CN102025146A - 一种双开关直流有源电力滤波器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双开关直流有源滤波器及其控制方法。该有源直流滤波器的主电路拓扑基于双开关DC/AC变换器，包括相互串联的第一电感、第二电感，相互并联的第一桥臂、第二桥臂、稳压电容；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，保证直流电网电流输出为恒定直流。

Description

一种双开关直流有源电力滤波器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种双开关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高压直流电源系统中低频纹波无源滤波器无法完全滤除，提出一种双开关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：

一种双开关直流有源电力滤波器，包括相互串联的第一电感、第二电感，相互并联的第一桥臂、第二桥臂、稳压电容；其中：

所述第一电感的一端与第二电感的一端连接后与直流电网的第一母线相连接，第一电感的另一端与第二桥臂的中点连接，第二电感的另一端与第一桥臂的中点连接；

所述第一桥臂包括第一功率开关管、第一功率二极管，第二桥臂包括第二功率开关管、第二功率二极管；

其中第一功率开关管的集电极与第一功率二极管的阳极连接，第二功率开关管的发射极与第二功率二极管的阴极连接；第二功率开关管的集电极分别与第一功率二极管的阴极、稳压电容的一端连接；第二功率二极管的阳极分别与第一功率开关管的发射极、稳压电容的另一端以及直流电网的第二母线相连接。

一种双开关直流有源电力滤波器的控制方法，包括以下步骤：

步骤A，检测非线性负载的电流信号、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B，将所述非线性负载的电流信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤C，计算非线性负载的电流信号与步骤B得到的直流分量的差值，得到非线性负载电流信号的纹波分量； 

步骤D，计算直流有源电力滤波器直流母线电压参考信号与直流有源电力滤波器直流母线电压信号的差值；

步骤E，将步骤D获得的电压差值用PI控制器进行调节后，然后加入步骤C获得的非线性负载电流信号的纹波分量，得到直流有源电力滤波器的补偿电流基准值；

步骤F，计算步骤E获得的补偿电流基准值与步骤A所述的补偿电流信号的差值；

步骤G，将步骤F所得到的差值输入电流滞环比较器获得第一逻辑信号；

步骤H，将步骤E获得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I，将步骤G、步骤H获得的两个逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中经过逻辑“与”门得到第一PWM控制信号；

将步骤G、步骤H获得的两个逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑“非”门后，再接入逻辑“与”门得到第二PWM控制信号；

步骤J，分别将步骤I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是本发明的双开关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）是本发明的双开关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是本发明的双开关直流有源电力滤波器主电路及其控制策略的结构示意图。

双开关直流有源电力滤波器主电路由双接口电感L ₁ 、L ₂ ，两个功率开关管S ₁ 、S ₂ 分别与两个功率二极管D ₁ 、D ₂ 串联构成的两个桥臂，以及稳压电容C构成。电感L ₁ 一端接入功率开关管S ₁ 和功率二极管D ₁ 组成桥臂的中点，另一端与电感L ₂ 一端相连；电感L ₂ 一端与电感L ₁ 一端相连，另一端接入功率开关管S ₂ 和功率二极管D ₂ 组成桥臂的中点。有源电力滤波器的正负直流母线跨接稳压电容C。双接口电感L ₁ 、L ₂ 的连接点接入直流电网正母线，有源电力滤波器的负母线接入电网负母线。

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；将负载电流信号经过低通滤波器，获得其直流分量

；计算负载电流信号

与其直流分量

的差值

，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

与直流有源电力滤波器直流母线电压信号

的差值

； 将电压差值

用PI控制器进行调节后，加入负载电流差值

，两者之和即为直流有源电力滤波器的补偿电流基准

；计算补偿电流基准

与补偿电流信号

的差值；将补偿电流差值信号

输入电流滞环比较器获得逻辑信号；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

、

均输入逻辑电路，过程为、经过逻辑“与”门得到PWM控制信号

；

、

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

、

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 ₁ 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，功率管S ₁ 关断，而二极管D ₁ 续流，电感电流正向减小。为实现电流的半周期控制，补偿电流基准经过零比较器判断电路的工作状态：当

>0时，控制功率管S ₁ ，封锁功率管S ₂ 控制信号；反之控制功率管S ₂ ，封锁功率管S ₁ 控制信号。

本发明的双开关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：

，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小于补偿电流基准时，S ₁ 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：

>0

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 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：

<0

2）、Buck状态：，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大于补偿电流基准时，S ₂ 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：

<0

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 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：

>0

图3、图4和图5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波形、电感电流的仿真波形和负载电流、补偿电流和电网电流实验波形。由图4所示的电感电流仿真波形可见变换器的两只电感各工作半个周期。由仿真波形和实验波形可以判断，直流有源电力滤波器具有很好的动态补偿性能，电网电流基本维持恒定直流。

图6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。

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)

1.一种双开关直流有源电力滤波器，其特性在于：包括相互串联的第一电感、第二电感，相互并联的第一桥臂、第二桥臂、稳压电容；其中：

所述第一电感的一端与第二电感的一端连接后与直流电网的第一母线相连接，第一电感的另一端与第二桥臂的中点连接，第二电感的另一端与第一桥臂的中点连接；

所述第一桥臂包括第一功率开关管、第一功率二极管，第二桥臂包括第二功率开关管、第二功率二极管；

其中第一功率开关管的集电极与第一功率二极管的阳极连接，第二功率开关管的发射极与第二功率二极管的阴极连接；第二功率开关管的集电极分别与第一功率二极管的阴极、稳压电容的一端连接；第二功率二极管的阳极分别与第一功率开关管的发射极、稳压电容的另一端、直流电网的第二母线相连接。

2. 一种双开关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A，检测非线性负载的电流信号、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B，将所述非线性负载的电流信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤C，计算非线性负载的电流信号与步骤B得到的直流分量的差值，得到非线性负载电流信号的纹波分量； 

步骤D，计算直流有源电力滤波器直流母线电压参考信号与直流有源电力滤波器直流母线电压信号的差值；

步骤E，将步骤D获得的电压差值用PI控制器进行调节，然后加入步骤C获得的非线性负载电流信号的纹波分量，得到直流有源电力滤波器的补偿电流基准值；

步骤F，计算步骤E获得的补偿电流基准值与步骤A所述的补偿电流信号的差值；

步骤G，将步骤F所得到的差值输入电流滞环比较器获得第一逻辑信号；

步骤H，将步骤E获得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I，将步骤G、步骤H获得的两个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一PWM控制信号；

将步骤G、步骤H获得的两个逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门后，再接入逻辑与门得到第二PWM控制信号；

步骤J，分别将步骤I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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