端与无功检测环的第二输入端连接，无功检测环的输出端与电流环的第二输入端连接；电流环的输出端与逻辑控制及隔离驱动环输入端连接，逻辑控制及隔离驱动环的输出端与滤波器主电路连接。

进一步地，上述基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器的滤波器主电路包括交流侧并联电感电路、第一单功率管桥臂、第二单功率管桥臂和直流侧电容；其中交流侧并联电感电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感；所述第一单功率管桥臂、第二单功率管桥臂分别包括两个并联的桥臂；其中第一电感的一端、第二电感的一端相连作为滤波器主电路的正输入端，第一电感的另一端与第一单功率管桥臂中任一桥臂的中点相连，第二电感的另一端与第二单功率管桥臂中任一桥臂的中点相连；第三电感的一端、第四电感的一端相连作为滤波器主电路的负输出端，第三电感的另一端与第一单功率管桥臂中的另一桥臂的中点相连，第四电感的另一端与第二单功率管桥臂中的另一桥臂的中点相连；所述直流侧电容的两端分别连接滤波器主电路的正负直流母线；

所述采样电路包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2和电网电压采样VT1、直流侧电容电压采样VT2；其中所述直流侧电容电压采样VT2的采样值输入至电压环的输入端；所述负载电流采样CT1的采样值、电网电压采样VT1的采样值分别输入谐波及无功检测电路的第一输入端；所述补偿电流采样CT2的采样值输入电流环的第一输入端。

进一步地，上述基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器的第一单功率管桥臂的第一桥臂包括第一功率管、第一二极管，第二桥臂包括第三功率管、第三二极管；其中第一功率管的源极与第一二极管的阴极相连，第三功率管的源极与第三二极管的阴极相连；

所述第二单功率管桥臂的第一桥臂包括第二功率管、第二二极管，第二桥臂包括第四功率管、第四二极管；其中第二功率管的漏极与第二二极管的阳极连接，第四功率管的漏极与第四二极管的阳极连接；

第一功率管、第三功率管的漏极、第二二极管的阴极、第四二极管的阴极分别与滤波器主电路的直流正母线连接，第二功率管的源极、第四功率管的源极、第一二极管、第三二极管的阳极分别与滤波器主电路的直流负母线连接。

进一步地，上述基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器的电压环包括第三减法器、电压调节器；其中直流侧电压参考值、直流侧电容电压采样VT2的采样值分别输入所述第三减法器的正、负输入端，第三减法器的输出端输出电压误差值输入至电压调节器的输入端，电压调节器的输出端与谐波及无功检测电路的第二输入端连接。

进一步地，上述基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器的谐波及无功检测环包括第一乘法器、低通滤波器、加法器、第二乘法器、第二减法器、锁相环、比例系数调节器；其中所述第一乘法器的输入端作为谐波及无功检测环的第一输入端，第一乘法器的输出端连接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端与加法器的第一输入端连接，加法器的第二输入端作为谐波及无功检测电路的第二输入端与电压环的输出端连接；加法器的输出端连接比例系数调节器的输入端，比例系数调节器的输出端连接第二乘法器的第一输入端；电网电压VT1的采样值输入锁相环后得到同步单位电网电压输入第二乘法器的第二输入端；第二乘法器的输出端连接第二减法器的正输入端；负载电流CT1的采样值输入第二减法器的负输入端；第二减法器的输出端作为谐波及无功检测环的输出端，输出谐波及无功电流与电流环的第二输入端连接。

进一步地，上述基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器的电流环包括第四减法器、电流调节器、过零比较器、第二比较器和第三比较器；其中谐波及无功检测环的输出端、补偿电流CT2的采样值分别连接第四减法器的正、负输入端；第四减法器的输出端连接电流调节器的输入端；电流调节器的输出端分别接入第二比较器、第三比较器的正输入端，第二比较器、第三比较器的负输入端分别接等频等幅反相的三角载波；过零比较器的正输入端接谐波及无功检测环的输出端；

过零比较器、第二比较器、第三比较器的输出端分别与逻辑控制及隔离驱动环的输入端连接。

进一步地，上述基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器的逻辑控制及隔离驱动环包括三个非门、四个与门以及四个隔离驱动；其中三个非门分别为第一非门、第二非门、第三非门，四个与门分别为第一与门、第二与门、第三与门、第四与门，四个隔离驱动分别为第一隔离驱动、第二隔离驱动、第三隔离驱动、第四隔离驱动；

其中所述过零比较器的输出端分别与第一非门、第二与门、第三与门的输入端连接；所述第二比较器的输出端分别与第二非门、第三与门的输入端连接；所述第三比较器的输出端分别第三非门、第二与门的输入端连接；所述第一非门的输出端分别与第一与门、第四与门的输入端连接；所述第二非门的输出端连接第四与门的输入端，所述第三非门的输出端连接第一与门的输入端；所述四个与门的输出端分别连接所述四个隔离驱动的输入端，所述四个隔离驱动的输出端分别输出驱动信号至滤波器主电路中的四个功率管。

有益效果：

1、本发明拓扑结构简单，控制容易，易于实现；

2、本发明的单管桥臂结构将体二极管从功率管分离开，能分别优化功率开关管和功率二极管，为进一步提高开关频率创造条件，以便提高滤波器谐波补偿特性；

3、本发明相对于传统并联型有源电力滤波器，能杜绝桥臂直通的危险，系统可靠性高；

4、本发明能避免交流侧并联双电感间环流的产生，降低有源滤波器系统损耗，提高系统效率；实际开关频率不变，提高等效开关频率，优化了有源电力滤波器补偿特性。

附图说明：

图1是本发明的基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器的结构示意图。

图2本发明的单相双降压全桥并联型有源电力滤波器的控制原理示意图。

图3是本发明应用于115V/400Hz电网的负载电流、补偿电流、电网电流和电网电压的仿真波形。

图4是本发明应用于115V/400Hz电网的驱动信号和电感电流仿真波形。

图中标号：1、滤波器主电路，2、采样电路，3、控制及驱动电路，4、谐波及无功检测环，5、电压环，6、电流环，7、逻辑控制及隔离驱动环。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图1所示，本发明的有源电力滤波器包括滤波器主电路1、采样电路2和控制及驱动电路3；滤波器主电路1与电网连接，采样电路2的输入端分别与滤波器主电路1、电网侧电路连接，用于采集电流、电压的采样值；控制及驱动电路3包括无功检测环4、电压环5、电流环6、逻辑控制及隔离驱动环7；其中无功检测环4的第一输入端、电压环5的输入端、电流环6的第一输入端分别与采样电路2的输出端连接；电压环5的输出端与无功检测环4的第二输入端连接，无功检测环4的输出端与电流环6的第二输入端连接；电流环6的输出端与逻辑控制及隔离驱动环7输入端连接，逻辑控制及隔离驱动环7的输出端与滤波器主电路1连接。

如图2所示，本发明的单相双降压全桥并联型有源电力滤波器的控制原理示意图，主电路1由两组交流侧并联双电感L₁和L₂、L₃和L₄，四组单功率管桥臂S₁D₁、S₂D₂、S₃D₃、S₄D₄以及直流侧电容(C)。采样电路2包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2和电网电压采样VT1、直流侧电容电压采样VT2。控制及驱动电路3包括谐波及无功检测环4、电压环5、电流环6和逻辑控制及隔离驱动环7，谐波及无功检测环4输入为电压环5输出、CT1负载电流采样值i_L和VT1电网电压采样值u_S，其输出接入电流环6；电流环6输入为谐波及无功检测电路4输出和CT2采样值，其输出三个信号分别接入逻辑控制及隔离驱动环7；逻辑控制及隔离驱动环7输入为电流环6三个输出信号，其输出接入主电路1功率管栅极。

谐波及无功检测环4利用瞬时功率算法，将CT1负载电流采样值i_L和VT1电网电压采样值u_S输入乘法器M₁，输出负载瞬时功率，然后经过低通滤波器LPF滤除瞬时无功及谐波功率后得到瞬时有功功率，将低通滤波器LPF输出接入加法器B₁输入之一另一输入接电压环5输出，加法器B₁输出乘以比例系数K(K取电网电压最大值U_M倒数的2倍)后得到的基波有功电流有效值，作为乘法器M₂一个输入，VT1电网电压采样值u_S输入锁相环PLL后得到同步单位电网电压作为乘法器M₂另一个输入，乘法器M₂输出为基波有功电流，将其和CT1负载电流采样值i_L分别接入减法器B₂正负输入，减法器B₂输出为谐波及无功电流，即补偿电流基准。

电压环5中，减法器B₃正负输入分别接直流侧电压参考V_ref和VT2直流侧电容电压采样值V_C，减法器B₃输出电压误差接入电压调节器PI，电压调节器PI输出作为加法器B₁另一个输入，以保持直流侧电容电压恒定。

电流环6中，减法器B₄正负输入分别接谐波及无功检测环4输出和CT2补偿电流采样值i_C，减法器B₄输出补偿电流误差接入电流调节器P，电流调节器P输出调制波分别接入比较器J₂和比较器J₃正输入，两个比较器负输入分别接等频等幅反相的三角载波，分别与调制波比较后比较器J₃输出功率管S₁和S₂的SPWM控制信号，比较器J₂输出功率管S₃和S₄的SPWM控制信号；过零比较器J₁正输入接谐波及无功检测环4输出，输出半波逻辑控制信号。

逻辑控制及隔离驱动环7用以分配SPWM信号，产生驱动信号，当过零比较器J₁输出半波逻辑控制信号大于零时(即补偿电流基准的极性大于零)，过零比较器J₁输出接入非门F₁后产生信号将与门Y₁和与门Y₄信号封锁，仅控制功率管S₂和S₃；反之，当过零比较器J₁输出半波逻辑控制信号等于零时(即补偿电流基准的极性小于零)，过零比较器J₁输出将与门Y₂和Y₃信号封锁，仅控制功率管S₁和S₄；比较器J₂输出分别接入非门F₂和与门Y₃，非门F₂输出接入与门Y₄；比较器J₃输出分别接入非门F₃和与门Y₂，非门F₃输出接入与门Y₁；与门Y₁、Y₂、Y₃、Y₄输出分别接隔离驱动DR₁、DR₂、DR₃、DR₄，最后得到滤波器主电路1中功率管S₁、S₂、S₃、S₄的驱动信号。

本发明的SPWM半波倍频控制方法的原理是使双降压全桥并联型有源电力滤波器工作在两种工作模态：在补偿电流大于零时，桥臂S₂D₂和S₃D₃参与工作；在补偿电流小于零时，桥臂S₁D₁和S₄D₄参与工作，两种模态互补工作。电流控制策略采用SPWM控制方式，调制波始终保持不变，桥臂S₁D₁和S₂D₂的调制共用一个三角载波，S₃D₃和S₄D₄的调制共用另外一个三角载波，两个三角载波同频同幅反相，使得补偿电流每半波中都会出现零和正负直流侧电压三个电位，实际开关频率不变，增加等效开关频率，有利于提高有源电力滤波器的补偿特性。

附图3是本发明应用于115V/400Hz电网的负载电流、补偿电流、电网电流和电网电压的仿真波形。通过仿真发现本发明的电路拓扑具有良好的谐波补偿特性，电网电流经过补偿后基本不含有谐波和无功分量，电网电流THD仅为2.75％。

附图4是本发明应用于115V/400Hz电网的驱动信号和电感电流仿真波形。由驱动和电感的电流可以得知，每个桥臂均只在补偿电流单极性半波互补工作，不会出现环流情况。

单相双降压全桥并联型有源电力滤波器应用于115V/400Hz电网，电流控制策略分别采用本发明的SPWM半波控制技术和SPWM半波倍频控制技术，对补偿后的电网电流波形THD进行比较发现：采用两种控制方式后，谐波及无功电流都得到较好了补偿，但是采用本发明SPWM半波倍频控制技术的电网电流THD值要优于前者，分别为5.21％和2.75％。

仿真结果表明：本发明能够较好实现电网谐波治理，降低有源电力滤波系统的损耗，并且能够提高其滤波效果。

Claims (5)

1.一种基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器，包括滤波器主电路(1)、采样电路(2)和控制及驱动电路(3)；所述滤波器主电路(1)的输入端分别与电网正母线、非线性负载的一端连接，滤波器主电路(1)的输出端分别与非线性负载的另一端、电网的负母线连接，采样电路(2)的输入端分别与滤波器主电路(1)、电网侧电路连接，用于采集电流、电压的采样值；其特征在于：所述控制及驱动电路(3)包括无功检测环(4)、电压环(5)、电流环(6)、逻辑控制及隔离驱动环(7)；其中无功检测环(4)的第一输入端、电压环(5)的输入端、电流环(6)的第一输入端分别与采样电路(2)的输出端连接；电压环(5)的输出端与无功检测环(4)的第二输入端连接，无功检测环(4)的输出端与电流环(6)的第二输入端连接；电流环(6)的输出端与逻辑控制及隔离驱动环(7)输入端连接，逻辑控制及隔离驱动环(7)的输出端与滤波器主电路(1)连接；

所述滤波器主电路(1)包括交流侧并联电感电路、第一单功率管桥臂、第二单功率管桥臂和直流侧电容C；其中交流侧并联电感电路包括第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄；所述第一单功率管桥臂、第二单功率管桥臂分别包括两个并联的桥臂；其中第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端相连作为滤波器主电路(1)的正输入端，第一电感L₁的另一端与第一单功率管桥臂中任一桥臂的中点相连，第二电感L₂的另一端与第二单功率管桥臂中任一桥臂的中点相连；第三电感L₃的一端、第四电感L₄的一端相连作为滤波器主电路(1)的负输出端，第三电感L₃的另一端与第一单功率管桥臂中的另一桥臂的中点相连，第四电感L₄的另一端与第二单功率管桥臂中的另一桥臂的中点相连；所述直流侧电容C的两端分别连接滤波器主电路(1)的正负直流母线；

所述采样电路(2)包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2和电网电压采样VT1、直流侧电容电压采样VT2；其中所述直流侧电容电压采样VT2的采样值(Vc)输入至电压环(5)的输入端；所述负载电流采样CT1的采样值(i_L)、电网电压采样VT1的采样值(u_S)分别输入无功检测环(4)的第一输入端；所述补偿电流采样CT2的采样值(ic)输入电流环(6)的第一输入端；

所述无功检测环(4)包括第一乘法器(M₁)、低通滤波器(LPF)、加法器(B₁)、第二乘法器(M₂)、第二减法器(B₂)、锁相环(PLL)、比例系数调节器(K)；其中所述第一乘法器(M₁)的输入端作为无功检测环(4)的第一输入端，第一乘法器(M₁)的输出端连接低通滤波器(LPF)的输入端；低通滤波器(LPF)的输出端与加法器(B₁)的第一输入端连接，加法器(B₁)的第二输入端作为无功检测环(4)的第二输入端与电压环(5)的输出端连接；加法器(B₁)的输出端连接比例系数调节器(K)的输入端，比例系数调节器(K)的输出端连接第二乘法器(M₂)的第一输入端；电网电压VT1的采样值(u_S)输入锁相环(PLL)后得到同步单位电网电压输入第二乘法器(M₂)的第二输入端；第二乘法器(M₂)的输出端连接第二减法器(B₂)的正输入端；负载电流CT1的采样值(i_L)输入第二减法器(B₂)的负输入端；第二减法器(B₂)的输出端作为无功检测环(4)的输出端，输出谐波及无功电流与电流环(6)的第二输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述第一单功率管桥臂的第一桥臂包括第一功率管S₁、第一二极管D₁，第二桥臂包括第三功率管S₃、第三二极管D₃；其中第一功率管S₁的源极与第一二极管D₁的阴极相连，第三功率管S₃的源极与第三二极管D₃的阴极相连；

所述第二单功率管桥臂的第一桥臂包括第二功率管S₂、第二二极管D₂，第二桥臂包括第四功率管S₄、第四二极管D₄；其中第二功率管S₂的漏极与第二二极管D₂的阳极连接，第四功率管S₄的漏极与第四二极管D₄的阳极连接；

第一功率管S₁、第三功率管S₃的漏极、第二二极管D₂的阴极、第四二极管D₄的阴极分别与滤波器主电路(1)的直流正母线连接，第二功率管S₂的源极、第四功率管S₄的源极、第一二极管D₁、第三二极管D₃的阳极分别与滤波器主电路(1)的直流负母线连接。

3.根据权利要求1所述的基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述电压环(5)包括第三减法器(B₃)、电压调节器(PI)；其中直流侧电压参考值(V_ref)、直流侧电容电压采样VT2的采样值(Vc)分别输入所述第三减法器(B₃)的正、负输入端，第三减法器(B₃)的输出端输出电压误差值输入至电压调节器(PI)的输入端，电压调节器(PI)的输出端与无功检测环(4)的第二输入端连接。

4.根据权利要求1所述的基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述电流环(6)包括第四减法器(B₄)、电流调节器(P)、过零比较器(J₁)、第二比较器(J₂)和第三比较器(J₃)；其中无功检测环(4)的输出端、补偿电流CT2的采样值(i_C)分别连接第四减法器(B₄)的正、负输入端；第四减法器(B₄)的输出端连接电流调节器(P)的输入端；电流调节器(P)的输出端分别接入第二比较器(J₂)、第三比较器(J₃)的正输入端，第二比较器(J₂)、第三比较器(J₃)的负输入端分别接等频等幅反相的三角载波；过零比较器(J₁)的正输入端接无功检测环(4)的输出端；

过零比较器(J₁)、第二比较器(J₂)、第三比较器(J₃)的输出端分别与逻辑控制及隔离驱动环(7)的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的基于倍频SPWM控制的双降压全桥并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述逻辑控制及隔离驱动环(7)包括三个非门、四个与门以及四个隔离驱动；其中三个非门分别为第一非门F₁、第二非门F₂、第三非门F₃，四个与门分别为第一与门Y₁、第二与门Y₂、第三与门Y₃、第四与门Y₄，四个隔离驱动分别为第一隔离驱动DR₁、第二隔离驱动DR₂、第三隔离驱动DR₃、第四隔离驱动DR₄；

其中所述过零比较器(J₁)的输出端分别与第一非门F₁、第二与门Y₂、第三与门Y₃的输入端连接；所述第二比较器(J₂)的输出端分别与第二非门F₂、第三与门Y₃的输入端连接；所述第三比较器(J₃)的输出端分别第三非门F₃、第二与门Y₂的输入端连接；所述第一非门F₁的输出端分别与第一与门Y₁、第四与门Y₄的输入端连接；所述第二非门F₂的输出端连接第四与门Y₄的输入端，所述第三非门F₃的输出端连接第一与门Y₁的输入端；所述四个与门的输出端分别连接所述四个隔离驱动的输入端，所述四个隔离驱动的输出端分别输出驱动信号至滤波器主电路(1)中的四个功率管。

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