CN102638043A

CN102638043A - 一种apf并联系统及其控制方法

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Publication number: CN102638043A
Application number: CN2012101063719A
Authority: CN
Inventors: 陈国柱; 贺超; 谢川; 闫辉; 胡志乐; 杨华
Original assignee: JUCHE (ZHEJIANG) SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd; Zhejiang University ZJU
Current assignee: JUCHE (ZHEJIANG) SCIENCE-TECHNOLOGY Co Ltd; Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-04-12
Also published as: CN102638043B

Abstract

本发明公开了一种APF并联系统，包括多台连接于电网的APF和一检测控制单元；所有APF的直流支撑电容的高压端均共连，所有APF的直流支撑电容的低压端均共连；本发明并联系统只需一套检测控制设备就能对多台APF进行控制，占用硬件资源少。同时本发明还公开了这种APF并联系统的控制方法，包括：(1)获取电网、负载及并联系统的状态信息；(2)从负载电流中提取电流指令；(3)计算电流误差信号；(4)对电流误差信号进行重复控制及PI调节，得到调制信号；(5)构造PWM信号；本发明方法具有较高的无功补偿精度和谐波抑制能力，并能有效抑制系统环流。

Description

一种APF并联系统及其控制方法

技术领域

本发明属于无功补偿技术领域，具体涉及一种APF并联系统及其控制方法。

背景技术

电能质量问题正引起人们越来越多的关注。相对于传统的无源滤波器及无功补偿装置，有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)能够更好地消除非线性负载产生的谐波、无功及不平衡电流，改善电网电能质量，能够实现动态跟踪补偿负载无功和谐波。

有源电力滤波器的结构如图1所示，其由变流器和滤波器件组成，变流器的电网侧通过滤波器件接入三相电网，直流侧并联有直流支撑电容C_dc；另外，有源电力滤波器还需要一台检测控制设备对其进行控制，检测控制设备根据电网电压u_s、负载电流i_L、补偿电流i_C以及直流母线电压u_dc构造出相应的PWM信号以对变流器中的功率开关器件进行开关控制。

随着对补偿容量需求的不断提高，大容量的有源电力滤波器有着更广泛的应用前景。不同于工频应用的逆变器，有源电力滤波器产生的补偿电流的频率较高，故对滤波器件的要求也很高。大容量有源电力滤波器存在三个问题：(1)随着补偿电流的增大，功率开关器件的开关频率应适当降低以满足散热的需求；这样一方面将增大控制的延时，另一方面更低频率的开关纹波给滤波带来难度，将严重影响APF的性能；(2)大容量的变流器将给功率开关器件散热带来更严峻的考验，同时还会存在更严重的电磁干扰(EMI)问题；(3)过大的补偿电流通过滤波器件时，由于电流频率较高，滤波器件等无源元件将会产生更高的热量，需要考虑散热问题。

基于以上三点考虑，在一些大功率应用场合，常采用多台APF并联来实现。Wanjun Lei等人在标题为Development of 100kVA active filter with digitalcontrolled multiple parallel power converters(Power Electronics SpecialistsConference，PESC 04.2004IEEE 35th Annual.2004.p.1121-1126Vol.2.)的文章中提出了一种APF的并联技术，其通过检测每一台APF的输出补偿用于控制，并运用载波移相技术实现多台并联；但其缺点是需要多套检测控制设备，占用硬件资源过多，同时载波移相技术会加剧环流，且需要更多的控制资源，使其需要双DSP来满足正常工作，给系统设计带来困难。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种APF并联系统及其控制方法，只需一套检测控制设备就能对多台APF进行控制，能够保证APF的无功补偿精度和谐波抑制能力，且能有效抑制系统环流。

一种APF并联系统，包括多台连接于电网的APF和一检测控制单元；

所述的APF用于向电网注入补偿电流；

所述的检测控制单元用于采集电网电压、负载电流以及任一台APF的直流母线电压和补偿电流，并根据这些信号构造出PWM(脉冲宽度调制)信号以对每台APF中的变流器进行控制；

所有APF的直流支撑电容的高压端均共连，所有APF的直流支撑电容的低压端均共连。

优选地，所述的APF中的变流器为三相半桥结构，每个桥臂由多个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)并联构成；能够有效抑制系统环流。

所述的负载电流为连接于电网的负载的输入电流，所述的直流母线电压为APF直流侧的输入电压(即直流支撑电容两端的电压)。

所述的APF并联系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)采集电网电压、负载电流以及任一台APF的直流母线电压和补偿电流；

(2)提取电网电压的相位，根据所述的相位对负载电流进行指令提取，得到有功轴电流指令和无功轴电流指令；

根据相位对所述的补偿电流进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到有功轴补偿电流分量、无功轴补偿电流分量和零轴补偿电流分量；

(3)对所述的直流母线电压进行调节得到直流侧电压调节量；使有功轴电流指令减去有功轴补偿电流分量和直流侧电压调节量得到有功轴电流误差信号，使无功轴电流指令减去无功轴补偿电流分量得到无功轴电流误差信号，对零轴补偿电流分量取反得到零轴电流误差信号；

(4)令有功轴电流误差信号作为输入，对其进行内模更新，得到内模更新电流误差信号；对内模更新电流误差信号进行补偿，得到电流误差修正信号；使所述的有功轴电流误差信号叠加电流误差修正信号，得到修正后的电流误差信号；对修正后的电流误差信号进行PI调节，得到有功轴电压指令信号；

(5)令无功轴电流误差信号和零轴电流误差信号分别作为输入，根据步骤(4)的信号处理方法，得到无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号；将有功轴电压指令信号、无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号进行dq反变换(同步旋转坐标反变换)得到调制信号；

(6)利用PWM调制器使所述的调制信号与给定的三角载波信号进行比较，生成PWM信号，以对每台APF中的变流器进行控制。

优选地，所述的步骤(2)中，对负载电流进行指令提取的过程为：

a.对负载电流进行带通滤波，得到负载电流的各次谐波信号；

b.对各次谐波信号进行叠加得到负载电流的总谐波信号；

c.根据电网电压的相位对负载电流的总谐波信号进行dq变换，得到d轴负载电流谐波分量和q轴负载电流谐波分量；

d.使d轴负载电流谐波分量和q轴负载电流谐波分量均除以N后分别得到有功轴电流指令和无功轴电流指令；N为并联系统中APF的台数；

可以在负载动态切换过程中，避免直流侧电压波动，使装置更加安全可靠。

进一步优选地，通过以下传递函数对负载电流进行带通滤波，得到负载电流的m次谐波信号；

H_{m} (z) = \frac{K_{i} \cdot (z - 1)}{z^{2} + [K_{i} - 2 \cos (2 πm / n)] z - K_{i} + 1}

其中：K_i为积分系数，n为一个基波周期的采样点数，m为谐波次数，z为Z变换算子；

可以做到选择性谐波提取，尤其适用于电网电压频率波动的情况，通过调节采样频率，达到基波周期内固定采样点数的目的，满足重复控制器对基波周期内采样点数固定的要求，进而获得更高的补偿精度。

所述的步骤(3)中，对直流母线电压进行调节的过程为：首先，使一给定的直流侧电压值减去直流母线电压得到直流母线电压误差信号；然后，使所述的直流母线电压误差信号经PI(比例积分)调节得到直流侧电压调节量。

所述的步骤(4)中，根据以下算式对有功轴电流误差信号进行内模更新；

U(i)＝E(i)+QE(i-n)

其中：U(i)为内模更新电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i)为有功轴电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i-n)为有功轴电流误差信号中第i-n采样点的电流误差值，Q为衰减系数，n为一个基波周期的采样点数。

所述的步骤(4)中，根据以下算式对内模更新电流误差信号进行补偿；

Y(i)＝CY(i-1)-DY(i-2)

+AU(i-n+k)+BU(i-n+k-1)+AU(i-n+k-2)

其中：Y(i)为电流误差修正信号中第i采样点的电流误差修正值，U(i-n+k)为内模更新电流误差信号中第i-n+k采样点的电流误差值，A、B、C、D均为二阶低通滤波系数，k为补偿点数。

本发明的APF并联系统能够应用于大功率的无功谐波补偿场合，其只需一套检测控制设备就能对多台APF进行控制，占用硬件资源少；而本发明的控制方法基于重复控制理论，只需检测一台APF的补偿电流就能对系统中的所有APF进行控制，且具有较高的无功补偿精度和谐波抑制能力，并能有效抑制系统环流。

附图说明

图1为APF的结构及其应用示意图。

图2为本发明APF并联系统的结构及其应用示意图。

图3为本发明控制方法的步骤流程示意图。

图4为本发明重复控制以及PI调节的流程示意图。

图5(a)为采用本发明APF并联系统补偿后的电网电流波形图。

图5(b)为采用本发明APF并联系统补偿后的电网电流频谱图。

图6(a)为本发明APF并联系统满功率运行时的环流波形图。

图6(b)为本发明APF并联系统满功率运行时的环流频谱图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明APF并联系统及其控制方法进行详细说明。

如图2所示，一种APF并联系统，包括N台连接于电网的APF和一检测控制单元；

APF用于向电网注入补偿电流；其由变流器和滤波电感组成；变流器的电网侧通过滤波电感接入电网，直流侧并联有直流支撑电容C_dc；所有APF的直流支撑电容的高压端均共连，所有APF的直流支撑电容的低压端均共连，变流器为三相半桥结构，每个桥臂由多个IGBT并联构成。

检测控制单元用于采集电网电压u_s、负载电流i_L以及APF₁的直流母线电压u_dc和补偿电流i_C，并根据这些信号构造出PWM信号以对每台APF中变流器的IGBT进行控制；其由一块DSP(数字信号处理器)和与DSP相连的一些电压电流传感器组成。

如图3所示，本实施例APF并联系统的控制方法，包括如下步骤：

(1)获取电网、负载及并联系统的状态信息。

利用电压电流传感器采集电网电压u_s、负载电流i_L以及APF₁的直流母线电压u_dc和补偿电流i_C。

其中，负载电流i_L为连接于电网的负载的输入电流，直流母线电压u_dc为APF₁直流侧的输入电压(即APF₁的直流支撑电容C_dc两端的电压)。

(2)从负载电流中提取电流指令。

首先，利用锁相环提取电网电压u_s的相位，根据相位对负载电流i_L进行指令提取：

a.通过以下传递函数对负载电流i_L进行带通滤波，得到负载电流i_L的各次谐波信号；

H_{m} (z) = \frac{K_{i} \cdot (z - 1)}{z^{2} + [K_{i} - 2 \cos (2 πm / n)] z - K_{i} + 1}

其中：K_i为积分系数，n为一个基波周期的采样点数，m为谐波次数，z为Z变换算子；本实施方式中，K_i＝0.01，n＝200。

b.对各次谐波信号进行叠加得到负载电流i_L的总谐波信号；

c.根据电网电压u_s的相位对负载电流i_L的总谐波信号进行dq变换，得到d轴负载电流谐波分量和q轴负载电流谐波分量；通常零轴分量通过配电网变压器三角形接线有效抑制，可以不予考虑；

d.使d轴负载电流谐波分量和q轴负载电流谐波分量均除以N后分别得到有功轴电流指令和无功轴电流指令；N为并联系统中APF的台数。

根据电网电压u_s的相位对补偿电流i_C也进行dq变换，得到有功轴补偿电流分量、无功轴补偿电流分量和零轴补偿电流分量；对补偿电流i_C进行dq变换过程中需保留零轴分量以进行后续处理，可有效抑制系统环流。

(3)计算电流误差信号。

首先，对直流母线电压进行调节得到直流侧电压调节量：使一给定的直流侧电压值(700V)减去直流母线电压得到直流母线电压误差信号；使直流母线电压误差信号经PI调节得到直流侧电压调节量；PI调节基于的传递函数如下：

PI (z) = K_{p} (1 + \frac{K_{i} z}{z - 1})

其中：K_p和K_i分别为比例系数和积分系数，本实施方式中，K_p＝3.5021875，K_i＝0.001249219237976。

然后，使有功轴电流指令减去有功轴补偿电流分量和直流侧电压调节量得到有功轴电流误差信号，使无功轴电流指令减去无功轴补偿电流分量得到无功轴电流误差信号，对零轴补偿电流分量取反得到零轴电流误差信号。

(4)对电流误差信号进行重复控制及PI调节，得到调制信号。

如图4所示，令有功轴电流误差信号作为输入，根据以下算式对其进行内模更新，得到内模更新电流误差信号；

U(i)＝E(i)+QE(i-n)

其中：U(i)为内模更新电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i)为有功轴电流误差信号中第i采样点的电流误差值，E(i-n)为电流误差信号中第i-n采样点的电流误差值，Q为衰减系数，n为一个基波周期的采样点数；本实施方式中，Q＝0.9，n＝200。

然后，根据以下算式对内模更新电流误差信号进行补偿，得到电流误差修正信号；

Y(i)＝CY(i-1)-DY(i-2)

+AU(i-n+k)+BU(i-n+k-1)+AU(i-n+k-2)

其中：Y(i)为电流误差修正信号中第i采样点的电流误差修正值，Y(i-1)和Y(i-2)的初始值均为0，U(i-n+k)为内模更新电流误差信号中第i-n+k采样点的电流误差值，A、B、C、D均为二阶低通滤波系数，k为补偿点数；本实施方式中，k＝5，A＝0.2262，B＝0.4523，C＝0.281，D＝0.1856。

使有功轴电流误差信号叠加电流误差修正信号，得到修正后的电流误差信号；对修正后的电流误差信号进行PI调节，得到有功轴电压指令信号；PI调节基于的传递函数如下：

PI (z) = K_{p} (1 + \frac{K_{i} z}{z - 1})

其中：K_p和K_i分别为比例系数和积分系数，本实施方式中，K_p＝0.401，K_i＝0.00498753117207。

同理令无功轴电流误差信号和零轴电流误差信号分别作为输入，得到无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号；将有功轴电压指令信号、无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号进行dq反变换得到调制信号。

(5)构造PWM信号。

利用PWM调制器使调制信号与给定的三角载波信号进行比较，生成PWM信号，使PWM信号延时(延时一拍)后对每台APF中变流器的IGBT进行控制。

为了进一步验证本发明的有益效果，我们对本实施方式的并联系统进行实验测试，APF中变流器的每一桥臂由三片同批次的英飞凌的IGBT半桥模块FF450R12ME4并联而成，其并联时无需采用额外的均流措施，三片IGBT共用一套驱动电路；系统参数如表1所示。

表1

图5(a)为采用本实施方式对负载进行谐波补偿后的电网电流波形图。此时，两台APF各自发出200A谐波电流对电网进行谐波补偿，电网电流的总谐波含有率(THD)为3.8％，远远满足THD小于5％的IEEE.Std标准；图5(b)为电网电流的频谱图，从图中可见各次谐波得到了良好的补偿，故本实施方式具有较高的无功补偿精度和谐波抑制能力。

为了进一步分析两台APF之间的环流，我们对环流进行了测量。通过钳形表进行测量环流有效值在8A以下，在系统总电流的1％以下。图6(a)为在满功率输出补偿电流时两台APF之间环流波形图；图6(b)运用WaveStar软件对此电流波形进行了频谱分析，横轴代表谐波次数，纵轴代表各次电流有效值，可见各次电流均在1.5A以下。从以上波形图及数据可以看出，系统的环流相对很小，故本实施方式能够有效地抑制环流。

Claims

1.一种APF并联系统，其特征在于，包括多台连接于电网的APF和一检测控制单元；

所述的APF用于向电网注入补偿电流；

所述的检测控制单元用于采集电网电压、负载电流以及任一台APF的直流母线电压和补偿电流，并根据这些信号构造出PWM信号以对每台APF中的变流器进行控制；

2.根据权利要求1所述的APF并联系统，其特征在于：所述的APF中的变流器为三相半桥结构，每个桥臂由多个IGBT并联构成。

3.一种如权利要求1所述的APF并联系统的控制方法，包括如下步骤：

根据相位对所述的补偿电流进行dq变换，得到有功轴补偿电流分量、无功轴补偿电流分量和零轴补偿电流分量；

(5)令无功轴电流误差信号和零轴电流误差信号分别作为输入，根据步骤(4)的信号处理方法，得到无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号；将有功轴电压指令信号、无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号进行dq反变换得到调制信号；

4.根据权利要求3所述的APF并联系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，对负载电流进行指令提取的过程为：

b.对各次谐波信号进行叠加得到负载电流的总谐波信号；

5.根据权利要求4所述的APF并联系统的控制方法，其特征在于：通过以下传递函数对负载电流进行带通滤波，得到负载电流的m次谐波信号；

H_{m} (z) = \frac{K_{i} \cdot (z - 1)}{z^{2} + [K_{i} - 2 \cos (2 πm / n)] z - K_{i} + 1}

其中：K_i为积分系数，n为一个基波周期的采样点数，m为谐波次数，z为Z变换算子。

6.根据权利要求3所述的APF并联系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，对直流母线电压进行调节的过程为：首先，使一给定的直流侧电压值减去直流母线电压得到直流母线电压误差信号；然后，使所述的直流母线电压误差信号经PI调节得到直流侧电压调节量。

7.根据权利要求3所述的APF并联系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，根据以下算式对有功轴电流误差信号进行内模更新；

U(i)＝E(i)+QE(i-n)

8.根据权利要求3所述的APF并联系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，根据以下算式对内模更新电流误差信号进行补偿；

Y(i)＝CY(i-1)-DY(i-2)

+AU(i-n+k)+BU(i-n+k-1)+AU(i-n+k-2)