CN103683292A - 一种并联型准比例谐振有源电力滤波器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种并联型准比例谐振有源电力滤波器及控制方法，对电网频率实现更精确的跟踪，解决PI跟踪对交流量无法实现无静差跟踪的问题，以提高有源电力滤波器的滤波性能。本发明的包括以下步骤：1)将获得的电网电压信号通过软件锁相环实时监测电网的频率并得到A相正序电压的相位角；2)实时修改进行准比例谐振控制的谐振角频率，使得准比例谐振的谐振角频率始终与电网频率保持固定的比例关系；3)根据实时修改的谐振角频率以及获得的负载电流信号，进行准比例谐振控制，取出所选择的滤除频率的参考电流；4)将输出的参考电流与有源电力滤波器的实际输出电流的差值进行准比例谐振控制，输出驱动信号，驱动IGBT开通。

Description

一种并联型准比例谐振有源电力滤波器及控制方法

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器技术领域，具体涉及一种并联型准比例谐振有源电力滤波器及控制方法。

背景技术

自20世纪70年代以来，电网中大量非线性负载的电力电子设备不断增加，导致了严重的电网谐波污染。这主要是因为这些负载的非线性、冲击性和不平衡的用电特性造成的。因此，用于谐波抑制的有源电力滤波技术已成为电力电子和电工领域的研究热点之一。有源电力滤波器（APF：Active power filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵销负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

有源电力滤波器从外部入手，采用实时补偿技术来改善电网的供电质量，是一种谐波补偿器。与传统的无源电力滤波器相比，APF的补偿方式更为灵活，可以补偿所有谐波电流，也可以按照指定次谐波进行补偿。目前并联APF的指定次谐波电流补偿的主流控制策略快速FFT、同步旋转坐标系以及移位DFT。但是这三种算法的计算量非常大，需要大量的芯片资源，难以实现多个指定次谐波电流控制。准比例谐振控制器能在指定的谐波电流频率会产生无穷大的开环增益，保证稳态控制无静差，在非指定次谐波电流频率处具有较大的衰减，分频控制时相互之间基本不会产生干扰，无穷大的增益保证了其补偿精度做到非常高，同时无需进行复杂的计算，因此节约了控制芯片的资源。而传统的电流跟踪策略为滞环跟踪、PI跟踪，滞环跟踪会产生较宽的谐波频谱，APF输出滤波器不好设计；PI是用于直流量的无静差跟踪，对于APF来说，跟踪的是交流量，PI无法实现无静差跟踪。因此需要一种能够通过对交流量的跟踪实现无静差的准比例谐振控制方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种并联型准比例谐振有源电力滤波器及控制方法，对电网频率实现更精确的跟踪，解决PI跟踪对交流量无法实现无静差跟踪的问题，以提高有源电力滤波器的滤波性能。

本发明技术方案：

一种并联型准比例谐振有源电力滤波器，其特征在于，包括准比例谐振控制模块，所述准比例谐振控制模块包括依次连接的模拟信号调理电路、FGPA芯片、DSP芯片以及与FGPA芯片连接的IGBT驱动模块，所述模拟信号调理电路将获得的电网电压信号进行模拟信号调理，将调理后的模拟信号输入给FGPA，经过AD采样将模拟量转换为数字量，送给DSP，所述DSP通过软件锁相环实时监测电网电压的频率，得到A相正序电压的相位角，并根据实时修改的谐振频率参数，对负载电流以及输出的参考电流与所述有源电力滤波器实际输出的电流的差值进行准比例谐振控制，输出驱动信号给FGPA，由FGPA将驱动信号输送给IGBT驱动模块，驱动IGBT开通，以输出用于滤除系统谐波的滤波电流。

一种并联型准比例谐振有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

1)在并联型有源电力滤波器的运行过程中，有源电力滤波器的准比例谐振控制模块将获得的电网电压信号通过软件锁相环实时监测电网的频率并得到A相正序电压的相位角；

2)当电网频率出现波动时，所述准比例谐振控制模块依据软件锁相环所监测到的电网频率的变化，实时修改进行准比例谐振控制的谐振角频率，使得准比例谐振的谐振角频率始终与电网频率保持固定的比例关系；

3)所述准比例谐振控制模块根据实时修改的谐振角频率以及获得的负载电流信号，进行准比例谐振控制，取出所选择的滤除频率的参考电流；

4)所述准比例谐振控制模块跟踪输出的参考电流，并将所述输出的参考电流与所述有源电力滤波器的实际输出电流的差值进行准比例谐振控制，输出驱动信号，驱动IGBT开通，以输出用于滤除系统谐波的滤波电流。

所述步骤1）中，通过软件锁相环实时监测电网的频率并得到A相正序电压的相位角的步骤包括：

1.1.将采集的电网电压Usa、Usb、Usc进行abc_to_αβ的Clarke变换，得到两相平面直角坐标系Usα与Usβ分量；

1.2.将Usα与Usβ经过αβ_to_dq的Park变换，得到旋转坐标系Usd与Usq分量；

1.3.Usq分量经过数字低通滤波后与0做差，然后经过PI调节得到A相正序电压的角频率与软件锁相环得到的角频率之间的误差ωcon；

1.4.ωcon与电网的额定角频率ωff之和得到A相正序电压的角频率ω，然后经过积分器1/S之后得到A相正序电压的相位角θ；

1.5.将A相正序电压相位角θ的正弦sinθ与余弦cosθ送入αβ_to_dq进行Park变换，形成闭环控制。

所述步骤2）中，所述实时修改进行准比例谐振控制的谐振角频率，是将软件锁相环得到的A相正序电压的角频率ω进行修改，修改为nω，n是整数，代表第n次谐波。

所述步骤3）中，进行准比例谐振控制的步骤包括：

3.1.将得到的n次谐波的角频率nω替代准比例谐振控制中的参数ω0；

3.2将获得的负载电流信号La、Lb、Lc与2*Kr*ωc做乘后经过第一积分器1/S，得到n次谐波的波形Ys，即为参考电流，其中，Kr为积分系数，ωc为截止角频率；

3.3输出的参考电流与2*ωc做乘后作为第一积分器1/S的一个反馈信号；输出的参考电流与ω0做乘后经过第二积分器1/S’后作为第一积分器1/S的另一个反馈信号；所述La、Lb、Lc与2*Kr*ωc做乘后的信号与上述两个反馈信号做差后再输入给第一积分器1/S，形成闭环控制。

所述步骤4）中，将所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值进行准比例谐振控制的步骤包括：

4.1.所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值与2*Kr*ωc做乘后经过第一积分器1/S，得到n次谐波的波形Ys，即为驱动IGBT开通的驱动信号，其中，Kr为积分系数，ωc为截止角频率；

4.2.输出的驱动信号与2*ωc做乘后作为第一积分器1/S的一个反馈信号；输出的参考电流与ω0做乘后经过第二积分器1/S’后作为第一积分器1/S的另一个反馈信号；所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值与2*Kr*ωc做乘后的信号与上述两个反馈信号做差后再输入给第一积分器1/S，形成闭环控制。

本发明技术效果：

本发明提出的一种并联型准比例谐振有源电力滤波器及控制方法，针对传统的单次谐波分离算法所存在的运算复杂、运算量大问题以及PI算法对于交流量无法达到无静差跟踪的问题，提出一种通过软件实现的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法，所述准比例谐振控制方法通过软件锁相环实时监控电网电压频率，当电网电压频率出现波动时，实时修正DSP程序中有关控制器的角频率的值，使其与电网频率的波动相对应，谐振频率始终保持为电网实际频率的整数倍，因此控制系统始终能够保持最大增益输出；同时，软件锁相环锁住的是电网A相电压的正序分量相位、频率，保障准比例谐振控制模块的后续跟踪和判定的正确性，保障最佳的控制效果。

附图说明

图1是本发明的有源电力滤波器的准比例谐振控制模块的结构示意图。

图2是本发明的准比例谐振有源电力滤波器的控制方法的流程图。

图3是软件锁相环控制流程图。

图4是准比例谐振控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明

图1是本发明的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制模块的结构示意图。如图1所示，一种并联型准比例谐振有源电力滤波器，包括准比例谐振控制模块，准比例谐振控制模块包括依次连接的模拟信号调理电路、FGPA芯片、DSP芯片以及与FGPA芯片连接的IGBT驱动模块，模拟信号调理电路将获得的电网电压信号进行模拟信号调理，将调理后的模拟信号输入给FGPA，经过AD采样将模拟量转换为数字量，送给DSP，DSP通过软件锁相环实时监测电网电压的频率，得到A相正序电压的相位角，并根据实时修改的谐振频率参数，对负载电流以及输出的参考电流与所述有源电力滤波器实际输出的电流的差值进行准比例谐振控制，输出驱动信号给FGPA，由FGPA将驱动信号输送给IGBT驱动模块，驱动IGBT开通，以输出用于滤除系统谐波的滤波电流。

图2是本发明所述一种并联型准比例谐振有源电力滤波器的控制方法的流程图。如图2所示，本发明提供的并联型准比例谐振有源电力滤波器的控制方法，通过软件实现准比例谐振控制，采用软件锁相环实时监控电网电压频率，当电网电压频率出现波动时，实时修改有关控制器的角频率的值，使其与电网频率的波动相对应，谐振频率始终保持为电网实际频率的整数倍；所述并联型准比例谐振有源电力滤波器的控制方法包括以下步骤:

1)在并联型有源电力滤波器的运行过程中，有源电力滤波器的准比例谐振控制模块将获得的电网电压信号通过软件锁相环实时监测电网的频率并得到A相正序电压的相位角；

2)当电网频率出现波动时，所述准比例谐振控制模块依据软件锁相环所监测到的电网频率的变化，实时修改进行准比例谐振控制的谐振角频率，使得准比例谐振的谐振角频率始终与电网频率保持固定的比例关系；

3)所述准比例谐振控制模块根据实时修改的谐振角频率以及获得的负载电流信号，进行准比例谐振控制，取出所选择的滤除频率的参考电流；

4)所述准比例谐振控制模块跟踪输出的参考电流，并将所述输出的参考电流与所述有源电力滤波器的实际输出电流的差值进行准比例谐振控制，输出驱动信号，驱动IGBT开通，以输出用于滤除系统谐波的滤波电流。

本发明中提及的DSP（digital singnal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器。本发明提及的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是指绝缘栅双极型晶体管，一种电子开关器件。软件锁相环的优势在于可以锁住电网A相电压的正序分量相位，因为只有锁住A相正序分量，后面的跟踪判断才趋于准确。本发明中参考电流是指从消除电网谐波角度来看希望输出的电流，参考电流可以随着所述负载电流的变化而变化。

其中，步骤1）中，通过软件锁相环实时监测电网的频率并得到A相正序电压的相位角的步骤，如图3所示，是软件锁相环控制流程图。包括：

1.1.将采集的电网电压Usa、Usb、Usc进行abc_to_αβ的Clarke变换，得到两相平面直角坐标系Usα与Usβ分量；

1.2.将Usα与Usβ经过αβ_to_dq的Park变换，得到旋转坐标系Usd与Usq分量；

1.3.Usq分量经过数字低通滤波后与0做差，然后经过PI调节得到A相正序电压的角频率与软件锁相环得到的角频率之间的误差ωcon；

1.4.ωcon与电网的额定角频率ωff之和得到A相正序电压的角频率ω，然后经过积分器1/S之后得到A相正序电压的相位角θ；

1.5.将A相正序电压相位角θ的正弦sinθ与余弦cosθ送入αβ_to_dq进行Park变换，形成闭环控制。

步骤2）中，实时修改进行准比例谐振控制的谐振角频率，是将软件锁相环得到的A相正序电压的角频率ω进行修改，修改为nω，n是整数，代表第n次谐波。

如图4所示，是本发明的准比例谐振控制流程图。

其中，步骤3）中，进行准比例谐振控制的步骤包括：

3.1.将得到的n次谐波的角频率nω替代准比例谐振控制中的参数ω0；

3.2将获得的负载电流信号La、Lb、Lc与2*Kr*ωc做乘后经过第一积分器1/S，得到n次谐波的波形Ys，即为参考电流，其中，Kr为积分系数，ωc为截止角频率；

3.3输出的参考电流与2*ωc做乘后作为第一积分器1/S的一个反馈信号；输出的参考电流与ω0做乘后经过第二积分器1/S’后作为第一积分器1/S的另一个反馈信号；所述La、Lb、Lc与2*Kr*ωc做乘后的信号与上述两个反馈信号做差后再输入给第一积分器1/S，形成闭环控制。

步骤4）中，将所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值进行准比例谐振控制的步骤包括：

4.1.所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值与2*Kr*ωc做乘后经过第一积分器1/S，得到n次谐波的波形Ys，即为驱动IGBT开通的驱动信号，其中，Kr为积分系数，ωc为截止角频率；

4.2.输出的驱动信号与2*ωc做乘后作为第一积分器1/S的一个反馈信号；输出的参考电流与ω0做乘后经过第二积分器1/S’后作为第一积分器1/S的另一个反馈信号；所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值与2*Kr*ωc做乘后的信号与上述两个反馈信号做差后再输入给第一积分器1/S，形成闭环控制。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种并联型准比例谐振有源电力滤波器，其特征在于，包括准比例谐振控制模块，所述准比例谐振控制模块包括依次连接的模拟信号调理电路、FGPA芯片、DSP芯片以及与FGPA芯片连接的IGBT驱动模块，所述模拟信号调理电路将获得的电网电压信号进行模拟信号调理，将调理后的模拟信号输入给FGPA，经过AD采样将模拟量转换为数字量，送给DSP，所述DSP通过软件锁相环实时监测电网电压的频率，得到A相正序电压的相位角，并根据实时修改的谐振频率参数，对负载电流以及输出的参考电流与所述有源电力滤波器实际输出的电流的差值进行准比例谐振控制，输出驱动信号给FGPA，由FGPA将驱动信号输送给IGBT驱动模块，驱动IGBT开通，以输出用于滤除系统谐波的滤波电流。

2.一种并联型准比例谐振有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

1)在并联型有源电力滤波器的运行过程中，有源电力滤波器的准比例谐振控制模块将获得的电网电压信号通过软件锁相环实时监测电网的频率并得到A相正序电压的相位角；

2)当电网频率出现波动时，所述准比例谐振控制模块依据软件锁相环所监测到的电网频率的变化，实时修改进行准比例谐振控制的谐振角频率，使得准比例谐振的谐振角频率始终与电网频率保持固定的比例关系；

3)所述准比例谐振控制模块根据实时修改的谐振角频率以及获得的负载电流信号，进行准比例谐振控制，取出所选择的滤除频率的参考电流；

4)所述准比例谐振控制模块跟踪输出的参考电流，并将所述输出的参考电流与所述有源电力滤波器的实际输出电流的差值进行准比例谐振控制，输出驱动信号，驱动IGBT开通，以输出用于滤除系统谐波的滤波电流。

3.根据权利要求2所述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法，其特征在于，所述步骤1）中，通过软件锁相环实时监测电网的频率并得到A相正序电压的相位角的步骤包括：

1.1.将采集的电网电压Usa、Usb、Usc进行abc_to_αβ的Clarke变换，得到两相平面直角坐标系Usα与Usβ分量；

1.2.将Usα与Usβ经过αβ_to_dq的Park变换，得到旋转坐标系Usd与Usq分量；

1.3.Usq分量经过数字低通滤波后与0做差，然后经过PI调节得到A相正序电压的角频率与软件锁相环得到的角频率之间的误差ωcon；

1.4.ωcon与电网的额定角频率ωff之和得到A相正序电压的角频率ω，然后经过积分器1/S之后得到A相正序电压的相位角θ；

1.5.将A相正序电压相位角θ的正弦sinθ与余弦cosθ送入αβ_to_dq进行Park变换，形成闭环控制。

4.根据权利要求3所述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述实时修改进行准比例谐振控制的谐振角频率，是将软件锁相环得到的A相正序电压的角频率ω进行修改，修改为nω，n是整数，代表第n次谐波。

5.根据权利要求4所述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法，其特征在于，所述步骤3）中，进行准比例谐振控制的步骤包括：

3.1.将得到的n次谐波的角频率nω替代准比例谐振控制中的参数ω0；

3.2将获得的负载电流信号La、Lb、Lc与2*Kr*ωc做乘后经过第一积分器1/S，得到n次谐波的波形Ys，即为参考电流，其中，Kr为积分系数，ωc为截止角频率；

3.3输出的参考电流与2*ωc做乘后作为第一积分器1/S的一个反馈信号；输出的参考电流与ω0做乘后经过第二积分器1/S’后作为第一积分器1/S的另一个反馈信号；所述La、Lb、Lc与2*Kr*ωc做乘后的信号与上述两个反馈信号做差后再输入给第一积分器1/S，形成闭环控制。

6.根据权利要求5所述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法，其特征在于，所述步骤4）中，将所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值进行准比例谐振控制的步骤包括：

4.1.所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值与2*Kr*ωc做乘后经过第一积分器1/S，得到n次谐波的波形Ys，即为驱动IGBT开通的驱动信号，其中，Kr为积分系数，ωc为截止角频率；

4.2.输出的驱动信号与2*ωc做乘后作为第一积分器1/S的一个反馈信号；输出的参考电流与ω0做乘后经过第二积分器1/S’后作为第一积分器1/S的另一个反馈信号；所述参考电流与有源电力滤波器的输出电流的差值与2*Kr*ωc做乘后的信号与上述两个反馈信号做差后再输入给第一积分器1/S，形成闭环控制。

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