CN102110984A

CN102110984A - 一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法

Info

Publication number: CN102110984A
Application number: CN2011100546784A
Authority: CN
Inventors: 乐健; 刘开培
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Talent Sci Co ltd
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2031-03-08
Also published as: CN102110984B

Abstract

本发明涉及一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法，利用空间矢量控制方法作为核心计算得到桥臂输出电压参考值的基本量；利用电流滞环控制方法作为核心计算得到桥臂输出电压参考值的调节量。有源电力滤波器桥臂参考电流与实际输出电流之间的误差较小时，电流滞环控制不起作用，保证在负载谐波含量较小时有源电力滤波器具有较高的控制精度；而误差较大时，计算得到的调节量与基本量相加，保证在负载谐波含量较大时有源电力滤波器具有较快的响应速度。该方法能提高四桥臂有源电力滤波器的自适应能力，使得四桥臂有源电力滤波器能在各种不同的谐波状况下均能对谐波电流和系统中线电流进行良好的补偿。

Description

一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器的技术领域，特别涉及一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法。

背景技术

四桥臂并联有源电力滤波器被广域应用于解决三相四线制电力系统中日益严重的谐波和中线电流过大的问题。随着非线性负荷应用的不断增加，三相四线制电力系统中的谐波和中线电流出现了新的特征：在不同季节、不同月份、不同工作日、甚至在同一工作日的不同时段，谐波特性的变化较大。因此对有源电力滤波器新的要求是在负载谐波含量较大时能对谐波和中线电流进行良好的补偿，即具有快速响应性；在负载谐波含量较小时自身输出的纹波电流较小，即具有高控制精度。综合而言即要求有源电力滤波器具有较高的自适应能力。

影响有源电力滤波器补偿快速性和控制精度的因素主要包括：（1）参考电流的计算。其计算的速度和准确性将分别影响有源电力滤波器的响应速度和控制精度。（2）有源电力滤波器的元件参数和运行参数。主要包括桥臂输出电感值、直流侧电压等。（3）开关控制策略。有源电力滤波器基本的开关控制方法可分为开关频率不固定的方法，如电流滞环控制，和开关频率固定的方法，后者又可分为载波型和空间矢量型两种。在上述影响因素中，参考电流的计算方法和有源电力滤波器的参数一般在运行过程中基本保持不变，因此研究适用的开关控制策略以确保有源电力滤波器具有较高的自适应能力是最可行的方案。

在四桥臂并联有源电力滤波器的开关控制策略中，电流滞环控制能使得桥臂输出电流在一个开关控制周期内具有恒定的变化率，相当于存在一定的过补偿，因此其响应速度快，适用于谐波含量较大的情况。但这种过补偿使得在谐波含量较小时补偿电流中纹波电流也较大，控制精度变差，同时它存在开关频率不固定的缺点。载波控制和空间矢量控制均是通过改变一个开关控制周期内开关管开通和关断时间的比例来控制输出电流，控制精度高，开关频率固定。但由于参考值计算和电流变化时必然存在的滞后，这两种控制方式均存在当谐波含量较大时响应速度不足的问题。

为了解决上述常规开关控制策略无法兼顾高谐波含量时响应速度要求和低谐波含量时控制精度要求的矛盾，一些研究提出了诸如基于预测技术、基于人工智能技术等的解决方法，但均存在实现复杂的缺点而未得到广泛应用。

因此，若能设计一种将电流滞环与空间矢量控制相结合的复合控制策略，充分利用电流滞环控制响应速度快以及空间矢量控制控制精度高的优点，将能保证并联有源电力滤波器在不同谐波状况时均具有良好的补偿性能，提高有源电力滤波器的自适应能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法。该方法使得四桥臂并联有源电力滤波器同时具有控制精度高和响应速度快的优点，能满足各种谐波状况下谐波和中线电流补偿的要求。

本发明的技术方案为一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器的控制方法，所述四桥臂并联有源电力滤波器，包括并联在电力系统和非线性负荷之间的四桥臂有源电力滤波器，四桥臂有源电力滤波器中的桥臂A,B,C,N接入电力系统和非线性负荷之间的节点分别记为a,b,c,n，四桥臂有源电力滤波器中的桥臂A,B,C分别输出电流i _Fa, i _Fb, i _Fc，电流i _Fn流入桥臂N，直流侧电容与桥臂A,B,C,N均并联；非线性负荷的电流信号包括电流i _La, i _Lb, i _Lc, i _Ln，非线性负荷吸收电流i _La, i _Lb, i _Lc，输出电流i _Ln，电流i _La, i _Lb, i _Lc为补偿前的电力系统电流，电流i _Ln为中线电流；电力系统提供电压信号u _Sa, u _Sb, u _Sc，电力系统的电流信号包括电流i _Sa, i _Sb, i _Sc, i _Sn，电力系统提供电流i _Sa, i _Sb, i _Sc ，电流i _Sn沿中线流回电力系统，电流i _Sa, i _Sb, i _Sc为补偿后的电力系统电流，电流i _Sn为中线电流；桥臂A的上下开关管 SW _Ap, SW _An由控制脉冲SAp, SAn分别控制，桥臂B的上下开关管SW _Bp, SW _Bn由控制脉冲SBp, SBn分别控制，桥臂C的上下开关管 SW _Cp, SW _Cn由控制脉冲SCp, SCn分别控制，桥臂N的上下开关管SW _Np, SW _Nn由控制脉冲SNp, SNn分别控制；通过设置控制脉冲SAp, SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, SNn消除谐波，并使得电力系统的中线电流i _Sn减小为0，脉冲设置实现方式包括以下步骤，

某一开关控制周期内补偿前电力系统的畸变电流信号为电流i _La, i _Lb, i _Lc，通过电流i _La, i _Lb, i _Lc得到50Hz正序有功分量i _Laf, i _Lbf, i _Lcf，并作为补偿后电力系统电流的目标信号；将电流i _La, i _Lb, i _Lc减去各自50Hz正序有功分量i _Laf, i _Lbf, i _Lc，得到桥臂A,B,C输出电流的参考电流信号i _Fa,ref, i _Fb,ref, i _Fc,ref；桥臂N输出电流的参考电流信号i _Fn,ref等于非线性负荷的中线电流i _Ln；

根据参考电流信号i _Fa,ref, i _Fb,ref, i _Fc,ref, i _Fn,ref和四桥臂有源电力滤波器的电压电流方程，计算得到桥臂A,B,C中点对桥臂N中点电压的参考电压信号u _AN,ref, u _BN,ref, u _CN,ref，然后计算得到桥臂A,B,C,N中点对直流侧电容中点M的参考电压信号基本量u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1, u _NM,ref1；

将桥臂A,B,C输出电流的参考电流信号i _Fa,ref, i _Fb,ref, i _Fc,ref分别减去桥臂A,B,C实际的电流i _Fa, i _Fb, i _Fc，得到桥臂A,B,C输出电流的误差信号i _Fa,err, i _Fb,err, i _Fc,err；根据误差信号i _Fa,err, i _Fb,err, i _Fc,err计算得到桥臂A,B,C参考电压信号调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2；

将桥臂A,B,C的参考电压信号基本量u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1和参考电压信号调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2分别相加，得到桥臂A,B,C的参考电压信号u _AM,ref, u _BM,ref, u _CM,ref；桥臂N的参考电压信号u _CM,ref等于桥臂N的参考电压信号基本量u _CM,ref1；

根据桥臂A,B,C,N的参考电压信号u _AM,ref, u _BM,ref, u _CM,ref, u _NM,ref计算得到各桥臂上开关管SW _Ap, SW _Bp, SW _Cp, SW _Np在一开关控制周期内的开关状态转换时刻T _A,T _B,T _C,T _N，而同一桥臂下开关管的开关状态与上开关管总是为相反状态，从而得到该开关控制周期内各开关管SW _Ap, SW _An, SW _Bp, SW _Bn, SW _Cp, SW _Cn, SW _Np, SW _Nn的相应控制脉冲SAp, SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, SNn。

本发明的四桥臂并联有源电力滤波器的复合型控制方法同时具有常规电流滞环控制响应速度快和常规空间矢量控制控制精度高的优点，能提高四桥臂并联有源电力滤波器的自适应能力，在各种不同的谐波状况下均具有良好的谐波和中线电流补偿效果。同时计算简单，易于硬件实现。

附图说明

图1 是四桥臂并联有源电力滤波器的系统结构原理图；

图2 是本发明原理图。

图3 是本发明实施例的参考电流计算原理图。

图4是本发明实施例的桥臂N中点对直流电容中点M电压取值范围示意图。

图5是本发明实施例的开关状态转换时刻计算公式中取负号的控制脉冲示意图。

图6是本发明实施例的开关状态转换时刻计算公式中取正号的控制脉冲示意图。

图7是电力系统补偿前的C相电流波形和中线电流波形图。

图8是采用本发明技术方案的电力系统补偿后的C相电流波形和中线电流波形图。

图9是采用常规电流滞环控制方法的电力系统补偿后的C相电流波形和中线电流波形图。

图10是采用常规空间矢量控制方法的电力系统补偿后的C相电流波形和中线电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。

利用四桥臂并联有源电力滤波器进行电力系统谐波和中线电流消除的原理已是成熟公开的技术，结合附图1简要说明如下：非线性负荷吸收的电流i _La, i _Lb, i _Lc（即补偿前的电力系统电流）中包含大量谐波成分，且中线电流i _Ln较大；四桥臂有源电力滤波器并联在电力系统和非线性负荷之间，通过控制其桥臂A,B,C,N上下开关管的开关状态，使得桥臂A,B,C注入的电流i _Fa, i _Fb, i _Fc与电流i _La, i _Lb, i _Lc中除50Hz正序有功分量外的部分相等，而流入其桥臂N的电流i _Fn与电流i _Ln相等。从而使得补偿后电力系统的电流i _Sa, i _Sb, i _Sc为50Hz有功正序分量，而中线电流i _Sn为零，从而达到消除谐波和中线电流的目的。图中，L _f为桥臂A,B,C的输出连接电抗的电感值；L _n为桥臂N的输出连接电抗的电感值；E为直流侧电容的直流电压值，直流侧电容中点标记为M，可分成两个电容值相等的电容，电压也相等，为E/2。

附图2为本发明采用的复合型四桥臂并联有源电力滤波器控制方法的原理框图，包括参考电流计算、参考电压基本量计算、参考电压调节量计算和控制脉冲生成四个部分。参考电流计算部分根据非线性负荷的电流信号i _La, i _Lb, i _Lc, i _Ln和电力系统电压信号u _Sa, u _Sb, u _Sc，计算得到有源电力滤波器四个桥臂输出电流的参考值信号i _Fa,ref, i _Fb,ref, i _Fc,ref, i _Fn,ref；参考电压基本量计算部分根据电压电流方程，利用桥臂输出电流参考值信号i _Fa,ref, i _Fb,ref, i _Fc,ref, i _Fn,ref，桥臂输出电流实际值i _Fa, i _Fb, i _Fc, i _Fn和电力系统电压信号u _Sa, u _Sb, u _Sc，计算得到各桥臂中点对直流侧电容中点电压参考值信号的基本量u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1, u _NM,ref1；参考电压调节量计算部分根据桥臂输出电流参考值信号i _Fa,ref, i _Fb,ref, i _Fc,ref和桥臂输出电流的实际值信号i _Fa, i _Fb, i _Fc，计算得到各桥臂中点对直流侧电容中点电压参考值的调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2；控制脉冲生成部分根据各桥臂中点对直流侧电容中点电压参考值的基本量u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1, u _NM,ref1和调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2，生成各开关管的控制脉冲SAp, SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, SNn，用于控制各开关管SW _Ap, SW _An, SW _Bp, SW _Bn, SW _Cp, SW _Cn, SW _Np, SW _Nn的开关状态。

下面结合附图和实施例说明上述四个部分的具体技术实现。

一、参考电流计算

通过电流i _La, i _Lb, i _Lc得到50Hz正序有功分量i _Laf, i _Lbf, i _Lcf，可以通过PQ算法或快速傅里叶变换等方法实现。PQ算法因其响应速度快而得到广泛应用，本发明实施例采用该算法来进行计算。附图3为本发明实施例采用的参考电流计算部分的原理框图。其原理和具体实现已是成熟公开的技术，简要说明如下：首先根据系统电压u _Sa, u _Sb, u _Sc通过闭环锁相控制环节得到电压相位信号sinwt和coswt；将非线性负荷电流信号i _La, i _Lb, i _Lc首先进行零序电流分离，并经过3/2坐标变换，将经过3/2变换所得的信号ip,iq分别通过低通滤波器LPF得到其直流分量

,

Figure 2011100546784100002DEST_PATH_IMAGE002

，该直流分量通过2/3坐标变换即可得到非线性负荷电流信号i _La, i _Lb, i _Lc中的50Hz正序有功分量信号i _Laf, i _Lbf, i _Lcf，从非线性负荷的电流信号i _La, i _Lb, i _Lc中减去i _Laf, i _Lbf, i _Lcf，即得到桥臂A,B,C输出电流的参考值信号i _Fa,ref, i _Fb,ref, i _Fc,ref。而桥臂N输出电流的参考值信号为非线性负荷的中线电流i _Ln。上述参考值的计算的目标是通过有源电力滤波器补偿后，电力系统电流i _Sa, i _Sb, i _Sc为非线性负荷电流中的50Hz正序有功分量i _Laf, i _Lbf, i _Lcf，即将50Hz正序有功分量i _Laf, i _Lbf, i _Lcf作为补偿后电力系统电流的目标信号，而中线电流i _Sn为0。

二、参考电压基本量计算

参考电压基本量计算部分的目的是得到各桥臂A,B,C,N中点对直流侧电容中点M的电压参考值的基本量u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1, u _NM,ref1。如图1中，u _AM, u _BM, u _CM, u _NM分别标识各桥臂A,B,C,N中点和直流侧电容中点M之间的电压，u _AN, u _BN, u _CN分别标识各桥臂A,B,C中点和桥臂N中点之间的电压。实施例的参考电压基本量计算实现过程如下：

首先根据四桥臂有源电力滤波器的电压电流方程计算得到桥臂A,B,C中点对桥臂N中点电压的参考值量u _AN,ref, u _BN,ref, u _CN,ref，如公式（1）（2）（3）：

其中L _f为桥臂A,B,C的输出连接电抗的电感值；L _n为桥臂N的输出连接电抗的电感值。

其中桥臂N电流的计算方法为：

则各桥臂A,B,C,N中点对直流侧电容中点M的电压参考值调节量为：

电压u _AN,ref, u _BN,ref, u _CN,ref必须满足的条件是：

E为直流侧电容的直流电压值，且认为其在控制过程中保持不变。

电压u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1, u _NM,ref1必须满足的条件是：

定义：

可得到：

附图4以u _AM,ref1和u _NM,ref1的关系曲线为例说明了u _NM,ref1的取值范围。图中以坐标原点为中心、边长为E的正方形表达u _AM,ref1的取值范围，而u _NM,ref1的取值范围由图中的线段o′o″表示，且其取值方法为：

至此，总结各桥臂A,B,C,D中点对直流侧电容中点M的参考电压基本量的计算步骤为：

（a）根据公式（1）~（3）计算得到u _AN,ref, u _BN,ref, u _CN,ref；

（b）根据公式（9）~（11）计算得到u _min, u _mid, u _max；

（c）根据公式（13）计算得到u _NM,ref1；

（d）根据公式（4）~（6）计算得到u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1。如图4所示，

、

Figure 2011100546784100002DEST_PATH_IMAGE018

、

。

三、参考电压调节量计算

参考电压调节量计算部分的目的是根据各桥臂输出电流参考值与实际值之间的误差计算得到各桥臂中点A,B,C对直流侧电容中点M的参考电压的调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2。实施例的实现过程如下：

桥臂A,B,C输出电流的误差i _Fa,err, i _Fb,err, i _Fc,err为：

参考电压调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2的计算可采用PI控制技术或根据电流误差信号大小进行分级的技术。PI控制技术已非常成熟，被广泛应用于自动控制领域PI控制，本发明实施例采用了PI控制技术，可得到参考电压调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2的计算方法为：

以桥臂A为例说明其计算思路如下：当桥臂输出电流误差在设定范围h内，h的取值可视负荷额定容量而定，例如1A。此时参考电压调节量为0，说明参考电压基本量已能较好满足控制精度的要求；当桥臂输出电流误差超出设定范围h时，计算得到的调节量可提高有源电力滤波器的响应速度。公式（17）~（19）中的参数K _p和K _i的计算方法为：

T为开关器件的控制周期。

四、控制脉冲生成

控制脉冲生成部分根据计算得到的各桥臂中点A,B,C,N对直流侧电容中点M的参考电压的基本量u _AM,ref1, u _BM,ref1, u _CM,ref1, u _NM,ref1和调节量u _AM,ref2, u _BM,ref2, u _CM,ref2来产生各开关器件SW _Ap, SW _An, SW _Bp, SW _Bn, SW _Cp, SW _Cn, SW _Np, SW _Nn的控制脉冲SAp, SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, SNn。实施例的实现过程如下：首先计算得到一个控制周期内的各桥臂A,B,C,N中点对直流侧电容中点M的参考电压u _AM,ref, u _BM,ref, u _CM,ref, u _NM,ref：

在一个控制周期内，各开关管的开关状态只变化一次，若以本控制周期起始时刻为0时刻，则桥臂A,B,C,N的上开关管的开关状态变化时刻可由下式计算得到：

T为开关器件的控制周期。结合附图5和附图6说明公式（25）~（28）中符号的选取方法。附图5中，上一控制周期末各桥臂上开关管的控制状态为0，即为关断，则公式（25）~（28）中均取负号；附图6中，上一控制周期末各桥臂上开关管的控制状态为1，即为开通，则公式（25）~（28）中均取正号。各桥臂下开关管的控制状态与该桥臂上开关管的控制状态总是为相反状态。如此即可得到本开关控制周期内各开关管的控制脉冲。

附图7为补偿前的电力系统C相电流和中线电流波形。附图8为采用本发明复合型控制方法的四桥臂并联有源电力滤波器投入后的电力系统C相电流和中线电流波形。附图9为采用传统电流滞环控制方法的四桥臂并联有源电力滤波器投入后的电力系统C相电流和中线电流波形。附图10为采用传统空间矢量控制方法的四桥臂并联有源电力滤波器投入后的电力系统C相电流和中线电流波形。图中横坐标为时间t（单位为毫秒ms），纵坐标为电流i（单位为安A）。

从附图7~10中的C相电流波形可看到，补偿前电力系统C相电流存在较大畸变，谐波总畸变率达到42.05%；而采用常规空间矢量控制方法、常规电流滞环控制方法和本发明提出的复合型控制方法补偿时，补偿后电力系统C相电流总畸变率分别为10.92%，8.35%和4.04%。说明采用复合型控制方法时，四桥臂并联有源电力滤波器相对常规空间矢量控制方法具有更快的响应速度，相对常规电流滞环控制具有更高的控制精度。

从附图7~10中的中线电流波形可看到，补偿前电力系统中线电流较大，达到15.08A；而采用常规空间矢量控制方法、常规电流滞环控制方法和本发明提出的复合型控制方法补偿时，补偿后电力系统中线电流分别为5.04%，3.38%和2.14%。同样说明采用复合型控制方法时，四桥臂并联有源电力滤波器相对常规空间矢量控制方法具有更快的响应速度，相对常规电流滞环控制具有更高的控制精度。

因此，本发明所提出的复合型四桥臂并联有源电力滤波器的控制方法同时具有响应速度快和控制精度高的优点，有效地提高了四桥臂并联有源电力滤波器的自适应能力。同时计算简单，易于硬件实现，具有很高的实用性和应用价值。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴之内，应由各权利要求限定。

Claims

1.一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法，所述四桥臂并联有源电力滤波器，包括并联在电力系统和非线性负荷之间的四桥臂有源电力滤波器，四桥臂有源电力滤波器中的桥臂A,B,C,N接入电力系统和非线性负荷之间的节点分别记为a,b,c,n，四桥臂有源电力滤波器中的桥臂A,B,C分别输出电流i _Fa, i _Fb, i _Fc，电流i _Fn流入桥臂N，直流侧电容与桥臂A,B,C,N均并联；非线性负荷的电流信号包括电流i _La, i _Lb, i _Lc, i _Ln，非线性负荷吸收电流i _La, i _Lb, i _Lc，输出电流i _Ln，电流i _La, i _Lb, i _Lc为补偿前的电力系统电流，电流i _Ln为中线电流；电力系统提供电压信号u _Sa, u _Sb, u _Sc，电力系统的电流信号包括电流i _Sa, i _Sb, i _Sc, i _Sn，电力系统提供电流i _Sa, i _Sb, i _Sc ，电流i _Sn沿中线流回电力系统，电流i _Sa, i _Sb, i _Sc为补偿后的电力系统电流，电流i _Sn为中线电流；桥臂A的上下开关管 SW _Ap, SW _An由控制脉冲SAp, SAn分别控制，桥臂B的上下开关管SW _Bp, SW _Bn由控制脉冲SBp, SBn分别控制，桥臂C的上下开关管 SW _Cp, SW _Cn由控制脉冲SCp, SCn分别控制，桥臂N的上下开关管SW _Np, SW _Nn由控制脉冲SNp, SNn分别控制；其特征在于：通过设置控制脉冲SAp, SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, SNn消除谐波，并使得电力系统的中线电流i _Sn减小为0，脉冲设置实现方式包括以下步骤，