CN103474995A

CN103474995A - 有源电力滤波器及有源电力滤波器的复合控制电路和方法

Info

Publication number: CN103474995A
Application number: CN2013104377731A
Authority: CN
Inventors: 王海燕; 杨善水; 邵鑫鑫; 刘军; 李大芳
Original assignee: Jiangsu Province Institute Of Quality & Safety Engineering
Current assignee: Jiangsu Province Institute Of Quality & Safety Engineering
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2013-12-25

Abstract

有源电力滤波器及其复合控制方法和电路，进行补偿电流跟踪控制，还进行电压空间矢量调制控制，补偿电流跟踪信号和电压空间矢量调制控制信号分别输入选择模块，由选择模块通过判断补偿电流跟踪电路的输出信号是否发生变化，若发生跳变，则对进行电压空间矢量调制控制输出的参考电压矢量所处的区域进行判断，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，用于控制开关器件的开关状态；若没有发生跳变，则不需要进行操作。该方法结合了滞环电流比较控制电路和电压空间矢量调制电路的优点，改善了补偿电流的跟踪性能，并减少了运算量，避免了无效的开关过程，降低了开关频率，在空间矢量控制中引入了滞环电流控制负反馈，提升了控制系统的稳定性。

Description

有源电力滤波器及有源电力滤波器的复合控制电路和方法

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器的复合控制方法，适用于民用电力系统中。

背景技术

电力电子技术的广泛应用为工业设备提供了高速、高效和节能的控制手段，但同时也给电网注入了不可忽视的无功以及谐波电流。有源电力滤波器是一种高效、稳定、灵活的优化电能质量的重要而且先进的手段，它的应用在提高公用电网质量上占据着重要地位。有源电力滤波器的控制方法决定了有源电力滤波器的性能。有源电力滤波器关键控制技术之一是补偿电流的准确跟踪控制。所谓的跟踪控制是指根据指令电流与实际补偿电流之间的互相关系，得出控制PWM变流器各个器件的开关信号，保证变流器输出电流跟踪指令电流（根据APF补偿目的得出需要进行补偿的谐波电流部分）变化。目前提出的算法有各自的优缺点，其相应的有源滤波器在性能上还有进一步提升的空间。

SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)是基于异步电机磁场理论的控制策略，目前已成为逆变器控制研究的热点，它具有直流电压利用率高、低谐波畸变率、动态响应快和易于数字实现等优点，缺点是数据运算量大。而滞环电流控制方法具有结构简单，动态响应快，对电路参数变化不敏感等优点，不足之处在于：补偿电流的跟随误差不是固定的，即跟随误差不可控制。

发明内容

针对现有的控制算法存在的问题，本发明采用了有源电力滤器的复合控制方法，将两种算法相结合，优势互补，能够更精确地跟踪控制补偿电流，进而达到更好的谐波补偿效果，使其相应的有源滤波器在性能上得到提升。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

有源电力滤波器，包括耦合电感、开关器件、输入电源和非线性负载，输入电源一端接至非线性负载，输入电源另一端接至耦合电感，所述耦合电感输出端接至开关器件的控制端，还包括补偿电流跟踪控制电路、电压空间矢量调制电路和选择模块，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入到所述补偿电流跟踪控制电路的输入端，指令电流信号输入到电压空间矢量调制电路，所述补偿电流跟踪控制电路和电压空间矢量调制电路的输入端接至选择模块，所述选择模块判断补偿电流跟踪控制电路的输出信号是否发生跳变，若发生跳变，则再根据电压空间矢量调制电路输出的参考电压矢量所在的空间矢量区间，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，所述选择模块的输出端接至开关器件的控制端。

有源电力滤波器的复合控制电路，包括补偿电流跟踪控制电路、电压空间矢量调制电路和选择模块，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入到所述补偿电流跟踪控制电路的输入端，指令电流信号输入到电压空间矢量调制电路，所述补偿电流跟踪控制电路和电压空间矢量调制电路的输入端接至选择模块，所述选择模块判断补偿电流跟踪控制电路的输出信号是否发生跳变，若发生跳变，则再根据电压空间矢量调制电路输出的参考电压矢量所在的空间矢量区间，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，所述选择模块的输出端接至开关器件的控制端。

所述补偿电流跟踪控制电路包括滞环比较器，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入滞环比较器，滞环比较器输出端接至选择模块。

所述电压空间矢量调制电路包括相电压转换模块和线电压转换模块，指令电流信号输入至相电压转换模块，相电压转换模块与线电压转换模块相连，线电压转换模块的输出端接至选择模块输入端。

有源电力滤波器的复合控制方法，进行补偿电流跟踪控制，还进行电压空间矢量调制控制，补偿电流跟踪控制电路产生的补偿电流跟踪信号和电压空间矢量调制电路产生的电压空间矢量调制控制信号分别输入选择模块，由选择模块通过判断补偿电流跟踪电路的输出信号是否发生变化，若发生跳变，则对进行电压空间矢量调制控制输出的参考电压矢量所处的区域进行判断，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，用于控制开关器件的开关状态；若没有发生跳变，则不需要进行任何操作。

把电流误差矢量送入滞环比较器，并将滞环比较器的输出信号输入到选择模块中，若电流误差差值大于滞环比较器的环宽则输出高电平；若差值小于滞环比较器的负的环宽，则输出低电平；此时补偿电流跟踪电路的输出信号发生跳变。

将输入的指令电流输入至相电压转换模块，得出变流器端电压参考电压，将端电压参考电压输入到线电压转换模块，得到变流器输出线电压，即参考电压矢量。

本发明的有益效果是，实现了APF的三相桥臂间的关联控制，基于电压空间矢量的滞环电流控制方法是在普通滞环电流控制的基础上引入电压空间矢量，消除相间影响。将这两种控制方法结合起来其优势互补可达到更高的性能。能够更精确地跟踪控制补偿电流，进而达到更好的谐波补偿效果，并减少了运算量，避免了无效的开关过程，降低了开关频率，在空间矢量调制的基础上引入了滞环电流控制负反馈，提升了控制系统的稳定性。使其相应的有源滤波器在性能上得到提升。

附图说明

图１是本发明带有复合控制算法的有源电力滤器主电路原理图；

图２是本发明的有源电力滤器的复合控制方法和电路原理图；

图３是本发明的滞环比较器控制原理图；

图４是本发明电压空间矢量脉宽调制的参考电压矢量区域判断图；

图5是本发明选择模块软件流程图。

具体实施方式

如图2所示，有源电力滤波器的复合控制方法，进行补偿电流跟踪控制，还进行电压空间矢量调制控制，所述的补偿电流跟踪信号和电压空间矢量调制控制信号分别输入选择模块，由选择模块通过判断补偿电流跟踪电路的输出信号是否发生变化，若发生跳变，则对进行电压空间矢量调制控制输出的参考电压矢量所处的区域进行判断，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，用于控制开关器件的开关状态；若没有发生跳变，则不需要进行任何操作。

本发明的进一步改进是，把电流误差矢量（为指令电流与变流器输出电流值之差）送入滞环比较器，并将滞环比较器的输出信号输入到选择模块中，若指令电流值与变流器实际输出电流值的差值大于滞环比较器的环宽则输出高电平，若差值小于滞环比较器的负的环宽，则输出低电平，此时补偿电流跟踪电路的输出信号发生跳变。将输入的指令电流输入至相电压转换模块，得出变流器端电压参考电压，将端电压参考电压输入到线电压转换模块，得到变流器输出线电压，即参考电压矢量。

如图1所示，基于以上控制方法，本发明还提出了有源电力滤波器，包括耦合电感、开关器件、输入电源和非线性负载，输入电源一端接至非线性负载，输入电源另一端接至耦合电感，所述耦合电感输出端接至开关器件的控制端，还包括补偿电流跟踪控制电路、电压空间矢量调制电路和选择模块，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入到所述补偿电流跟踪控制电路的输入端，指令电流信号输入到电压空间矢量调制电路，所述补偿电流跟踪控制电路和电压空间矢量调制电路的输入端接至选择模块，所述选择模块判断补偿电流跟踪控制电路的输出信号是否发生跳变，若发生跳变，则再根据电压空间矢量调制电路输出的参考电压矢量所在的空间矢量区间，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，所述选择模块的输出端接至开关器件的控制端。

如图2所示，基于以上控制方法，本发明还提出了有源电力滤波器的复合控制电路，包括补偿电流跟踪控制电路、电压空间矢量调制电路和选择模块，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入到所述补偿电流跟踪控制电路的输入端，指令电流信号输入到电压空间矢量调制电路，所述补偿电流跟踪控制电路和电压空间矢量调制电路的输入端接至选择模块，所述选择模块判断补偿电流跟踪控制电路的输出信号是否发生跳变，若发生跳变，则再根据电压空间矢量调制电路输出的参考电压矢量所在的空间矢量区间，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，所述选择模块的输出端接至开关器件的控制端。所述补偿电流跟踪控制电路，包括滞环比较器，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入滞环比较器，滞环比较器输出端接至选择模块。所述电压空间矢量调制电路包括相电压转换模块和线电压转换模块，指令电流信号输入至相电压转换模块，相电压转换模块与线电压转换模块相连，线电压转换模块的输出端接至选择模块输入端。

以下分别针对文中的补偿电流跟踪控制电路、电压空间矢量调制电路以及选择模块进行进一步的说明。

1.滞环电流控制电路（即补偿电流跟踪控制电路）

如图3所示，以a相电流为例。图中i_a ^*（相当于图１中的i_ca ^*）为经计算处理后指令电流值，i_a（相当于图１中的i_ca）为变流器a相输出电流值，滞环控制为闭环控制系统，通过将i_a ^*与i_a相减得到的△i_a与（相当于图１中的△i_ca）滞环比较器的环宽H进行比较来控制变流器开关器件的开关状态。当△i_a>H时，滞环电流控制器输出高电平，则VT1导通，VT4关断， U_d接入电路使i_a不断增大，当电流增大到i_a ^*时，滞环电流控制器仍然不会有动作，直到△i_a<-H时，滞环电流控制电路输出跳至低电平，这时VT1关断，VT4导通接地，使得电流i_a不断减小直到△i_a>H，滞环电流控制器输出再次跳至高电平。如此反复，最终使得输出电流i_a跟随指令电流i_a ^*锯齿状波动，并且两者的差值保持在±H之内。该法使检测环节中得到的指令电流i_ca ^*、i_cb ^*、i_cc ^*经滞环电流控制电路处理后，输出信号B_a、B_b、B_c，把输出信号B_a、B_b、B_c送入选择模块，输出信号B_a、B_b、B_c在这里表现为与滞环比较器比较之后的信号（图中Sa，Sb，Sc代表的是这一上下桥臂的开通状态，“0”代表下桥臂开通，上桥臂关断；“1”代表上桥臂开通，下桥臂关断。），即在环宽之外，表征信号有效，环宽之内，表征信号无效，即不会引起变流器开关器件进行相应开关操作。

2.电压空间矢量调制电路

电压空间矢量调制控制是根据参考电压矢量所处的区间来控制，所以首先需要对参考电压矢量U^*进行区域判断。

如图4所示，普通的三相全桥是由六个开关器件构成的三个半桥。这六个开关器件组合起来（同一个桥臂的上、下半桥的开关信号相反）共有8种安全的开关状态。用0代表关断，1代表开通，其中000、111（这里是表示三个上桥臂的开关状态）这两种开关状态在电机驱动中都不会产生有效的电流。因此称其为零矢量。另外6种开关状态分别是六个有效矢量。它们将360度的电压空间分为60度一个扇区，共六个扇区，利用这六个基本有效矢量和两个零量，可以合成360度内的任何矢量。

如图所示，正交的α-β坐标系被2个零矢量和6个基本空间矢量划分了6个扇区，可以看成是由3条对角线划分的6个区域，可以看出这三条对角线分别对应的是线电压U_ab ^*=0、U_bc ^*=0、U_ca ^*=0的情况。根据线电压U_ab ^*、U_bc ^*、U_ca ^*的符号可以判断参考电压U_a ^*、U_b ^*、U_c ^*转换至α-β坐标系内参考电压矢量U^*所处的区域。

判别方法如下：假设给定U_ab ^*>0，U_bc ^*<0，U_ca ^* >0，通过U_ab ^*>0，根据给出来的参考电压矢量区域判断图，可知处于I,V,VI区域，再根据U_bc ^*<0，可判断处于V,VI区域，再根据U_ca ^* >0，可确定电压矢量U^*处于V区域。

电压空间矢量调制电路包括相电压运算模块和线电压运算模块。输入的指令电流i_ca ^*、i_cb ^*、i_cc ^*通过相电压模块计算得出变流器端电压的参考电压U_a ^*、U_b ^*、U_c ^*。端电压参考信号U_a ^*、U_b ^*、U_c ^*通过线电压模块计算得到变流器输出线电压U_ab ^*、U_bc ^*、U_ca ^*，并把此信号送入到选择模块中。

3.选择模块

该选择模块工作原理为：第一步判断滞环电流控制的输出信号B_a、B_b、B_c是否发生变化，若发生跳变，则对电压矢量U^*所处的区域进行判断，选择最靠近电压矢量U^*的基本空间矢量作为输出S。基本空间矢量是指上述提到的正交的α-β坐标系中的6个基本空间矢量，是可以根据U^*所处的区域标示出来，它表征的是此刻上桥臂开关器件应该的开关状态。（用“0”“1”表征此刻上下桥臂的状态。“0”表示下桥臂开通，上桥臂关断，“1”表示上桥臂开通，下桥臂关断。）信号S作为开关状态控制矢量去控制变流器，表征了变流器开关器件应该的开关状态，通过开关来控制变流器，从而保证输出的补偿电流信号准确跟踪指令电流信号。若滞环电流比较器输出信号没有发生跳变，则不需要进行任何操作。选择模块可以通过计算机软件来实现。具体如图5所示。

Claims

1.有源电力滤波器，包括耦合电感、开关器件、输入电源和非线性负载，输入电源一端接至非线性负载，输入电源另一端接至耦合电感，所述耦合电感输出端接至开关器件的控制端，其特征在于：还包括补偿电流跟踪控制电路、电压空间矢量调制电路和选择模块，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入到所述补偿电流跟踪控制电路的输入端，指令电流信号输入到电压空间矢量调制电路，所述补偿电流跟踪控制电路和电压空间矢量调制电路的输入端接至选择模块，所述选择模块判断补偿电流跟踪控制电路的输出信号是否发生跳变，若发生跳变，则再根据电压空间矢量调制电路输出的参考电压矢量所在的空间矢量区间，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，所述选择模块的输出端接至开关器件的控制端。

2.有源电力滤波器的复合控制电路，其特征在于：包括补偿电流跟踪控制电路、电压空间矢量调制电路和选择模块，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入到所述补偿电流跟踪控制电路的输入端，指令电流信号输入到电压空间矢量调制电路，所述补偿电流跟踪控制电路和电压空间矢量调制电路的输入端接至选择模块，所述选择模块判断补偿电流跟踪控制电路的输出信号是否发生跳变，若发生跳变，则再根据电压空间矢量调制电路输出的参考电压矢量所在的空间矢量区间，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，所述选择模块的输出端接至开关器件的控制端。

3.根据权利要求2所述的有源电力滤波器的复合控制电路，其特征在于：所述补偿电流跟踪控制电路包括滞环比较器，指令电流信号与实际输出电流值的差值输入滞环比较器，滞环比较器输出端接至选择模块。

4.根据权利要求2所述的有源电力滤波器的复合控制电路，其特征在于：所述电压空间矢量调制电路包括相电压转换模块和线电压转换模块，指令电流信号输入至相电压转换模块，相电压转换模块与线电压转换模块相连，线电压转换模块的输出端接至选择模块输入端。

5.有源电力滤波器的复合控制方法，进行补偿电流跟踪控制，其特征在于：还进行电压空间矢量调制控制，补偿电流跟踪控制电路产生的补偿电流跟踪信号和电压空间矢量调制电路产生的电压空间矢量调制控制信号分别输入选择模块，由选择模块通过判断补偿电流跟踪电路的输出信号是否发生变化，若发生跳变，则对进行电压空间矢量调制控制输出的参考电压矢量所处的区域进行判断，选择最靠近参考电压矢量的基本空间矢量作为输出，用于控制开关器件的开关状态；若没有发生跳变，则不需要进行任何操作。

6.根据权利要求5所述的有源电力滤波器的复合控制方法，其特征在于：把电流误差矢量送入滞环比较器，并将滞环比较器的输出信号输入到选择模块中，若电流误差差值大于滞环比较器的环宽则输出高电平；若差值小于滞环比较器的负的环宽，则输出低电平；此时补偿电流跟踪电路的输出信号发生跳变。

7.根据权利要求5所述的有源电力滤波器的复合控制方法，其特征在于：将输入的指令电流输入至相电压转换模块，得出变流器端电压参考电压，将端电压参考电压输入到线电压转换模块，得到变流器输出线电压，即参考电压矢量。