CN102025157A - 有源电力滤波器的指令电流提取方法及补偿电流生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有源电力滤波器的指令电流提取方法和补偿电流生成方法，通过利用数字锁相环方法来提取指令电流，并使用滞环电流控制方法来生成补偿电流，一方面提高了有源电力滤波装置的实时性，另一方面加强了有源电力滤波装置抑制环内扰动的能力，大大的提高了系统性能。

Description

有源电力滤波器的指令电流提取方法及补偿电流生成方法

技术领域

本发明涉及电力滤波领域，具体地，涉及一种用于有源电力滤波器的指令电流提取方法及补偿电流生成方法。

背景技术

随着现代工业的高速发展，大功率电力电子装置、电弧炉等非线性负载得到了广泛应用，同时也给电网带来了越来越严重的无功问题和谐波污染，使电网电压和电流波形发生畸变，电能质量下降并威胁电网的安全。目前谐波已成为电网的一大公害。

存在多种用于对电网谐波进行抑制的方法。无源滤波技术是谐波补偿的传统方法，即在谐波源附近加装若干单调谐及高通滤波支路以旁路谐波电流。无源电力滤波器(PPF)一般是由电容器、电抗器(常用空心的)和电阻器适当组合而成，起滤波作用还兼顾无功补偿的需要。该方法虽然具有结构简单、设备投资少、维护方便、运行费用较低等优点，但由于结构和原理上的原因，PPF存在一些难以克服的缺点。最大不足是其补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，使滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

随着有源滤波器的提出和大功率可关断器件(GTR、GTO、IGBT、IGCT等)的制造技术不断进步，以及对非正弦条件下无功功率理论的深入研究，有源电力滤波器(APF)被更多的在实际中采用。

APF涉及的关键技术是指令电流的提取和补偿电流的产生。指令电流的提取方法有多种，如以快速傅里叶变换为基础的全数字频域滤波方法等等，但这些方法要么延迟较大、实时性差，要么补偿效果不是很好，都或多或少影响滤波器的性能。而现有的补偿电流生成方法中所产生的补偿电流的抑制环内扰动的能力通常不强，也会影响对补偿电流的控制精度。

发明内容

为了克服现有的指令电流提取方法和补偿电流生成方法中存在的缺陷，本发明提供了一种用于有源电力滤波器的指令电流提取方法及补偿电流生成方法。

本发明提供了一种用于有源电力滤波器的指令电流提取方法，该方法包括：从三相电网采集三相电压信号u_a、u_b、u_c和三相电流信号i_a、i_b、i_c；使用数字锁相环方法从u_a、u_b、u_c中的一者中提取正弦信号sinωt和余弦信号cosωt；利用sinωt和cosωt对三相电流信号i_a、i_b、i_c进行帕克变换，得到i_d、i_q、i_o；对i_d、i_q进行数字低通滤波处理，提取出直流分量利用sinωt和cosωt对

0、i_o进行帕克逆变换，得到i_af、i_bf、i_cf；以及用i_a、i_b、i_c分别与i_af、i_bf、i_cf作差，得到指令电流i_ah、i_bh、i_ch。

优选地，按照以下公式进行帕克变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_o\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中 $c=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\end{array}\right].$

优选地，在进行帕克逆变换时，i_o的取值为0。

本发明还提供了一种用于有源电力滤波器的补偿电流生成方法，该方法包括：使用上述指令电流提取方法来提取指令电流；使用滞环电流控制来生成选通信号；通过所述选通信号来产生触发脉冲；根据所述触发脉冲来产生输出电流；对所述输出电流进行滤波处理，生成用于三相电网的补偿电流。

优选地，在使用滞环电流控制来生成选通信号的步骤中包括：基于所述指令电流，获取有源电力滤波装置输出的反馈电流；将指令电流和该反馈电流送入滞环比较器；以及通过所述滞环比较器生成选通信号。

优选地，使用LCL滤波电路来进行滤波处理，其中，该LCL滤波电路包括闭合铁芯、耦合电感L1、耦合电感L2和电容器C，其中所述耦合电感L1和所述耦合电感L2的线圈绕在所述闭合铁芯上，所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端相连接，并且所述电容器C的一端连接在所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端之间的连接线上。

通过上述技术方案，利用数字锁相环方法来提取指令电流，并使用滞环电流控制方法来生成补偿电流，一方面提高了有源电力滤波装置的实时性，另一方面加强了有源电力滤波装置抑制环内扰动的能力，大大的提高了系统性能。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是一种示例性的有源电力滤波装置的结构框图；

图2示出了根据本发明的一种实施方式的指令电流提取方法流程图；

图3示出了根据本发明的一种实施方式的补偿电流产生方法流程图；

图4示出了包括LCL滤波电路的滤波模块与三相电网的连接示意图；以及

图5示出了示例性的LCL滤波电路结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1中示出了一种示例性有源电力滤波装置的结构框图。

如图1所示，所述有源电力滤波装置包括依次连接在一起的信号采集模块2、主控模块3、驱动模块4、功率转换模块5和滤波模块6。其中信号采集模块2和滤波模块6分别连接到三相电网1，三相电网1上还具有非线性负载7。

信号采集模块2用于从三相电网1采集信号，并对所采集的信号进行模拟/数字(A/D)转换。所采集的信号是三相电网1的电压信号u_a、u_b、u_c和三相电流信号i_a、i_b、i_c，信号采集模块2对所采集的信号进行调整和A/D转换后将信号送人主控模块3。

主控模块3连接到信号采集模块2，用于从所述信号采集模块2接收经过转换的数字信号，并从该数字信号中提取指令电流。

驱动模块4连接到主控模块3，用于根据所述主控模块3中提取的指令电流来产生触发脉冲。

功率转换模块5连接到驱动模块4，用于根据触发脉冲来产生输出电流。在驱动模块4生成的PWM触发脉冲，送到功率转换模块5，控制三相PWM桥中IGBT的有序通断，生成并输出所需的PWM输出电流。

滤波模块6连接到功率转换模块5和三相电网1，用于根据所述输出电流来生成用于三相电网1的补偿电流。

图2示出了一种用于有源电力滤波装置的指令电流提取方法的流程图，以下结合图1中所示的示例性有源电力滤波装置的结构框图进行说明。

根据上文的描述可知，指令电流是由主控模块3根据从三相电网1中采集的电压信号u_a、u_b、u_c和三相电流信号i_a、i_b、i_c得到的。如图2所示，提取指令电流的流程如下：

在步骤210中，从三相电网采集三相电压信号u_a、u_b、u_c和三相电流信号i_a、i_b、i_c。

信号采集模块2从三相电网1采集信号，并对所采集的信号进行A/D转换，以送往主控模块。

在步骤220中，使用数字锁相环方法从u_a、u_b、u_c中的一者中提取正弦信号sinωt和余弦信号cosωt。

通过数字锁相环方法提取与电网中的一相(比如a相)的电压相同步的正弦信号sinωt和余弦信号cosωt。基于过零比较的数字锁相环方法便于在数字信号处理器下实现且完全不受频率偏差的影响。

在步骤230中，利用sinωt和cosωt对三相电流信号i_a、i_b、i_c进行帕克变换(也称为DQO变换)，得到i_d、i_q、i_o。

具体变换方程为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_o\end{array}\right]=C\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中 $C=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\end{array}\right].$

在步骤240中，对i_d、i_q进行数字低通滤波处理，提取出直流分量

在主控模块3中，采用三阶巴特沃思数字低通滤波器来进行数字低通滤波处理，巴特沃思数字滤波器属于无限冲击响应数字滤波器的一种，被称为最平的幅频响应滤波器，无限冲击响应数字滤波器很容易在数字信号处理器下实现。经过数字低通滤波后的即分别代表基波有功电流分量和基波无功电流分量。

在步骤250中，利用sinωt和cosωt对

0、i_o进行帕克逆变换，得到i_af、i_bf、i_cf，其中当处于三相三线制系统中时，i_o等于0。

具体变换方程为(以三相三线制为例)：

其中C^-1为C的逆矩阵。

在步骤260中，用i_a、i_b、i_c分别与i_af、i_bf、i_cf作差，得到指令电流i_ah、i_bh、i_ch。

图3中示出了一种用于有源电力滤波装置的补偿电流生成方法的流程图，该补偿电流的生成是在按照图2中所示的方法提取了指令电流的基础上进行的。

根据上文的描述可知，在图1中，主控模块3提取得到的指令电流被传递到驱动模块4，以产生触发脉冲，从而最终生成补偿电流。但在图3所示的方法并不是将指令电流直接的输送给驱动模块，而是将指令电流和有源电力滤波装置输出的反馈电流送入滞环比较器，通过滞环电流控制来生成PWM选通信号，生成的PWM选通信号输送给驱动模块4，以便生成触发脉冲。图3中的补偿电流生成方法的具体流程如下：

在步骤310中，根据从三相电网中采集的信号来提取指令电流。

信号采集模块2用于从三相电网1采集信号，主控模块3接收该信号，并基于该信号并按照图2中的方法来提取指令电流。

在步骤320中，使用滞环电流控制来生成选通信号。

通过滞环比较器来实现滞环电流控制。主控模块3基于所述指令电流来获取有源电力滤波装置输出的反馈电流，并将指令电流和该反馈电流送入滞环比较器，生成选通信号(PWM选通信号)，生成的PWM选通信号输送给驱动模块4。

在步骤330中，通过所述选通信号来产生触发脉冲。

驱动模块4接收来自滞环比较器的选通信号，并基于该选通信号生成触发脉冲。滞环比较器的使用加快了动态响应速度，增强了抑制环内扰动的能力，控制精度较高，并且不需要知道负载的参数，还可以通过防止逆变器过流而保护功率开关。

在步骤340中，根据所述触发脉冲来产生输出电流。

在驱动模块4生成的PWM触发脉冲，送到功率转换模块5，控制三相PWM桥中IGBT的有序通断，生成并输出所需的PWM输出电流。

在步骤350中，对所述输出电流进行滤波处理，生成用于所述三相电网的补偿电流。

功率转换模块5的主电路拓扑是一种能量双向流动的三相PWM整流器，其生成的电流中含有许多PWM调制导致的高次谐波，这会对电网产生EMI干扰，必须很好地控制补偿电流中的谐波含有率，因此通过滤波模块6对产生的谐波进行过滤，以生成用于所述三相电网的补偿电流。

在本发明的优选实施方式中，滤波模块6优选地由LCL滤波电路组成(参见图4中的滤波模块6)，这三个滤波电路分别位于用来连接到三相电网的三相的三条支路上，每个滤波电路分别具有耦合电感L_1a和L_2a、L_1b和L_2b、以及L_1c和L_2c，且每个滤波电路中各自的电容器C_a、C_b和C_c的另一端相互连接。

在本发明的一种实施方式中，电容器C_a、C_b和C_c的另一端接地(对应于三相三线)或与三相电网1的零线连接(对应于三相四线)。

对于每一条支路来讲，所采用的滤波电路的结构图如图5所示。

在图5中，滤波电路包括闭合铁芯、耦合电感L1、耦合电感L2和电容器C，其中耦合电感L1和耦合电感L2的线圈绕在闭合铁芯上，耦合电感L1的非同名端与耦合电感L2的同名端相连接，并且电容器C的一端连接在耦合电感L1的非同名端与耦合电感L2的同名端之间。

在图5中，耦合电感L1的线圈匝数为N1，线圈中电流为i1，耦合电感L2的线圈匝数为N2，线圈中电流为i2，它们绕制在同一个闭合铁芯之上，两个线圈绕组的激磁磁势i1·N1和i2·N2在闭合铁芯中产生的磁通互相叠加增强，并且，在闭合铁芯的环路中还可以加开气隙，以改善铁芯电感的线性度，并可防止铁芯饱和。

通过上述技术方案，利用数字锁相环方法来提取指令电流，并使用滞环电流控制方法来生成补偿电流，一方面提高了有源电力滤波装置的实时性，另一方面加强了有源电力滤波装置抑制环内扰动的能力，大大的提高了系统性能。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (6)

1.一种用于有源电力滤波器的指令电流提取方法，该方法包括：

从三相电网采集三相电压信号u_a、u_b、u_c和三相电流信号i_a、i_b、i_c；

使用数字锁相环方法从所述三相电压信号u_a、u_b、u_c中的一者中提取正弦信号sinωt和余弦信号cosωt；

利用所述正弦信号sinωt和余弦信号cosωt对三相电流信号i_a、i_b、i_c进行帕克变换，得到i_d、i_q、i_o；

对i_d、i_q进行数字低通滤波处理，提取出直流分量

利用所述正弦信号sinωt和余弦信号cosωt对

0、i_o进行帕克逆变换，得到i_af、i_bf、i_cf；以及

用所述三相电流信号i_a、i_b、i_c分别与i_af、i_bf、i_cf作差，得到指令电流i_ah、i_bh、i_ch。

2.根据权利要求1所述的方法，其中按照以下公式进行帕克变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\\ i_o\end{array}\right]=c\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中 $c=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\ωt}& \cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& \cos (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ -\sin \mathrm{\ωt}& -\sin (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)& -\sin (\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\π}/3)\\ 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}& 1/\sqrt{2}\end{array}\right].$

3.根据权利要求1所述的方法，其中在进行帕克逆变换时，i_o的取值为0。

4.一种用于有源电力滤波器的补偿电流生成方法，该方法包括：

使用根据权利要求1-3中的任一项权利要求所述的方法来提取指令电流；

基于所述指令电流，使用滞环电流控制来生成选通信号；

通过所述选通信号来产生触发脉冲；

根据所述触发脉冲来产生输出电流；以及

对所述输出电流进行滤波处理，生成用于三相电网的补偿电流。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在使用滞环电流控制来生成选通信号的步骤中包括：

获取有源电力滤波装置输出的反馈电流；

将所述指令电流和该反馈电流送入滞环比较器；以及

通过所述滞环比较器生成选通信号。

6.根据权利要求4所述的方法，其中使用LCL滤波电路来进行所述滤波处理，其中，该LCL滤波电路包括闭合铁芯、耦合电感L1、耦合电感L2和电容器C，其中所述耦合电感L1和所述耦合电感L2的线圈绕在所述闭合铁芯上，所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端相连接，并且所述电容器C的一端连接在所述耦合电感L1的非同名端与所述耦合电感L2的同名端之间的连接线上。

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