CN102403723A - 一种三电平四桥臂有源滤波器装置 - Google Patents

一种三电平四桥臂有源滤波器装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三电平四桥臂有源滤波器装置，其包括三相电源、电压传感器、负载电流传感器、APF侧电流传感器、直流侧电压传感器、IGBT触发信号、限流电阻、交流接触器，非线性负载、三电平四桥臂逆变器和鲁棒控制器；其母线结构采用四层母排结构；在整个母排下方，等长度平均分布若干个电解电容器；所有电容器按三电平方式连接，其正、负、零极与母排对应，以过孔方式连接。采用H∞鲁棒控制策略，在控制器设计阶段就考虑被控对象的各种不确定因素。本发明增强了系统的稳定性，在工作状况变动、外部干扰以及建模误差等不可避免的情况下，仍保持系统正常运行。

Description

一种三电平四桥臂有源滤波器装置
技术领域
本发明涉及一种三电平四桥臂并联有源滤波器装置，适用于实验和工业应用。
背景技术
并联型有源滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波，其本身表现出电流源的特性。随着公共电网谐波、中线电流危害的日益严重，多电平并联有源滤波器和四桥臂并联有源滤波器，成为目前研究的热点。
多电平结构可以降低主功率器件电压应力，增加并联有源滤波器的补偿容量；四桥臂结构抑制中线电流效果较好。但是三电平四桥臂拓扑结构的控制电压矢量多达上百个，计算复杂，正弦波调制、SVPWM调制、单周控制等常规的调制方法和控制策略均不适用该系统。因此，研究一套适用于该结构的控制策略、开发一套可以工业应用的三电平四桥臂并联有源滤波器装置是很有必要的。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种三电平四桥臂并联有源滤波器装置，推进了该结构的工业应用。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种三电平四桥臂有源滤波器装置，该装置包括三相电源、电压传感器、负载电流传感器、APF侧电流传感器、直流侧电压传感器、IGBT触发信号、限流电阻、交流接触器、非线性负载、三电平四桥臂逆变器和鲁棒控制器，其直流侧母排采用负、正、零、负四层母排结构，所述电压传感器并联于三相电源的输出端上，所述负载电流传感器串联于三相电网上，负载电流传感器的输出端与非线性负载连接；所述交流接触器与所述APF侧电流传感器连接，并且串联在电网与三电平四桥臂逆变器之间的传输线上，所述限流电阻和所述交流接触器组成的串联电路并联在所述交流接触器的两端，所述直流侧电压传感器与所述三电平四桥臂逆变器连接；所述电压传感器、负载电流传感器、APF侧电流传感器和直流侧电压传感器的输出信号经过所述鲁棒控制器产生所述IGBT触发信号，其直流侧母排采用四层母线结构。
作为本发明的进一步改进，一种三电平四桥臂有源滤波器装置，其直流侧母排的最顶层为负极母排，第二层为正极母排，第三层为零极母排，第四层为负极母排，最终构成负、正、零、负四层母排结构；在整个母排下方，等长度平均设置若干个电解电容器。
所述电解电容器按三电平方式连接，其正、负、零极与母排对应。
所述电解电容器通过过孔端子连接。
三电平四桥臂有源滤波器装置的控制方法是，采用H∞鲁棒控制策略，在系统设计阶段考虑被控对象的各种不确定因素，选择                                                
Figure 2011103899097100002DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure 788940DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 816939DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 559373DEST_PATH_IMAGE004
为状态变量（
Figure 749046DEST_PATH_IMAGE001
为输出电流，
Figure 648869DEST_PATH_IMAGE005
，为给定电流，
Figure 578965DEST_PATH_IMAGE003
为有源滤波器输出电压，
Figure 939539DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 388975DEST_PATH_IMAGE008
为待定参数），并建立有源滤波器系统的状态方程，通过选择权函数，以及求解Riccati不等式，得出控制器。
本发明的有益效果是：基于鲁棒控制策略的三电平四桥臂有源滤波器，增强了系统的稳定性，在工作状况变动、外部干扰以及建模误差等不可避免的情况下，仍能保持系统正常运行；采用新型母排结构，减少了母线电感量，消弱了主功率器件的过电压效应，提升了设备稳定性和使用寿命；本发明给出了一种三电平四桥臂并联有源滤波器装置和其实现方法的完整设计，对目前该类装置的几个核心问题给出了解决方案。
 
附图说明
图1为三电平四桥臂有源滤波器的主回路图；
图2为控制策略示意图；
图3为一个桥臂的触发脉冲示意图；
图4为新型无感母线结构俯视图；
图5为新型无感母线结构立体示意图。
图中：1、三相电源，2、电压传感器，3、负载电流传感器，4、APF侧电流传感器，5、直流侧电压传感器，6、IGBT触发信号，7、限流电阻，8、交流接触器，9、交流接触器，10、非线性负载，11、三电平四桥臂逆变器，12、鲁棒控制器，13、进线电感，14、三电平四桥臂空间电压矢量分解算法，15、上桥臂双管IGBT模块，16、构成箝位二极管的IGBT模块，17、下桥臂双管IGBT模块，18、母排，19、电容器，20、负极母排，21、零极母排，22、正极母排，23、负极母排，24、过孔连接端子， 、谐波电流指令，
Figure 649372DEST_PATH_IMAGE010
 、电网相电压，
Figure 508744DEST_PATH_IMAGE011
 、各相电压指令给定，
Figure 117580DEST_PATH_IMAGE012
 、各相实际输出电流， 
Figure 291072DEST_PATH_IMAGE013
 、各相电压指令给定。
 
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1至5示出了本发明一种三电平四桥臂有源滤波器装置的具体实施方式：本三电平四桥臂并联有源滤波器的实现方法由三电平四桥臂逆变器及其测量控制系统组成：
该装置为：包括三相电源1、电压传感器2、负载电流传感器3、APF侧电流传感器4、直流侧电压传感器5、IGBT触发信号6、限流电阻7、交流接触器8和9、非线性负载10、三电平四桥臂逆变器11和鲁棒控制器12，电压传感器2并联于三相电源1的输出端上，负载电流传感器3串联于三相电网上，负载电流传感器3的输出端与非线性负载10连接；交流接触器8与APF侧电流传感器4连接，并且串联在电网与三电平四桥臂逆变器11之间的传输线上，限流电阻7和交流接触器9组成的串联电路并联在交流接触器8的两端，直流侧电压传感器5与三电平四桥臂逆变器11连接；电压传感器2、负载电流传感器3、APF侧电流传感器4和直流侧电压传感器5的输出信号经过鲁棒控制器12产生IGBT触发信号6；
该方法为：直流侧母排设计基于一体化设计，采用四层母线结构，其最顶层为负极母排，第二层为正极母排，第三层为零极目排，第四层为负极母排，最终构成负、正、零、负四层母排结构，如图5中序号20、21、22和23所示；在整个母排18下方，等长度平均设置22个电解电容器19；所有电容器19按三电平方式连接，其正、负、零极与母排对应，通过过孔端子24以过孔方式连接；电网带非线性负载运行时，主电路中产生大量谐波电流，启动有源滤波器后，交流接触器9闭合，通过限流电阻7以三电平四桥臂逆变器11对直流侧电容充电，若四个桥臂对电容充电，则容易引起震荡；充电完毕后，交流接触器8闭合，三电平四桥臂有源滤波器开始补偿谐波；负载电流传感器3和 APF侧电流传感器4的输出信号输入鲁棒控制器12，以计算谐波电流指令与输出误差，电压传感器2采集电网电压信号以确定电网矢量角度，直流侧电压传感器5采集直流侧电压信号以计算补偿环节指令；鲁棒控制器12中的DSP计算出8个独立PWM，再由FPGA扩展出16个触发脉冲，为三电平四桥臂逆变器11中的IGBT提供触发信号。
一种三电平四桥臂有源滤波器H∞鲁棒控制的实现方法，在系统设计阶段考虑被控对象的各种不确定因素，根据该系统的特点，选取合适的状态变量：
Figure 865535DEST_PATH_IMAGE014
Figure 833491DEST_PATH_IMAGE015
为输出电流，，
Figure 641227DEST_PATH_IMAGE017
为给定电流，
Figure 568732DEST_PATH_IMAGE003
为有源滤波器输出电压。
建立系统的状态方程， 
Figure 707589DEST_PATH_IMAGE018
为求解Riccati不等式需要状态方程中如下参数：
Figure 291017DEST_PATH_IMAGE019
,
Figure 540733DEST_PATH_IMAGE020
,,
Figure 898082DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 968806DEST_PATH_IMAGE023
,
Figure 22213DEST_PATH_IMAGE024
, 
Figure 924310DEST_PATH_IMAGE025
选取如下
其中L为进线电感值，n为传感器噪声，E为电源电压。
Figure 697411DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 115360DEST_PATH_IMAGE027
，
Figure 809647DEST_PATH_IMAGE028
，，
Figure 568841DEST_PATH_IMAGE030
，，
Figure 512844DEST_PATH_IMAGE032
为待定参数，根据权函数来选取，权函数如下：
Figure 600885DEST_PATH_IMAGE033
                                                   
Figure 930235DEST_PATH_IMAGE034
                                                             
Figure 129136DEST_PATH_IMAGE035
            
最后通过求解Riccati不等式，得出控制器。
根据控制器得出的参考电压指令，再应用参考电压分解的方法，将复杂的三电平四桥臂开关矢量的选择问题简化为两电平四桥臂的空间矢量控制和三电平四桥臂的一个开关状态选择2个部分进行解决，从而解决了现有的控制策略普遍存在的计算复杂的问题；以A相为例，以一个直流侧电容的电压作为基准值1，则A桥臂中点对N桥臂中点的电压
Figure 532435DEST_PATH_IMAGE036
，即在任一时刻
Figure 791378DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 608024DEST_PATH_IMAGE038
的取值范围为
Figure 345036DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 868421DEST_PATH_IMAGE040
的取值范围为
Figure 298266DEST_PATH_IMAGE041
，
同理可以求得B、C两相的相对电压，相对电压都由整数部分
Figure 838094DEST_PATH_IMAGE042
，小数部分
Figure 378797DEST_PATH_IMAGE043
组成。
剩下的计算分为两个部分：
首先，根据三相相对电压的整数部分，求得第四桥臂（N桥臂）的绝对开关矢量，如下公式:
 
Figure 22268DEST_PATH_IMAGE044
，其中
其次，通过三相相对电压的小数部分，在两电平四桥臂结构中求得ABCN各桥臂上开关管的开通时间。
Figure 148672DEST_PATH_IMAGE046
Figure 227487DEST_PATH_IMAGE047
，其中
每个部分都是通过三个桥臂对第四桥臂的相对开关状态，推导出第四桥臂的绝对开关状态，于是得到所有桥臂的绝对开关状态来进行调制。
硬件实现方式：
三电平四桥臂拓扑结构，一个桥臂需要同时给出4个触发脉冲，则该装置同一时刻需要16个触发脉冲；经过分析，以任一桥臂为例，四个IGBT，a和c的脉冲可由一个触发脉冲A取反后获得，b和d的脉冲可由一个触发脉冲B取反后获得，其中A与B是相互独立的；当（A,B）=(1,1)时，该桥臂输出状态为1（输出电压为+）；当（A,B）=(0,1)时，该桥臂输出状态为0（输出电压为0）；当（A,B）=(0,0)时，该桥臂输出状态为-1（输出电压为-
Figure 392572DEST_PATH_IMAGE050
）；因此控制器只需产生8个独立PWM控制信号，再对偶生成16个PWM输出即可。本发明采用TI公司TMS320F28335芯片和Xilinx公司Spartan3 XC3S200芯片作为控制板的主要芯片，DSP芯片28335具有6个增强型PWM模块，每个模块可以输出2个独立的PWM信号，可以满足装置8个独立控制信号的要求，再经FPGA芯片XC3S200扩展得到16个PWM输出。

Claims (2)

1.一种三电平四桥臂有源滤波器装置，该装置包括三相电源、电压传感器、负载电流传感器、APF侧电流传感器、直流侧电压传感器、IGBT触发信号、限流电阻、交流接触器、非线性负载、三电平四桥臂逆变器和鲁棒控制器，其特征在于：其直流侧母排采用负、正、零、负四层母排结构，所述电压传感器并联于三相电源的输出端上，所述负载电流传感器串联于三相电网上，负载电流传感器的输出端与非线性负载连接；所述交流接触器与所述APF侧电流传感器连接，并且串联在电网与三电平四桥臂逆变器之间的传输线上，所述限流电阻和所述交流接触器组成的串联电路并联在所述交流接触器的两端，所述直流侧电压传感器与所述三电平四桥臂逆变器连接；所述电压传感器、负载电流传感器、APF侧电流传感器和直流侧电压传感器的输出信号经过所述鲁棒控制器产生所述IGBT触发信号。
2.根据权利要求1所述的三电平四桥臂有源滤波器装置，其特征在于：其直流侧母排的最顶层为负极母排，第二层为正极母排，第三层为零极母排，第四层为负极母排，最终构成负、正、零、负四层母排结构；在整个母排下方，等长度平均设置若干个电解电容器。
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