CN102723717A - 一种无电流检测的有源滤波器结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无电流检测的有源滤波器结构及其控制方法。通过利用瞬时无功功率理论从公共连接点处电压分离出各次谐波信号，经过PCC处谐波电压闭环控制间接产生谐波指令，而不是从负载电流或电源电流直接提取谐波指令，因此该APF相比于一般的并联型APF节省了三个电流互感器，具有一定的经济性优势，可以应用到负载电流或电源电流不可被检测的工业场合。串联电抗器接入电网使较小的谐波电流就在PCC处产生较大的谐波电压，从而提高谐波信号的检测精度，使该APF具有较好的补偿效果。该APF填补了一般并联型APF不能应用在负载电流或电源电流不能被检测的工业现场的空白，具有一定实用价值和应用前景。

Description

一种无电流检测的有源滤波器结构及其控制方法

技术领域

本发明属于电网电能质量治理研究领域，涉及一种有源滤波器结构及其控制方法，尤其是一种无电流检测的有源滤波器结构及其控制方法。

背景技术

APF是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。由于其优异的动态性能和稳态性能，APF得到了越来越广泛的关注和应用。目前有源电力滤波器主要分为以下四大类：

1）单独使用的并联型和串联型有源电力滤波器。电力电子类谐波源根据其特性分为电压型谐波源和电流型谐波源，并联型滤波器一般适合于电流型谐波源，而串联型滤波器一般适合于电压型谐波源。单独使用的串联型有源电力滤波器与单独使用的并联型有源电力滤波器成对偶关系，这种滤波器对谐波呈现一个较高阻抗，起到隔离谐波的作用。这种滤波器不能进行无功补偿，功能比较单一，保护比较困难，而且一般只适合于电压型谐波源。

2）其他并联型有源电力滤波器，主要包括注入式有源电力滤波器、基于单周控制的有源电力滤波器和基于谐波磁通补偿的有源电力滤波器。注入式有源电力滤波器不能动态补偿无功功率，基于单周控制的有源电力滤波器要求电网电压平衡无畸变，其稳定性对参数选定有严格要求。基于谐波磁通补偿的有源电力滤波器系统的内阻抗在很大程度上会影响滤波特性，并且很难严格满足谐波磁通补偿条件。

3）混合型有源电力滤波器，主要包括并联无源和串联有源电力滤波器相结合的方案、无源和有源电力滤波器串联联接的方案和基于基波磁通补偿的串联有源电力滤波器。无源与有源电力滤波器串联联接的方案中将变压器及逆变器部分移到并联无源部分的下面，形成了一种新的拓扑结构，它跟并联无源和串联有源电力滤波器相结合的方案在原理是等效的，其滤波效果也完全一致。这三种方案的优点是可以采用较小容量的有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合完成大容量的滤波任务。这三种方案的共同缺点是无源支路较多，且无法动态补偿无功功率。

4）统一电能质量控制器(UPQC)。统一电能质量控制器包含两个逆变器，一个串联在系统中，主要起谐波隔离、电压调节以及补偿闪变和不平衡电压的作用；另一个并联在谐波源两端，主要起补偿谐波电流或负序电流和调节两个逆变器的直流母线电压的作用，该系统的缺点是结构和控制非常复杂。

以上四类APF适用到不同的工业现场，互有优缺点，但都需要检测负载电流或者电源电流。然而有些工业现场如油田不具备电流检测的条件，那么以上几种APF就不能对这些工业现场进行谐波治理。

以下给出检索的相关文献

[1]王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版,1998

[2]Gyugyi L，Strycula E．Active AC Power Filter[J]．IEEE Transactionson Industry Applications，1976，Vol.12，529-535

[3]K.M.Smedley,L.Zhou,C.Qiao.Unified constant-frequencyintegration control of active power filters-steady-state anddynamics[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2001,16(3):428-436

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发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种无电流检测的有源滤波器结构及其控制方法，其通过检测公共连接点的电压提取谐波信号，进而输出相应的谐波电流，具有很好的稳态补偿谐波效果和很快的动态响应速度，并且其不需要检测负载电流或者电源电流，省去了三个电流互感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种无电流检测的有源滤波器结构，包括三相串联电抗器、三相LCL接入滤波器和三相IGBT逆变桥；所述的三相串联电抗器串联接入三相电网中，一端与电网相接，另一端与非线性负载NL和三相LCL接入滤波器相连，三者形成公共连接点PCC；所述的三相LCL接入滤波器的其中一端接于电网公共连接点PCC，另一端与三相IGBT逆变桥相连。

上述的三相IGBT逆变桥由三相IGBT桥以及连接于三相IGBT桥直流侧的电容构成，三相IGBT桥与三相LCL接入滤波器相连。

本发明还提出一种上述无电流检测的有源滤波器结构的控制方法，具体包括以下步骤：

1）通过电压传感器检测公共连接点PCC处的电压；

2）对检测的公共连接点PCC处的电压进行瞬时无功变换，得到各次谐波的谐波指令；

3）通过锁相环节运算得到三相电网电压相位信息，将直流侧电压闭环得到的幅值乘上相位信息得到稳压所需要的电流指令；

4）将以上2）和3）得到的谐波指令和电流指令相叠加作为最终的控制指令，控制三相IGBT逆变桥的输出电流。

5.根据权利要求3所述的无电流检测的有源滤波器结构的控制方法，其特征在于，步骤4）中，具体的实现方法是：检测三相IGBT逆变桥输出电流，并将它与相应各相的控制指令做差，差值通过比例积分环节调节后与三角载波比较产生PWM信号，用以驱动各自模块的IGBT开关元件动作。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过检测公共连接点处的电压提取谐波信号而不是检测负载电流或电源电流得到谐波指令，又检测公共连接点出的电压互感器可以由锁相用的同步变压完成，从而省去了三个电流互感器，也使本发明可以应用到负载电流或电源电流不能被检测的工业现场，填补了并联型有源滤波器不能应用到电流不能被检测的工业现场的空白，具有较高的实用价值。此外，通过搭建本发明的仿真模型，对这种控制方案进行了仿真验证，证实了该方案的正确性和可靠性。

附图说明

图1本发明所介绍的基于检测PCC处电压的无电流检测的有源滤波器的主电路拓扑结构示意图；

图2本发明所介绍的基于检测PCC处电压提取n’次谐波指令的计算框图；

图3本发明所介绍系统的控制框图；

图4采用本发明介绍的方案，即图1所示拓扑结构和图3所示控制思路的系统运行仿真波形；其中，（a）为负载电流仿真波形；（b）为经本发明补偿过后的电网电流仿真波形；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明的无电流检测的有源滤波器结构，包括三相串联电抗器、三相LCL接入滤波器和三相IGBT逆变桥。

其中三相串联电抗器串联接入三相电网中，一端与电网相接，另一端与非线性负载NL和三相LCL接入滤波器相连，三者形成公共连接点PCC；所述的三相LCL接入滤波器的其中一端接于电网公共连接点PCC，另一端与三相IGBT逆变桥相连，其参数取决于电压源型PWM变换器的开关频率，其作用是把逆变桥接入电网并滤除逆变器开关次谐波；LCL的谐振频率一般选为开关频率的1/5。

三相IGBT逆变桥由三相IGBT桥以及连接于三相IGBT桥直流侧的电容构成，通过控制使直流侧电压稳定一个定值，其值一般为2倍于公共连接点电压，三相IGBT桥根据驱动信号开通和关断，产生相应的电压，电压与公共连接点电压在LCL接入滤波器上产生相应的补偿电流，达到滤波的目的。三相IGBT桥与三相LCL接入滤波器相连。IGBT的容量由APF的容量决定，直流侧电容的电容值由电网的不平衡度和APF的容量决定的，直流侧电容值越大，直流侧波动越小，补偿效果越好，但出于经济性考虑，要选择一个适中的容值。

本发明电抗器的电感值根据电源内阻抗的大小选取，电源内阻抗较大时可以选取较小的电感值，反之，选择较大的电感值；电抗器的容量根据负载的容量来选择。

本发明的控制方法为：

1)通过电压传感器检测公共连接点处的电压；

2)在控制电路板中对检测的公共连接点处的电压进行瞬时无功变换，得到各次谐波的谐波指令；

3)通过锁相环节运算得到三相电网电压相位信息，将直流侧电压闭环得到的幅值乘上相位信息得到稳压所需要的电流指令；

4)将以上2）和3）得到的谐波指令和电流指令相叠加作为最终的控制指令，控制三相逆变器的输出电流；具体的实现方法是检测三相逆变器输出电流，并将它与相应各相的控制指令做差，差值通过比例积分环节调节后与三角载波比较产生PWM信号，用以驱动各自模块的IGBT开关元件动作。

以下结合具体实施方式和附图对本发明进一步详细说明：

三相电网电压记为U_s；三相网侧电流记为i_s，即：i_sa、i_sb、i_sc；PCC处电压为U_PCC；无电流检测APF输出的三相补偿电流记为i_c，即：i_ca、i_cb、i_cc；三相负载电流记为i_l,即：i_la、i_lb、i_lc；U_rf和U_dc分别为直流侧电压给定和直流侧电压反馈；n和n'为谐波的次数；h代表谐波。

图2为本发明中的基于检测PCC处电压提取n’次谐波指令的计算框图。其中：

$C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& -\frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

$C_{n^{\′}}\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cc}\sin n^{\′}\mathrm{\ωt}& -\cos n^{\′}\mathrm{\ωt}\\ -\cos n^{\′}\mathrm{\ωt}& -\sin n^{\′}\mathrm{\ωt}\end{array}\right],n^{\′}=6k+1,k=\mathrm{1,2},...\\ \left[\begin{array}{cc}\sin n^{\′}\mathrm{\ωt}& \cos n^{\′}\mathrm{\ωt}\\ \cos n^{\′}\mathrm{\ωt}& -\sin n^{\′}\mathrm{\ωt}\end{array}\right],n^{\′}=6k-1,k=\mathrm{1,2},...\end{array}\right.$

通过计算可以得到直流分量为

若想使电网n’次谐波电流为零，那么n’次PCC的谐波电压就应该控制为零，即

和

应该为零。所以把和与给定值零通过PI调节器进行闭环控制，即可产生相应的特定次谐波指令电流i_n′h。

图3是本发明中的系统的控制框图。图中包括谐波电流检测部分，直流侧电压控制部分，电流跟踪控制部分，PWM控制驱动部分。其中第一部分为本发明的重点，其他部分为常规控制方法。现在对各控制部分分别进行说明。

谐波电流检测部分，如图2所示主要通过瞬时无功算法从PCC处电压电压U_PCC检测出各次谐波电流指令，把需要补偿的谐波电流指令相加就得到总的谐波电流指令

直流侧电压控制部分，通过电压闭环产生基波有功电流指令使有功功率流入逆变器来抵消逆变器的损耗，控制直流侧电压恒定。

电流跟踪控制部分，通过电流闭环来控制APF输出电流跟踪指令变化；

PWM控制驱动部分，通过SPWM调制出PWM驱动逆变器的IGBT，使之产生相应的谐波电流。

图4是本发明介绍的APF系统仿真波形，其中，（a）为负载电流仿真波形；（b）为经本发明补偿过后的电网电流仿真波形。由图4（b）可以看出经过本发明介绍的无电流检测的APF补偿后，电源电流呈现基波正弦，这说明本发明具有较好的补偿负载谐波电流效果。

发明的结果：

本发明中给出了一种无电流检测的APF的拓扑结构及其控制方法，并利用MATLAB中的simulink模块对该控制方法进行了仿真验证。从仿真结果可以看到，该方案能够很好的补偿电网中的谐波电流，相比于其他方案，本发明节省了三个电流互感器，可以应用在电流不可被检测的工业现场，具有一定的应用前景。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种无电流检测的有源滤波器结构，其特征在于，包括三相串联电抗器、三相LCL接入滤波器和三相IGBT逆变桥；所述的三相串联电抗器串联接入三相电网中，一端与电网相接，另一端与非线性负载NL和三相LCL接入滤波器相连，三者形成公共连接点PCC；所述的三相LCL接入滤波器的其中一端接于电网公共连接点PCC，另一端与三相IGBT逆变桥相连。

2.根据权利要求1所述的无电流检测的有源滤波器结构，其特征在于，所述的三相IGBT逆变桥由三相IGBT桥以及连接于三相IGBT桥直流侧的电容构成，三相IGBT桥与三相LCL接入滤波器相连。

3.一种权利要求1所述无电流检测的有源滤波器结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）通过电压传感器检测公共连接点PCC处的电压；

2）对检测的公共连接点PCC处的电压进行瞬时无功变换，得到各次谐波的谐波指令；

3）通过锁相环节运算得到三相电网电压相位信息，将直流侧电压闭环得到的幅值乘上相位信息得到稳压所需要的电流指令；

4）将以上2）和3）得到的谐波指令和电流指令相叠加作为最终的控制指令，控制三相IGBT逆变桥的输出电流。

4.根据权利要求3所述的无电流检测的有源滤波器结构的控制方法，其特征在于，步骤4）中，具体的实现方法是：检测三相IGBT逆变桥输出电流，并将它与相应各相的控制指令做差，差值通过比例积分环节调节后与三角载波比较产生PWM信号，用以驱动各自模块的IGBT开关元件动作。

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