CN103701127B - 一种新型的有源电力滤波装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的有源电力滤波装置及其控制方法，所述装置包括两组共直流母线的三相逆变器，一组三相逆变器通过并网电抗器并联接入电网，等效为一个电流源，另一组三相逆变器通过LC滤波器接入变压器的原边绕组，变压器的副边绕组串联接入负载侧前端，等效为一个电压源。本发明克服了并联型有源电力滤波器在补偿容性负载谐波时会产生的谐波放大问题，同时还能够稳定负载侧输入电压，补偿电网电压的跌落，从而使电能质量得到了全面改善，而且该装置没有特定的使用场合限制，大大拓展了有源电力滤波装置的应用范围。

Description

一种新型的有源电力滤波装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种新型的有源电力滤波装置及其控制方法，属于中、低压电力电子技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的不断发展，电网中的电力电子设备不断增加，对电网造成了严重的干扰。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产生了大量的谐波电流。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（ActivePowerFilter，APF）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，可以补偿频率和大小都不断变化的谐波，也可以选择指定次谐波进行补偿，并且对补偿对象的变化有极快的反应。APF分为串联型和并联型两种，实际应用中后者占大多数。

但是，由于本身的拓扑结构和控制原理所限，并联型有源电力滤波器只适用于补偿感性负载的场合。当负载为容性时，并联型有源电力滤波器会使得负载谐波不断放大，以致最后无法正常运行，并对负载造成损害。目前解决此问题的方法通常是只补偿一部分谐波，以缓解谐波放大的程度，但这并不能从根本上解决问题，而且也无法发挥APF的全部补偿效果。串联型有源电力滤波器补偿感性负载时也会出现类似的现象。

上述问题极大地限制了APF的应用范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服并联型有源电力滤波器补偿容性负载时出现的谐波放大的问题，并且补偿电网电压的波动，扩大有源电力滤波器的适用范围，全面改善电能质量。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种新型的有源电力滤波装置，包括两组共直流母线的三相逆变器，一组三相逆变器通过并网电抗器并联接入电网，等效为一个电流源，另一组三相逆变器通过LC滤波器接入变压器的原边绕组，变压器的副边绕组串联接入电网负载侧前端，等效为一个电压源。

新型的有源电力滤波装置的控制方法，包括对电网电流的控制和对电网电压的控制，其中

对电网电流的控制主要包括如下步骤：

1-1）并联接入电网的逆变器实时采集监测负载侧电流信号，通过准比例谐振控制方式从负载侧电流信号中提取各次谐波信号，根据所提取各次谐波信号，逆变器输出与负载反相的谐波电流，从而对负载所发出的各次谐波电流进行相应的补偿；

1-2）通过瞬时无功功率理论进行坐标变换，将采样所得的负载侧电流I_A、I_B、I_C变换到两相旋转坐标系下的有功电流d轴分量i_d和无功电流q轴分量i_q，提取出负载的无功电流信号i_q，根据所提取的无功电流信号，逆变器输出与负载反相的无功电流，从而对负载所发出的无功电流信号进行相应的补偿；

1-3）逆变器实时采集监测直流母线的电压信号，与直流母线给定信号比较，得到直流母线的电压偏差，经过电压环、电流环双闭环PI控制器得到有功电流给定信号；

1-4）将所述步骤1-3）的有功电流给定信号，所述步骤1-2）的负载的无功电流信号和所述步骤1-1）的各次谐波信号相加，作为逆变器输出电流给定的调制波信号，与载波信号叠加比较，经过SPWM调制，得到逆变器输出脉冲信号，控制逆变器输出电流的大小，从而实现对电网电流的控制。

对电网电压的控制主要包括如下步骤：

2-1）串联接入电网负载侧的逆变器实时监测电网侧电压，通过坐标变换得到电网测电压的有功电压分量；

2-2）电网测电压的有功电压分量与电压有功分量给定相比较，得到电网侧电压偏差值，经过PI控制器调节后作为逆变器输出电压给定信号作为调制波信号，与载波信号叠加比较，经过坐标变换和SPWM调制后得到逆变器的输出脉冲信号，控制逆变器输出电压的大小；

2-3）逆变器输出的电压经过LC滤波器滤波后输入变压器原边绕组，在变压器副边绕组中感应出相应电压，与电网侧电压串联，补偿电网侧电压的偏差和跌落，从而实现对电网电压的控制；同时由于变压器副边绕组是感性负载，与容性负载串联后能抑制容性负载所引起的谐波放大。

前述的控制方法，所述步骤1-1）通过准比例谐振控制方式从负载侧电流信号中提取各次谐波信号具体为：

准比例谐振控制器是一种可提取特定次谐波电流信号，滤除其他信号的控制算法，在复数域内的传递函数如式（1）所示：

$G\left(s\right)=K_p+\frac{2K_i{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_h^2}---\left(1\right)$

其中，G(s)为传递函数，K_p为比例系数，K_i为广义积分系数，ω_h为谐振角频率，ω_c为控制准比例谐振控制器增益带宽大小的系数，s为复变量，

式（1）中，参数ω_c对谐振频率处的增益没有影响，在谐振频率处，准比例谐振控制器的幅值增益为K_p+K_i，根据具体的负载和电网特性调整，保证其稳态误差基本为零，能够稳定跟踪由相ω_h确定的相应次数的谐波电流，装置运行时，通过准比例谐振控制提取各次电流谐波信号。

通过采用上述技术方案，本发明克服了并联型有源电力滤波器在补偿容性负载谐波时会产生的谐波放大问题，同时还能够稳定负载侧输入电压，补偿电网电压的跌落，从而使电能质量得到了全面改善，而且该装置没有特定的使用场合限制，大大拓展了APF装置的应用范围。

附图说明

图1为本发明新型有源电力滤波装置的功率回路结构示意图；

图2为本发明新型有源电力滤波装置的控制原理框图；

图3为本发明准比例谐振控制器的频率响应示意图；

图4为坐标转换及矢量分解图；

图5为并联接入电网的逆变器的控制原理图；

图6为串联接入负载侧的逆变器的控制原理图；

图2中，I_A、I_B、I_C分别为三相负载电流，I_a1、I_b1、I_c1分别为并联接入电网的逆变器的三相输出电流，U_DC为直流母线电压，I_a2、I_b2、I_c2分别为串联接入电网负载侧的逆变器的三相输出电流，T_a、T_b、T_c为串联接入电网负载侧的变压器的副边绕组，U_AB,U_BC为电网A,B相之间的电压和B,C相之间的电压。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

如图1和图2所示，本发明提供了一种新型的有源电力滤波装置及其控制方法，该装置以并联型有源电力滤波器为基础进行拓展，功率回路拓扑包括两组共直流母线的三相逆变器，其中一组通过并网电抗器L1并联接入电网，等效为一个电流源，另一组通过由电抗器L2和电容器C2组成的LC滤波器接入变压器的原边绕组，变压器的副边绕组串联接入电网负载侧前端，等效为一个电压源。

如图5所示，并联接入电网的逆变器对电网的控制方式为：

并联接入电网的逆变器实时采集监测负载侧电流信号，通过准比例谐振控制方式从中提取各次谐波信号i₃，i₅，……，i_n，在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除，故只有奇次谐波存在。逆变器输出与负载反相的谐波电流，从而对负载所发出的各次谐波电流进行相应的补偿。

准比例谐振控制器是一种可提取特定次谐波电流信号，滤除其他信号的控制算法，在复数域内的传递函数如式（1）所示：

$G\left(s\right)=K_p+\frac{2K_i{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_h^2}---\left(1\right)$

式中，其中，G(s)为传递函数，K_p为比例系数，K_i为广义积分系数，ω_h为谐振角频率，ω_c为控制准比例谐振控制器增益带宽大小的系数，s为复变量，参数ω_c影响准比例谐振控制器在谐振频率处附近的有效带宽范围，对谐振频率处的增益没有影响，在谐振频率处，准比例谐振控制器的幅值增益为K_p+K_i，根据具体的负载和电网特性调整，保证其稳态误差基本为零，能够稳定跟踪由相ω_h确定的相应次数的谐波电流，准比例谐振控制器的频率响应如图3所示。图3为针对三次谐波的准比例谐振控制器在频域内的幅值响应和相位响应。如图所示可知，ω_c的取值越小，则准比例谐振控制器在谐振频率附近的幅值响应和相位响应的过渡过程就越平缓，ω_c取值越大，则过渡过程就越尖锐，越接近比例谐振控制。装置运行时，通过准比例谐振控制提取各次电流谐波信号，同时根据所采集的电网电压，利用数字锁相环计算得到电网电压综合矢量角度θ，为控制系统提供电网电压的相位信息。

并联接入电网的逆变器通过瞬时无功功率理论进行坐标变换，变换坐标系矢量图如图4所示，图4中，a、b、c为静止三相坐标系坐标轴，α、β为静止两相坐标系坐标轴，d、q为旋转两相坐标系坐标轴，E为电网电压综合矢量。将采样所得的负载侧电流I_A、I_B、I_C变换到两相旋转坐标系下的有功电流d轴分量i_d和无功电流q轴分量i_q，提取出无功电流信号i_q，根据所提取的无功电流信号，逆变器输出与负载反相的无功电流，从而对负载所发出的无功电流信号进行相应的补偿，保证电网侧电流的谐波含有率及功率因数符合规范要求，具体坐标变换公式为：

其中，θ为电网电压综合矢量角度。

并联接入电网的逆变器实时采集监测直流母线的电压信号U_DC，与直流母线给定信号U_DC ^*比较，得到直流母线的电压偏差，经过电压环、电流环双闭环PI控制器调节得到有功电流给定信号保持母线电压恒定。

将有功电流给定信号负载的无功电流信号i_q和各次谐波信号i₃，i₅，……，i_n相加，作为逆变器输出电流给定的调制波信号，与载波信号叠加比较，经过SPWM调制，得到逆变器输出脉冲信号，控制逆变器输出电流的大小，进而对电网电流进行控制。

如图6所示，串联接入电网负载侧的逆变器组实时监测网侧电压信号U_AB，U_BC，通过坐标变换得到电网侧电压的有功电压分量U_d；坐标变换公式如下：

其中，U_A，U_B，U_C分别为三相电网电压；

电网测电压的有功电压分量U_d与电压有功分量给定U_d ^*相比较，得到电网侧电压偏差值，经过PI控制器调节后作为逆变器输出电压给定信号U作为调制波信号，与载波信号叠加比较，经过坐标变换和SPWM调制后得到逆变器的输出脉冲信号，控制逆变器输出电压的大小；坐标变换公式如下：

$U_A=\sqrt{\frac{2}{3}}U*\cos \mathrm{\θ}$

逆变器输出的电压经过由电抗器L2和电容器C2组成的LC滤波器滤波后输入变压器原边绕组，在变压器副边绕组中耦合出相应电压，与电网侧电压串联，补偿电网侧电压的偏差和跌落,从而实现对电网电压的控制；同时由于变压器副边绕组是感性负载，与容性负载串联后能抑制容性负载所引起的谐波放大现象。

以上已以较佳实施例公开了发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种新型的有源电力滤波装置的控制方法，其特征在于：首先，构建新型有源电力滤波装置，具体包括两组共直流母线的三相逆变器，一组三相逆变器通过并网电抗器并联接入电网，等效为一个电流源，另一组三相逆变器通过LC滤波器接入变压器的原边绕组，变压器的副边绕组串联接入电网负载侧前端，等效为一个电压源；

其次，对电网电流进行控制和对电网电压进行控制，其中：

对电网电流的控制主要包括如下步骤：

1-1)并联接入电网的三相逆变器实时采集监测负载侧电流信号I_A、I_B、I_C，通过准比例谐振控制方式从负载侧电流信号I_A、I_B、I_C中提取各次谐波信号，根据所提取各次谐波信号，三相逆变器输出与负载侧电流信号I_A、I_B、I_C相位相反的谐波电流，从而对负载所发出的各次谐波电流进行相应的补偿；

1-2)通过瞬时无功功率理论进行坐标变换，将采集所得的负载侧电流信号I_A、I_B、I_C变换到两相旋转坐标系下的有功电流d轴分量i_d和无功电流q轴分量i_q，提取出负载的无功电流信号i_q，根据所提取的无功电流信号i_q，三相逆变器输出与负载侧电流信号I_A、I_B、I_C相位相反的无功电流，从而对负载所发出的无功电流信号i_q进行相应的补偿；

1-3)三相逆变器实时采集监测直流母线的电压信号，与直流母线给定信号比较，得到直流母线的电压偏差，经过电压环、电流环双闭环PI控制器得到有功电流给定信号；

1-4)将步骤1-3)的有功电流给定信号，步骤1-2)的负载的无功电流信号i_q和步骤1-1)的各次谐波信号相加，作为三相逆变器输出电流给定的调制波信号，与载波信号叠加比较，经过SPWM调制，得到三相逆变器输出脉冲信号，控制三相逆变器输出电流的大小，从而实现对电网电流的控制；

对电网电压的控制主要包括如下步骤：

2-1)串联接入电网负载侧的三相逆变器实时监测电网侧电压，通过坐标变换得到电网侧电压的有功电压分量；

2-2)电网侧电压的有功电压分量与电压有功分量给定相比较，得到电网侧电压偏差值，经过PI控制器调节后得到输出量，再结合电网电压综合矢量角度θ，经过dq/abc坐标变换，作为三相逆变器输出电压给定的调制波信号，再与载波信号叠加比较，经SPWM调制后得到三相逆变器的输出脉冲信号，控制三相逆变器输出电压的大小；

2-3)三相逆变器输出的电压经过LC滤波器滤波后输入变压器原边绕组，在变压器副边绕组中感应出相应电压，与电网侧电压串联，补偿电网侧电压的偏差和跌落，从而实现对电网电压的控制；同时由于变压器副边绕组是感性负载，与容性负载串联后能抑制容性负载所引起的谐波放大。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：步骤1-1)通过准比例谐振控制方式从负载侧电流信号I_A、I_B、I_C中提取各次谐波信号具体为：

准比例谐振控制器是一种可提取特定次谐波电流信号，滤除其他信号的控制算法，在复数域内的传递函数如式(1)所示：

$G\left(s\right)=K_p+\frac{2K_i{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_h^2}---\left(1\right)$

其中，G(s)为传递函数，K_p为比例系数，K_i为广义积分系数，ω_h为谐振角频率，ω_c为控制准比例谐振控制器增益带宽大小的系数，s为复变量，

式(1)中，参数ω_c对谐振频率处的增益没有影响，在谐振频率处，准比例谐振控制器的幅值增益为K_p+K_i，根据具体的负载和电网特性调整，保证其稳态误差基本为零，能够稳定跟踪由谐振角频率ω_h确定的相应次数的谐波电流，装置运行时，通过准比例谐振控制提取各次电流谐波信号。