CN102025145A - 基于双向斩波器的直流有源电力滤波器及其控制方法 - Google Patents

基于双向斩波器的直流有源电力滤波器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于双向斩波器的直流有源电力滤波器及其控制方法。该直流有源电力滤波器主电路拓扑基于双向斩波器,还包括接口电感,其中双向斩波器由分别包括反并联二极管的第一功率开关管、第二功率开关管、稳压电容组成;其控制方法为:负载电流采样值经过低通滤波器提取直流分量,再利用减法器获得补偿电流基准,最后通过电流控制器、逻辑电路以及驱动电路,从而控制补偿电流跟踪其基准。本发明将非线性负载带来的谐波问题由直流有源电力滤波器补偿,以保证直流电网电流输出恒定直流。

Description

基于双向斩波器的直流有源电力滤波器及其控制方法
技术领域
 本发明涉及一种基于双向斩波器的直流有源电力滤波器及其控制方法,属于电力谐波抑制技术领域。
背景技术
单相静止变流器作为高压直流电源系统的典型负载之一,其输出为交流电压,输出的瞬时功率是不停脉动的,因此,静止变流器输入的瞬时功率也必然是不断脉动的。静止变流器的输入为直流母线,其输入电压恒定,所以功率的脉动必然体现在输入电流的脉动上。
随着机载电子设备的广泛使用,大量的静止变流器作为非线性负载接入高压直流电源系统中,其脉动的输入电流对高压直流电源系统造成严重的电网污染,如果纹波过大,会产生诸多不良影响:
(1) 当系统中存在纹波时,可能会引起局部的并联或串联谐振,放大谐波分量,因此增加了由于纹波所产生的附加损耗和发热,使电力设备发生额外损耗而过热;
(2) 对直流线路沿线附近的通讯系统产生干扰,在严重的情况下会威胁通讯设备的安全;
(3) 由于纹波的存在,增加了系统中元件的附加谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的使用效率。纹波可能引起测量仪表的误差及某些电力设备保护装置的误动作;
(4) 纹波使电力设备元件绝缘老化加速,缩短使用寿命等。
输入电流中的高频纹波用简单的无源方案即可滤除,但无源电力滤波器本身存在如下局限:在谐振频率时,系统阻抗与滤波器阻抗相比不是足够大,因而不能彻底滤除纹波;纹波源电流超量时,滤波器容易过载;由于工作频率及滤波器元件参数的变化(如:温度变化时),滤波器可能失谐,从而影响滤波效果;滤波器的占地面积大等。并且,最值得注意的是:单相静止变流器的输入电流中还存在很难用无源方案滤除的低频纹波电流,其中最典型的就是二次谐波电流。
借鉴交流系统中有源电力滤波器的原理,把用于直流系统的有源滤波器称为直流有源滤波器。将这种装置用于直流电源系统中以抑制其谐波电压和电流,可以大大提高直流输电的性能,很大程度上减少谐波的污染,大幅度降低滤波装置的造价。在高压直流电源系统中开展直流有源滤波器的理论及应用研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,解决高压直流电源系统中低频纹波无源滤波器无法完全滤除的问题,提出一种基于双向斩波器的直流有源电力滤波器及其控制策略,采用这种直流有源电力滤波器和控制策略不但能较好的治理高压直流电网中存在的纹波问题,同时具有很好的稳定特性。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
一种基于双向斩波器的直流有源电力滤波器,包括接口电感、双向斩波器,其中双向斩波器由第一功率开关管、第二功率开关管、稳压电容组成;
所述第一功率开关管、第二功率开关管分别包括一个反并联二极管;
其中接口电感的一端与直流电网第一母线连接,接口电感的另一端分别与第一功率开关管的发射极、第二功率开关管的集电极连接;第一功率开关管的集电极与稳压电容的一端连接,稳压电容的另一端分别与第二功率开关管的发射极、直流电网第二母线连接。
一种基于双向斩波器的直流有源电力滤波器的控制方法,包括以下步骤:
步骤2-1,检测非线性负载电流信号,直流有源电力滤波器的补偿电流信号,直流有源电力滤波器的直流母线电压信号;
步骤2-2,将步骤2-1得到的非线性负载电流信号经过低通滤波器,获得其直流分量;
步骤2-3,计算非线性负载电流信号与其直流分量的差值,获得非线性负载电流信号的纹波分量;
步骤2-4,计算直流有源电力滤波器的直流母线电压参考信号与直流有源电力滤波器的直流母线电压信号的差值;
步骤2-5,将步骤2-4得到的电压差值用PI控制器进行调节,然后加入步骤2-3得到的非线性负载电流信号的纹波分量,获得直流有源电力滤波器的补偿电流基准值;
步骤2-6,计算补偿电流基准值与步骤2-1所述的补偿电流信号的差值;
步骤2-7,将上一步得到的补偿电流差值输入电流滞环比较器获得第一逻辑信号;
步骤2-8,将步骤2-5得到的补偿电流基准值输入过零比较器获得第二逻辑信号;
步骤2-9,将前述第一、第二逻辑信号分别输入逻辑电路,在逻辑电路中先分别经过逻辑非门后,再接入逻辑与门得到第一PWM控制信号;
将前述第一、第二逻辑信号分别输入逻辑电路,在逻辑电路中经过逻辑与门,得到第二PWM控制信号;
步骤2-10,分别将上一步骤得到的第一、第二PWM控制信号输入驱动电路得到第一、第二功率开关管的驱动信号,控制直流有源电力滤波器。
本发明采用上述技术方案具有如下有益效果:
1、相对于传统无源滤波器,能够更好的滤除非线性负载引入的谐波,特别是二次低频谐波;
2、相对于传统无源滤波器,能够抑制电网电压畸变等因素造成的电网电流纹波问题,提高滤波器谐波补偿特性;
3、提高负载的等效输入阻抗,增强分布式电网总线的稳定裕度;
4、功率密度比高,能广泛用于高压直流电网的谐波治理。
附图说明:
图1是本发明的基于双向斩波器的直流有源电力滤波器主电路及其控制策略的结构示意图。
图2(a)、(b)、(c)、(d)是本发明的基于双向斩波器的直流有源电力滤波器工作原理图。
图3是本发明应用于270V高压直流航空电网的负载电流、补偿电流和电网电流仿真波形。
图4是本发明应用于270V高压直流航空电网的负载电流、补偿电流和电网电流实验波形。
图5是本发明应用于270V高压直流航空电网前后电网电流的频谱仿真分析图。
图6是本发明应用于270V高压直流航空电网,电压出现畸变时的负载电流、补偿电流和电网电流的仿真波形。
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:
附图1是本发明的基于双向斩波器的直流有源电力滤波器主电路及其控制策略的结构示意图。
基于双向斩波器的直流有源电力滤波器主电路为接口电感L,带有反并联二极管D 1 、D 2 的两个功率开关管S 1 、S 2 以及稳压电容C构成的升降压式变换器。电感和有源电力滤波器负直流母线接入直流电网正负母线,同时有源电力滤波器的正负直流母线跨接稳压电容C。
检测非线性负载电流信号                                               
Figure DEST_PATH_IMAGE002
,直流有源电力滤波器的补偿电流信号
Figure DEST_PATH_IMAGE004
,直流有源电力滤波器的直流母线电压信号
Figure DEST_PATH_IMAGE006
;将负载电流信号
Figure 825482DEST_PATH_IMAGE002
经过低通滤波器,获得其直流分量;计算负载电流信号
Figure 659446DEST_PATH_IMAGE002
与其直流分量的差值
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,即为负载电流信号的纹波分量;计算直流有源电力滤波器直流母线电压参考信号
Figure DEST_PATH_IMAGE012
与直流有源电力滤波器直流母线电压信号
Figure 679540DEST_PATH_IMAGE006
的差值
Figure DEST_PATH_IMAGE014
; 将电压差值
Figure 94341DEST_PATH_IMAGE014
用PI控制器进行调节后,加入负载电流差值
Figure 113855DEST_PATH_IMAGE010
,两者之和即为直流有源电力滤波器的补偿电流基准
Figure DEST_PATH_IMAGE016
;计算补偿电流基准与补偿电流信号
Figure 34723DEST_PATH_IMAGE004
的差值
Figure DEST_PATH_IMAGE018
;将补偿电流差值信号
Figure 569610DEST_PATH_IMAGE018
输入电流滞环比较器获得逻辑信号
Figure DEST_PATH_IMAGE020
;将补偿电流基准输入过零比较器获得逻辑信号;将逻辑信号
Figure 732924DEST_PATH_IMAGE020
Figure 19548DEST_PATH_IMAGE022
均输入逻辑电路,过程为
Figure 81045DEST_PATH_IMAGE020
Figure 427713DEST_PATH_IMAGE022
经过逻辑“与”门得到PWM控制信号
Figure DEST_PATH_IMAGE024
Figure 902557DEST_PATH_IMAGE020
Figure 995802DEST_PATH_IMAGE022
分别经过逻辑“非”门后接入逻辑“与”门得到PWM控制信号;PWM控制信号
Figure 239702DEST_PATH_IMAGE026
Figure 429375DEST_PATH_IMAGE024
输入驱动电路得到功率管S 1 、S 2 的驱动信号控制直流有源电力滤波器。
以电流正半周为例说明其滞环控制原理:当误差信号大于正环宽时,滞环比较器输出正电平,功率管S 2 导通,电感电流正向上升;当误差信号小于负环宽时,滞环比较器输出负电平,二极管D 1 续流,电感电流正向减小。为实现电流的半周期控制,补偿电流基准
Figure 391514DEST_PATH_IMAGE016
经过零比较器判断电路的工作状态:当
Figure 957625DEST_PATH_IMAGE016
>0时,控制功率管S 2 ,封锁功率管S 1 控制信号;反之控制功率管S 1 ,封锁功率管S 2 控制信号。
本发明的基于双向斩波器的直流有源电力滤波器工作原理图如图2(a)、(b)、(c)、(d)所示:
1)、Boost状态:
Figure DEST_PATH_IMAGE028
,控制功率管S 2 ,封锁功率管S 1 控制信号。
当直流有源电力滤波器补偿电流小于补偿电流基准时,S 2 开通,电感两端的电压即为电网电压,补偿电流正向增长。其等效电路如图2(a)所示。则有:
Figure DEST_PATH_IMAGE030
当直流有源电力滤波器补偿电流大于补偿电流基准时,S 2 关断,补偿电流经过D 1 续流,电感两端的电压为电网电压和稳压容上的电压差,补偿电流正向减小,其等效电路如图2(b)所示。则有:
2)、Buck状态:
Figure DEST_PATH_IMAGE034
,控制功率管S 1 ,封锁功率管S 2 控制信号。
当直流有源电力滤波器补偿电流大于补偿电流基准时,S 1 开通,电感两端的电压为电网电压和稳压容上的电压差,补偿电流负向增加,其等效电路如图2(c)所示。则有:
Figure 508561DEST_PATH_IMAGE032
当直流有源电力滤波器补偿电流小于补偿电流基准时,S 1 关断,补偿电流经过D 2 续流,电感两端的电压为电网电压,补偿电流负向减小,其等效电路如图2(d)所示。则有:
Figure 869135DEST_PATH_IMAGE030
图3和图4是本发明应用于270V高压直流航空电网的负载电流、补偿电流和电网电流的仿真和实验波形。由仿真波形和实验波形可以判断,直流有源电力滤波器能够很好补偿性能,电网电流基本维持恒定直流。
图5是本发明应用于270V高压直流航空电网前后电网电流的频谱仿真分析图。接入本发明的直流有源电力滤波器之前,负载中除了包括含量最多的直流分量和800Hz的谐波分量外,还包括频率为300Hz,600Hz,900Hz,1200Hz….的谐波分量,这部分谐波主要来自电网电压,接入本发明的补偿装置后电网电流的频谱基本不含任何谐波分量。这说明,本发明不但可以补偿来自负载的谐波,还可以补偿由电网本身带来的谐波。
图6是本发明应用于270V高压直流航空电网,电压出现畸变时的负载电流、补偿电流和电网电流的仿真波形。由仿真波形可知,本发明能够补偿由电网本身带来的谐波。
上述实施例用来解释说明本发明,而不是对本发明进行限制,在本发明的精神和权力要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于双向斩波器的直流有源电力滤波器,其特征在于:包括接口电感、双向斩波器,其中双向斩波器由第一功率开关管、第二功率开关管、稳压电容组成;
所述第一功率开关管、第二功率开关管分别包括一个反并联二极管;
其中接口电感的一端与直流电网第一母线连接,接口电感的另一端分别与第一功率开关管的发射极、第二功率开关管的集电极连接;第一功率开关管的集电极与稳压电容的一端连接,稳压电容的另一端分别与第二功率开关管的发射极、直流电网第二母线连接。
2. 一种基于双向斩波器的直流有源电力滤波器的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤2-1,检测非线性负载电流信号,直流有源电力滤波器的补偿电流信号,直流有源电力滤波器的直流母线电压信号;
步骤2-2,将步骤2-1得到的非线性负载电流信号经过低通滤波器,获得其直流分量;
步骤2-3,计算非线性负载电流信号与其直流分量的差值,获得非线性负载电流信号的纹波分量;
步骤2-4,计算直流有源电力滤波器的直流母线电压参考信号与直流有源电力滤波器的直流母线电压信号的差值;
步骤2-5,将步骤2-4得到的电压差值用PI控制器进行调节,然后加入步骤2-3得到的非线性负载电流信号的纹波分量,获得直流有源电力滤波器的补偿电流基准值;
步骤2-6,计算补偿电流基准值与步骤2-1所述的补偿电流信号的差值;
步骤2-7,将上一步得到的补偿电流差值输入电流滞环比较器获得第一逻辑信号;
步骤2-8,将步骤2-5得到的补偿电流基准值输入过零比较器获得第二逻辑信号;
步骤2-9,将前述第一、第二逻辑信号分别输入逻辑电路,在逻辑电路中先分别经过逻辑非门后,再接入逻辑与门得到第一PWM控制信号;
将前述第一、第二逻辑信号分别输入逻辑电路,在逻辑电路中经过逻辑与门,得到第二PWM控制信号;
步骤2-10,分别将上一步骤得到的第一、第二PWM控制信号输入驱动电路得到第一、第二功率开关管的驱动信号,控制直流有源电力滤波器。
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