CN101997314A - 有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法和系统，本发明利用电网负载电流或电网电压产生基波因子，再和电压控制器的输出相乘产生电网电流的控制信号，使得有源滤波器能够滤除谐波时选择性的补偿无功功率，通过调整基波因子，可以选择补偿无功或不补偿无功，克服了传统有功平衡控制方法只能实现谐波和无功功率同时补偿而不适合应用于大容量无功功率负载的缺点，使其能够适合于更多的应用场合，并且本发明方法无需坐标变换、算法简单，不需要锁相环电路，硬件成本低，从而在有源滤波器中可替代基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。

Description

有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法和系统

技术领域

本发明属于有源电力滤波器领域，涉及一种有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法和系统。

背景技术

随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载投入使用，电网谐波污染问题越来越引起人们的重视。传统的无源滤波器由于存在只能滤除特定次谐波和易与电网发生谐振等缺点，正逐步被有源电力滤波器所取代。

影响并联型有源电力滤波器(APF)性能的一个重要因素是电流参考信号的获取。确定参考电流之前应该根据补偿目的将谐波和无功电流分量进行分离。补偿目的不同，对电流的分解方法也不同。例如，在补偿所有高次谐波分量以及单位功率因数的条件下，只需分离出基波有功电流分量即可；如果只消除谐波而不补偿基波无功分量，则需要分离出基波电流分量或谐波分量。

目前行业内的检测分离方法都存在一定的缺陷，难以应用到对于实时性要求较高的实际系统中：FFT检测方法能检测出各次谐波的幅值和相位，但其计算量和延时比较大。神经网络检测方法需要大量的时间来训练样本，它也难以满足实时的要求。基于自适应对消原理的谐波检测法的自适应能力很好，能较好地跟踪检测且精度较高，缺点是动态响应较慢。基于瞬时无功功率理论的检测算法可以分别检测谐波和无功功率，但其算法相对比较复杂。基于能量平衡理论的有功功率检测算法，利用电压环的控制量与电网电压因子相乘得到负载有功电流，算法简单，但该方法使得有源滤波器不能单独补偿负载电流的谐波分量，需同时补偿电网的无功功率。因此，当对无功功率比较大的负载进行谐波补偿时，容易出现没有充分滤除谐波的情况下，就达到了有源滤波器容量的极限。

因此，有必要设计一种全新的有源滤波器功率补偿方法和系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法和系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法，采用基于基波因子的双闭环控制方法以及采用单相全桥结构的逆变器，具体方法为：

直流电压给定值与逆变器直流侧电压u_C(t)进行比较产生误差信号经电压环控制器得到电压控制量，电压控制量与基波因子f(t)相乘得到电流控制参考信号

电流控制参考信号与电网电流i_S(t)比较得到的电流误差信号经电流控制器输出电流控制量，该电流控制量经三角波调制获得PWM控制信号输出给逆变器；

所述的基波因子f(t)由以下方法确定：

情况1：需要补偿谐波和无功功率时，f(t)＝αu_S(t)，其中α为限幅因子，为常数；u_S(t)为电网电压信号；

情况2：只补偿谐波时，f(t)＝<i_L>_sin，即基波因子f(t)是与负载电流i_L的基波分量同频同相的正弦信号。

情况1时：采用电压互感器和限幅电路获得基波因子f(t)；

情况2时：采用电流互感器和滤波器获得基波因子f(t)，滤波器由低通滤波器和高通滤波器串接而成。

一种有源滤波器选择性补偿无功功率的控制系统，包括电信号检测装置、逆变器和控制装置；

电信号检测装置包括电网电流检测电路、电网电压检测电路、逆变器直流侧电压检测电路；

逆变器通过用于滤波的电感与电网相接；逆变器采用单相全桥结构；

控制装置结构为：选择开关的一个输入端通过限幅电路与电网电压检测电路的输出信号相接；选择开关的另一个输入端通过滤波器与电网电流检测电路的输出信号相接；选择开关的输出信号为基波因子f(t)；

控制装置的控制器实现方法为：直流电压给定值与逆变器直流侧电压u_C(t)进行比较产生误差信号经电压环控制器得到电压控制量，电压控制量与基波因子f(t)相乘得到电流控制参考信号

电流控制参考信号

与电网电流i_S(t)比较得到的电流误差信号经电流控制环输出电流控制量，该电流控制量经三角波调制获得PWM控制信号输出给逆变器。

电压环控制器、限幅电路、滤波器、选择开关、电流环控制器和用于三角波调制的三角波调制电路采用DSP实现。

有益效果：

本发明利用电网负载电流或电网电压产生基波因子，再和电压控制器的输出相乘产生电网电流的控制信号，使得有源滤波器能够滤除谐波时选择性的补偿无功功率，通过调整基波因子，可以选择补偿无功或不补偿无功，克服了传统有功平衡控制方法只能实现谐波和无功功率同时补偿而不适合应用于大容量无功功率负载的缺点，算法简单，硬件复杂度低，从而适应不同的谐波负载的滤除谐波、补偿无功的需要。

本发明基于有功平衡的思想，利用有源滤波器的双闭环控制(直流电压环和电流环)，提出了一种通过构造基波因子来控制有源滤波器滤除谐波的同时，可选择补偿无功功率或不补偿无功功率，适应补偿不同的无功和谐波负载的需要，同时方法简单，硬件复杂度低，从而在有源滤波器中替代基于瞬时无功功率理论等传统的谐波检测方法。

本发明具有以下优点：

(1)与基于瞬时无功功率理论的控制方法相比，本文方法无需坐标变换、算法简单，提高了控制的实时性；

(2)与传统的基于有功平衡理论的控制方法相比，可以根据应用场合和实际需要来控制有源滤波器补偿无功或不补偿无功，扩大了其应用范围。

附图说明

图1是有源滤波器双闭环控制的框图；

图2是电网电流期望值的向量图；

图3是基波因子提取方法原理图；

图4是实例电路图。

具体实施方式

下面结合附图来具体论述本发明的原理与依据：

1.滤波和无功补偿的原理

图1为有源滤波器双闭环控制的框图，图中有源滤波器的控制由直流电压控制外环和电流跟踪控制内环构成，其中i_S(t)、i_L(t)和i_F(t)分别为电网电流、负载电流和滤波电流，u_S(t)为电网电压，

为电网电流的期望值，u_dc(t)和

分别为逆变器直流侧电压的实际值和期望值，f(t)为电流基波因子。对于传统的有功平衡控制方法而言，f(t)是和电网电压同频同相的正弦量。

对电流控制方法的研究已有大量文献进行了探讨，合理设计电流控制器可以获得电流的无差跟踪特性，也就是，

直流电压控制过程为：当APF直流侧电容电压u_dc(t)低于其设定值

时，其电压PI控制器输出w(t)会增加(PI参数附后)，经乘法器后电网电流参考指令值

相应改变，电流环控制APF使电网电流i_S(t)跟踪

因此导致滤波电流i_F(t)中含有了多余的有功电流成分，而对直流侧电容充电，导致电压u_dc(t)上升。反之亦然。如果忽略有源滤波器上开关元件的能量损耗和滤波电感L上的电压降(由于滤波电感L不是传统的交换无功能量意义上的电感，只要开关频率足够高，它就可以足够小)，当直流侧电容电压u_dc(t)跟踪设定值

达到稳定时，滤波电流i_F(t)中不含基波有功电流成分，否则直流电压u_dc(t)的平均值U_dc会变化。因此，直流电压稳定时，有

$i_{\mathrm{Sp}}^{*}=i_{\mathrm{Sp}}=i_{\mathrm{Lfp}}---\left(1\right)$

式中，i_Lfp为负载基波有功电流的向量，

和i_Sp分别为电网基波有功电流的期望值和实际值的向量。公式中的p指的有功分量，例如：i_Sp指电网电流的有功分量，而is指电网电流，它包括的基波有功分量、基波无功分量和波分量

假设电压环能达到稳态且此时电压环控制器的输出w(t)为W₀，并且设

Us为电网电压瞬时最大值。w为电网电压角频率。

并且令

f(t)＝Asin(ωt+θ)，

式中θ和A分别为基波因子的初相角和幅值，因此系统达到稳定时，电网电流的期望值可以描述为

$i_S^{*}\left(t\right)=W_{0}A\sin (\mathrm{\&omega;t}+\mathrm{\&theta;})---\left(2\right)$

从而，式(1)可改写：

式中，i_Lf为负载基波电流的向量，

为电网电流的期望值的向量，

为负载基波电流的初相角。图2给出了描述电网电流期望值的向量图。

当取

时，有

也就是说，通过构造基波因子可以控制有源滤波器只滤除谐波而不补偿无功；当取θ＝0时，

是基波电流的初相角，如果负载不变，其工作状态也不改变的话，

是不会变的，也就是说是个固定值。有也就是说，通过构造基波因子可以控制有源滤波器不仅滤除谐波而且对负载无功全补偿；当取

时，通过构造基波因子可以控制有源滤波器不仅滤除谐波而且对负载无功部分补偿。

2.产生基波因子的方法

根据上一节的分析可知，电流参考信号的幅值等于基波因子的幅值和电压控制器的输出乘积，因此，基波因子的幅值可以取任意的有限值，只是在取值时注意不要太大(见后面参数)，否则系统容易达到饱和。基波因子的初相角大小由补偿无功的大小决定，如果需要补偿全部的无功，基波因子的初相角等于负载基波有功电流i_Lfp的初相角，如果不补偿无功，其初相角等于负载基波电流i_Lf的初相角。

基波因子的初相角并不需要单独分析计算，可以利用不同的基准信号，通过简单的数学计算直接获得基波因子信号。

3.1补偿全部无功的基波因子

由于电网电压与负载基波有功电流i_Lfp同相位，因此可以利用电网电压获得补偿全部无功的基波因子：

f(t)＝αu_S(t)    (4)

式中，α为限幅的常数。

3.2不补偿无功的基波因子

根据上一节分析可知，要使有源滤波器只滤除谐波而不补偿无功，基波因子可利用与负载电流同频同相的正弦信号<i_L>_sin获得：

f(t)＝<i_L>_sin    (5)

本实施例中通过由低通滤波器和高通滤波器串联构成的信号滤波器来提取负载电流的基波信号作为<i_L>_sin，其原理如图3所示，其中，低通和高通滤波器的截止频率都取为工频(50Hz)，低通滤波器用于滤除高次谐波信号，而高通滤波器用于补偿低通滤波器对基波信号产生的相移。本实例中，低通滤波器和高通滤波器采用数字滤波器实现

图3给出了基波因子产生方法的结构图，这种方式类似于基于瞬时无功功率的ip-iq算法的补偿无功功率的可选特性，但算法相对简单，且无需锁相环电路。

对于三相系统，可以通过对一相的f(t)移相120°获得其它两相的f(t)。

基于以上原理分析可知，本发明利用直流电压控制器与基波因子直接获得电网电流的控制参考信号，通过改变基波因子，使有源滤波器能够滤除谐波时选择性的补偿无功功率，可以补偿无功或不补偿无功，从而适应不同的谐波负载的滤除谐波、补偿无功的需要。硬件方面，负载基波电流的检测电路不需要锁相环电路，只需要一个低通和高通滤波器即可完成，而且鲁棒性较高。通过与基于瞬时无功功率理论的谐波方法对比可知，本文方法算法简单、无需坐标变换且能选择是否补偿无功，可以在有源滤波器中取代基于瞬时无功功率的谐波检测方法。

实施例1：

如图4所示，谐波源包括电网1和非线性负载2。

应用本发明的单相有源滤波系统，包括滤波装置3、逆变装置4和控制装置5。

该实例是以DSP为控制核心的单相有源滤波器的实例。该实例的逆变装置4采用单相全桥结构；为了有效的滤除与开关频率相关的高次谐波，滤波装置3采取由电感组成的滤波器结构；控制装置5由电压环控制器5.1、限幅电路5.2(DSP程序实现)、滤波器5.3【滤波器就是图3中的LPf和hpf，但是这个实例中，滤波器是采用DSP中数字滤波器实现的，没有使用用模拟滤波器)、开关5.4、电流环控制器5.5、三角波调制电路5.6、电网电压检测电路5.7、电流检测电路5.8和直流电压检测电路5.9组成，其中电压环控制器5.1、限幅电路5.2、滤波器5.3、开关5.4、电流环控制器5.5和三角波调制电路5.6采用DSP实现。谐波负载是二极管整流电流负载。

同时单相有源滤波器是并联接入电网系统的。

利用电压互感器和限幅电路获得与电网电压同频同相的基波因子使有源滤波器补偿无功功率，或者利用电流互感器和滤波器获得与电网基波电流同频同相的基波因子使有源滤波器不补偿无功功率；

由直流电压检测电路5.9获得逆变器直流侧电压，与参考值(即直流电压给定值)比较产生误差信号，并作用于电压环控制器得到电压控制量，然后与由开关5.4选择的基波因子(补偿谐波和无功功率时，开关置为0，利用电压检测电路5.7和限幅电路5.2获得与电网电压同频同相的基波因子；只补偿谐波时，开关置为1，利用电网电流检测电路5.8和滤波器5.3，获得与电网基波电流同频同相的基波因子)，生成的基波因子与电压控制量相乘获得电流控制参考信号，并与电网电流比较得到电流误差信号，该误差信号作用于电流控制器获得电流控制量，该电流控制量通过三角波调制电路5.6得到逆变装置4的控制信号。本发明的控制电路和主电路直接采用了光隔离和磁隔离。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上实施例仅用以说明发明，很明显本发明并不受这些实施例的限制。本领域的普通技术人员任何基于本发明实质内容的修改、变形或等同替换，均涵盖在本发明权利要求范围当申。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。相关参数说明：

为验证所提出的方法，本文研制了一台单相有源滤波器实验样机。电网供电电压和频率分别为110V和50Hz；滤波电感和直流电容分别为500μH和470μF；逆变器直流侧电压和开关频率分别被设置为200V和20KHz；电压环控制器采用PI控制器，其参数K_P1和K_I1分别为0.02和0.46，保证电压环对基波频率的信号有很好的衰减特性；电流环控制器采用PI控制器，其参数K_P2和K_I2分别为0.13和0.71，保证电流环对谐波电流有良好的跟踪特性；低通和高通滤波器的截止频率都取为50Hz，分别采用模拟二阶butterworth滤波器实现；谐波源为二极管整流桥带电阻与电容并联负载，电阻和电容分别为30Ω和1000μF；线性负载为阻感负载，电阻和电感分别为3Ω和300mH，控制算法利用DSP芯片TMS320F2812实现。

Claims (4)

1.一种有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法，其特征在于，采用基于基波因子的双闭环控制方法以及采用单相全桥结构的逆变器，具体方法为：

直流电压给定值与逆变器直流侧电压u_C(t)进行比较产生误差信号经电压环控制器得到电压控制量，电压控制量与基波因子f(t)相乘得到电流控制参考信号电流控制参考信号与电网电流i_S(t)比较得到的电流误差信号经电流控制器输出电流控制量，该电流控制量经三角波调制获得PWM控制信号输出给逆变器；

所述的基波因子f(t)由以下方法确定：

情况1：需要补偿谐波和无功功率时，f(t)＝αu_S(t)，其中α为限幅因子，为常数；u_S(t)为电网电压信号；

情况2：只补偿谐波时，f(t)＝<i_L>_sin，即基波因子f(t)是与负载电流i_L的基波分量同频同相的正弦信号。

2.根据权利要求1所述的有源滤波器选择性补偿无功功率的控制方法，其特征在于，情况1时：采用电压互感器和限幅电路获得基波因子f(t)；

情况2时：采用电流互感器和滤波器获得基波因子f(t)，滤波器由低通滤波器和高通滤波器串接而成。

3.一种有源滤波器选择性补偿无功功率的控制系统，其特征在于，包括电信号检测装置、逆变器和控制装置；

电信号检测装置包括电网电流检测电路、电网电压检测电路、逆变器直流侧电压检测电路；

逆变器通过用于滤波的电感与电网相接；逆变器采用单相全桥结构；

控制装置结构为：选择开关的一个输入端通过限幅电路与电网电压检测电路的输出信号相接；选择开关的另一个输入端通过滤波器与电网电流检测电路的输出信号相接；选择开关的输出信号为基波因子f(t)；

控制装置的控制器实现方法为：直流电压给定值

与逆变器直流侧电压u_C(t)进行比较产生误差信号经电压环控制器得到电压控制量，电压控制量与基波因子f(t)相乘得到电流控制参考信号电流控制参考信号

与电网电流i_S(t)比较得到的电流误差信号经电流控制环输出电流控制量，该电流控制量经三角波调制获得PWM控制信号输出给逆变器。

4.根据权利要求3所述的有源滤波器选择性补偿无功功率的控制系统，其特征在于，电压环控制器、限幅电路、滤波器、选择开关、电流环控制器和用于三角波调制的三角波调制电路采用DSP实现。

Images