CN102856905A - 一种采用负载电压前馈控制的有源电力滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用负载电压前馈控制的有源电力滤波器系统。该系统包括：交流电网、带LC输出滤波器的二极管整流桥负载、有源电力滤波器主电路、控制电路以及电流电压检测电路。该系统采用电网电流直接控制作为有源滤波器主控制策略，利用负载突变时的负载电压扰动对电网电流幅值基准进行前馈补偿，以此来提高系统的动态性能，弥补只采用电网电流直接控制时系统动态性能较差的不足，使系统具有优异的动、静态补偿性能。本发明与传统的有源电力滤波系统相比具有控制简单，成本较低，补偿性能优良等特性。

Description

一种采用负载电压前馈控制的有源电力滤波器
技术领域：
本发明涉及有源电力滤波器的控制方法优化，尤其是采用电网电流直接控制为主控制策略的有源电力滤波器动态性能优化控制方法。 
背景技术：
电力电子技术的飞速发展，不仅促进了电力电子装置的迅速普及，同时也加重了电网的谐波污染，使得电网的安全稳定运行存在威胁。近年来逐渐增多的变频器、开关电源、UPS等装置都是典型的非线性谐波源，其包含了丰富的谐波成分，传统的LC无源滤波器对这类非线性谐波源的补偿效果十分有限。有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)可以有效补偿谐波，在目前和未来都将是提高电网供电质量的先进主流方法之一。 
传统的有源电力滤波器系统需要检测负载电流中的谐波和无功分量作为补偿电流的基准信号，补偿精度在很大程度上依赖于谐波检测算法的快速性和准确性。但是谐波检测算法一般均较为复杂，运算量较大，因此使得系统的成本较高。近年来，不需要谐波检测算法的无谐波检测控制方式得到广泛研究，其中电网电流直接控制策略由于具有控制简单，易于实现，稳态性能出色等特点，而成为一种较有商业前途的控制策略，其系统框图如图1所示。电网电流直接控制利用APF直流侧电压环输出作为电网电流基准幅值信号，其虽然稳态性能优良，硬件成本低，但是电压环较差的动态特性使得电网电流基准的建立速度较慢，从而影响实际电网电流的响应速度，系统的动态性能较差，这成为其大规模商业应用的瓶颈。因此，如何改善采用电网电流直接控制的有源滤波器动态性能对降低有源滤波器成本，提高有源滤波器商业认可度十分重要。 
发明内容
发明目的： 
本发明的目的在于以采用电网电流直接控制的有源滤波系统为对象，针对电网电流直接控制动态性能较差的特点，提出基于负载电压前馈补偿的改进型控制方法。通过对电网电流基准的幅值信号在暂态时的补偿措施，使得该有源滤波系统具有出色的动态性 能，同时继承电网电流直接控制良好的稳态补偿特性。 
技术方案： 
本发明采用基于负载电压前馈补偿的方法提高系统动态性能。系统包括交流电网、带LC输出滤波器的二极管整流桥负载、基于高频开关PWM控制的APF主电路、APF系统控制电路、用于电流检测的电流变送器、用于电压检测的电压变送器，其特征在于系统采用电网电流直接控制作为有源滤波系统的主控制策略，利用负载突变时的负载电压扰动对电网电流幅值基准进行前馈补偿，以此来提高系统的动态性能，其中电网电流的相位基准利用锁相环对电网电压进行锁相获得；电网电流的幅值基准有两部分组成：APF直流侧电压环输出，负载电压前馈补偿输出，两者通过加权值的方式叠加得到电网电流的幅值基准。APF直流侧电压环输出通过将APF直流侧电压基准值和实际值之间的误差送入电压调节器获得；负载电压前馈补偿输出由APF直流侧电压环输出和负载电压扰动量相加获得，负载电压扰动量利用将采样得到的负载侧输出电容上的负载电压与负载电压给定值作比较，误差经过PI调节器以及低通滤波器获得。将电网电流的幅值基准和电网电流的相位基准相乘得到电网电流基准。将电网电流基准和实际电网电流送入电流控制环节，使得实际的电网电流跟踪电网电流基准变化，从而达到APF的补偿目的。 
本发明的控制方法简单有效，相比于只采用电网电流直接控制的有源滤波系统，无需增加过多运算电路，即可获得较高的动态性能，同时保留出色的静态性能。相对于采用谐波检测算法的传统有源滤波系统，动、静态补偿性能基本相同，但控制更为简单，成本得以降低。在设计控制器参数时，负载电压前馈环节中的负载电压参考值、低通滤波器的参数以及加权叠加时的权值对于系统的控制目标有较大影响，因此必须进行精心设计与调试。采用该项技术可以有效降低有源滤波系统的成本，同时保证出色的补偿性能。 
本发明适用于以MOSFET、IGBT等半导体器件为功率开关，采用各种形式PWM控制主电路的有源电力滤波器，用于高性能电网电能质量控制系统。 
附图说明：
图1是只采用电网电流直接控制的有源电力滤波器结构示意图。 
图2是本发明的采用负载电压前馈控制的有源电力滤波器结构示意图。 
图中标号：1-交流电网，2-带LC输出滤波器的二极管不控整流桥非线性负载，3-APF主电路，4-控制电路，5-电网电流变送器，6-电网电压变送器，7-负载电压变送器，8-APF直流侧电压变送器。 
图3是本发明应用于220V/50Hz电网时，与只采用电网电流直接控制的有源滤波系统的效果对比仿真波形，分别为电网电流幅值基准对比和电网电流对比。图中编号a的波形为只采用电网电流直接控制的有源滤波系统的仿真效果，编号b的波形为本发明的仿真效果。 
图4是本发明应用于220V/50Hz电网时，负载电压、负载电压扰动量、APF直流侧电压环输出、负载电压前馈补偿输出以及电网电流幅值基准的仿真波形。 
具体实施方案：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述： 
附图2是本发明的一种采用负载电压前馈控制的有源电力滤波器结构示意图。系统包括交流电网1、带LC输出滤波器的二极管整流桥负载2、基于高频开关PWM控制的APF主电路3、APF系统控制电路4、用于电网电流检测的电流变送器CT5、用于电网电压检测的电压变送器PT16、用于负载电压检测的电压变送器PT27、用于APF直流侧电压检测的电压变送器PT38，系统采用电网电流直接控制作为有源滤波系统的主控制策略，利用负载突变时的负载电压扰动对电网电流幅值基准进行前馈补偿，以此来提高系统的动态性能，其中电网电流的相位基准eS利用锁相环PLL对电网电压uS进行锁相获得；电网电流的幅值基准Im*有两部分组成：APF直流侧电压环输出I1 *，负载电压前馈补偿输出I2 *，两者通过加权值的方式叠加得到电网电流的幅值基准Im *。APF直流侧电压环输出I1 *通过将APF直流侧电压基准值Vref和实际值Vdc之间的误差送入电压调节器获得；负载电压前馈补偿输出I2 *由APF直流侧电压环输出I1 *和负载电压扰动量Δuoc相加获得，负载电压扰动量Δuoc利用将采样得到的负载侧输出电容Co上的负载电压uo与负载电压给定值uoref作比较，误差经过PI调节器以及低通滤波器LPF获得。将电网电流的幅值基准Im *和电网电流的相位基准eS相乘得到电网电流基准iS *。将电网电流基准iS *和实际电网电流iS送入电流控制环节，使得实际的电网电流iS跟踪电网电流基准iS *变化，从而达到APF的补偿目的。 
本发明在电网电流的幅值基准(Im *)的合成环节中对APF直流侧电压环输出(I1 *)和负载电压前馈补偿输出(I2 *)应用了加权的叠加方式，其表达式可表示为： 
Figure BSA00000787086100041
加权处理的作用是： 
1)降低电压环输出成分I1 *在实际的电网电流幅值基准Im *中所占的比重，从而减弱APF直流侧电压环对系统动态性能的影响； 
2)减小由于本方法的使用而产生的稳态误差，使得稳态时电网电流的控制较为精确。 
本发明的控制方法实质上是一种分状态的控制方法。当系统处于稳态时，电网电流基准幅值只由APF直流侧电压环作用，此时系统的控制仍为电网电流直接控制；当系统进入动态情况时，电网电流基准幅值由APF直流侧电压环输出和负载电压前馈补偿量共同作用，这个时候系统的控制是复合控制方式。 
在MATLAB软件环境下，对本发明建立了仿真模型并进行了动、静态情况下的波形分析。附图3为应用于220V/50Hz电网时，本发明与只采用电网电流直接控制的有源滤波系统的效果对比仿真波形，分别为电网电流幅值基准对比和电网电流对比。通过仿真发现本发明的控制方法具有良好的动、静态谐波补偿特性，经过负载电压前馈补偿后，电网电流基准幅值在系统进入动态情况时能快速响应负载的变化，进而使得电网电流在较短的时间内完成了暂态变化过程，时间不足两个周期。附图4为本发明应用于220V/50Hz电网时，负载电压、负载电压扰动量、APF直流侧电压环输出、负载电压前馈补偿输出以及电网电流幅值基准的仿真波形。仿真结果表明：本发明能够较好弥补电网电流直接控制动态性能较差的不足，使系统具有良好的动、静态谐波补偿性能。 
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。 

Claims (1)

1.一种采用负载电压前馈控制的有源电力滤波器，包括交流电网、带LC输出滤波器的二极管整流桥负载、基于高频开关PWM控制的APF主电路、APF系统控制电路、用于电流检测的电流变送器CT、用于电压检测的电压变送器PT，其特征在于系统采用电网电流直接控制作为有源滤波系统的主控制策略，利用负载突变时的负载电压扰动对电网电流幅值基准进行前馈补偿，以此来提高系统的动态性能，其中电网电流的相位基准(eS)利用锁相环PLL对电网电压(uS)进行锁相获得；电网电流的幅值基准(Im*)有两部分组成：APF直流侧电压环输出(I1 *)，负载电压前馈补偿输出(I2 *)，两者通过加权值的方式叠加得到电网电流的幅值基准(Im *)。APF直流侧电压环输出(I1 *)通过将APF直流侧电压基准值(Vref)和实际值(Vdc)之间的误差送入电压调节器获得；负载电压前馈补偿输出(I2 *)由APF直流侧电压环输出(I1 *)和负载电压扰动量(Δuoc)相加获得，负载电压扰动量(Δuoc)利用将采样得到的负载侧输出电容(Co)上的负载电压(uo)与负载电压给定值(uoref)作比较，误差经过PI调节器以及低通滤波器LPF获得。将电网电流的幅值基准(Im *)和电网电流的相位基准(eS)相乘得到电网电流基准(iS *)。将电网电流基准(iS *)和实际电网电流(iS)送入电流控制环节，使得实际的电网电流(iS)跟踪电网电流基准(iS *)变化，从而达到APF的补偿目的。
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