CN103780225A - 一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，三相/两相变换输入的是与A相电源电压同相位的sinωt，cosωt信号和三相非线性负载电流，输出是有功电流和无功电流。两相/三相反变换输入的是与A相电源电压同相位的sinωt，cosωt信号和经过截止频率为50Hz的数字低通滤波器的有功电流和无功电流的直流分量，输出的是三相基波电流，最后经过谐波电流仿真模拟补偿电路获得补偿后的A相电流。本发明大大降低了电流型有源滤波器的幅值误差和相位误差，且结构简单，易于数字化实现，准确度高，本发明改善了系统输入谐波电流的总畸变率，有效减少并抑制了谐波电流含量，使得电流型有源滤波器频率稳定，本发明运行噪声小，大大提高了电流型有源滤波器使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种电路，尤其涉及一种应用于电流型有源滤波器的对其进行模拟仿真的电路。
背景技术
目前，电流型有源滤波器被广泛的应用在工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场/港口的供电系统、医疗机构等。而根据其应用对象的不同，电流型有源滤波器的广泛应用将起到保障供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命减少设备损坏等作用。故电流型有源滤波器其本质是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。为此，电流型有源滤波器在其设计时要求其主电路（即补偿电流发生电路）能够快速、准确地产生补偿电流。
现有技术下的电流型有源滤波器的主电路均设置有变流器，但其电力电子器件的选择、开关频率的确定以及直流侧电容和输出电抗器的设计等都会对电流型有源电力滤波器的补偿效果产生很大的影响。影响电流型有源电力滤波器补偿性能的因素，从理论上讲，有源电力滤波器可以使非线性负载电流中的谐波、无功和负序电流得到完全补偿，但实际上这是很难做到的。因为从电流检测到主电路产生实际需要的补偿电流，都不可避免地要带来误差。这个误差可以分为两类，即幅值误差和相位误差。这两类误差都会对有源电力滤波器的补偿性能产生影响，使非线性负载电流中的谐波、无功和负序电流得不到彻底的补偿，而幅值误差和相位误差的具体情况如下所述：
1.产生幅值误差的因素主要有下面几种：
(1)电压、电流互感器的比值误差；
(2)电流检测电路的检测精度不够；
(3)控制电路的工作性能不好，使有源电力滤波器的输出电流不能很好地跟踪指令电流的变化。
虽然可以通过采取一些方法减小或限制幅值误差，如采用比值误差小或有补偿措施的互感器，提高电流检测电路的检测精度和控制电路的工作性能等，但在实际工作中，幅值误差对电流型有源滤波器补偿性能的还是存在有一定的影响。
2、产生相位误差的直接后果是影响有源电力滤波器的实时补偿，而产生相位误差的因素主要有：
(1)电压、电流互感器的相位误差。
电压、电流互感器的一次电压、电流和二次电压、电流波形的相位并不完全一致，二者之间存在着一定的误差。一般在采用没有相位误差补偿的电压、电流互感器时，其较大的相位误差可使在工频50Hz时，二次电压、电流波形滞后一次电压、电流波形几十微秒，甚至更长。
(2)畸变电流检测电路的延时。
畸变电流检测电路是电流型有源滤波器的重要组成部分，因此，畸变电流检测电路的延时也是产生相位误差的一个比较重要的因素。由第三章对目前畸变电流检测方法的介绍可知，许多检测方法都很难做到对谐波、无功和负序电流的真正意义上的实时检测，只是延迟的时间有所不同。
(3)补偿电流产生电路的延时。
电流型有源滤波器的补偿电流产生电路采用电力电子器件作为开关器件。由于电力电子器件的导通及关断都需要一定的时间，因此在动作时间上要出现一定的延时。此外，电力电子器件的驱动电路(模块)一般也要产生延时。补偿电流产生电路产生的延时与所采用的电力电子器件和驱动电路有关，一般从十几微秒到几十微秒。
现有技术下虽然可以采取一定的措施可以使相位误差减小到很低的程度，但是无法完全消除的。和幅值误差相比，相位误差会对有源电力滤波器的补偿性能产生严重的影响。
为了解决现有技术下的电流型有源滤波器或多或少都存在有幅值误差和相位误差这一问题，现有技术下的电流型有源滤波器通常采用滞环控制方法，所谓的滞环控制方法即在电流型有源滤波器的电路中加载一串联的阻抗构成的三相桥式不控整流电路。
然而经过长时间的使用发现，虽然电流的波形得到了明显的改善，电流波形的已经接近于正弦波，并且改变了滤波器中滞环的宽度仿真，但问题也随之而来：
（1）改变滤波器中滞环的宽度仿真的滞环控制方法虽然可以达到改善波形，补偿电流的作用，但是其跟踪能力大大较低，因为随着滞环环宽的增加，降低了电流跟踪的准确性，跟随误差增大，使电力系统中有源电力滤波器的补偿效果达不到要求；
（2）在设置滞环控制环节的参数时，大的宽度减少了补偿环节电力电子器件的开关频率，虽然有效减少补偿环节的影响，但却使电力滤波器的跟踪性能变差。
综上所述，现有技术下的电流型有源滤波器的滞环控制方法还是存在着相当大的局限性。
发明内容
为了解决现有技术下的电流型有源滤波器存在的幅值误差和相位误差，以及加载滞环控制方法存在相当大的局限性的问题，本发明提供了一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，解决了电流型有源滤波器存在的幅值误差和相位误差以及现有技术下的滞环控制方法的开关频率不固定，环宽固定、滞环宽度对补偿电流的跟随性能产生很大的影响，当滞环宽度过大时，开关动作频率较小，对电力电子器件的要求不严；而滞环宽度过小时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高，可能超过可关断器件的允许的工作频率范围，导致电路无法正常工作的问题，本发明的具体方案如下所述：
一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，包括电流型有源滤波器电路，其具体步骤如下所述：
1）通过三相负载电流变换为两相，其中，A相的sinωt，cosωt信号和三相非线性负载电流，输出有功电流和无功电流；
2）将三相/两相变换的反变换为两相/三相变换，该变换与步骤1）中的A相的sinωt，cosωt信号的有功电流和无功电流的输出直流分量，该输出直流分量为三相基波电流。
3）在电流型有源滤波器电路加载一谐波电流仿真模拟补偿电路，三相基波电流经过该谐波电流仿真模拟补偿电路后作为电流源输出的电流波形为正弦波形，谐波含量减小，消除电压的畸变。
根据本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的步骤1）中的有功电流和无功电流为与A相电源电压同相位的电流信号。
根据本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的步骤3）中的谐波电流仿真模拟补偿电路包括单相锁相环模块、谐波电流输入辅助系统模块、滤波器和谐波电流输出辅助系统模块，其中，单相锁相环模块的一端为电压电流输入端VA，另一端则设置有Freq、wt和sin_cos接点，Freq和wt接点与终端连接，而sin_cos接点则谐波电流输入辅助系统模块的sin和cos接点连接，谐波电流输入辅助系统模块的一端分别输入a相、b相和c相电流，这三相电流分别与谐波电流输入辅助系统模块的Ia、Ib和Ic接点连接，谐波电流输入辅助系统模块的另一端设置有ip和iq接点，这两个接点分别与两个滤波器的一端连接，而这两个滤波器的另一端则与谐波电流输出辅助系统模块一端的ip和iq接点连接，该谐波电流输出辅助系统模块同样设置有sin和cos接点，电流输出辅助系统模块的sin接点分别与单相锁相环模块的sin_cos接点及谐波电流输入辅助系统模块的sin接点连接，而电流输出辅助系统模块的cos接点也与单相锁相环模块的sin_cos接点及谐波电流输入辅助系统模块的cos接点连接，谐波电流输出辅助系统模块的另一端则设置有iah、ibh和ich接点，这三处接点分别与输出电流iah、ibh和ich连接。
根据本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的滤波器为Discrete2nd-order filter型低通滤波器，截止频率为50Hz。
此处设计目的在于，经过滤波之后，其高频含量极低，不会通过滤波器。
本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其理论依据是基于瞬时无功功率理论的ip-iq电流检测法可以把正余弦信号(电源电压同相位)当做电压源或者电流源，以达到消除电压的畸变。通过该ip-iq电流检测法，三相/两相变换输入的是与A相电源电压同相位的sinωt，cosωt信号和三相非线性负载电流，输出是有功电流和无功电流。两相/三相反变换输入的是与A相电源电压同相位的sinωt，cosωt信号和经过截止频率为50Hz的数字低通滤波器的有功电流和无功电流的直流分量，输出的是三相基波电流，最后经过谐波电流仿真模拟补偿电路获得补偿后的A相电流。
使用本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路获得了如下有益效果：
1.本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路大大降低了电流型有源滤波器的幅值误差和相位误差，且结构简单，易于数字化实现，准确度高；
2.本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路改善了系统的输入谐波电流的总畸变率，有效的减少并抑制了谐波电流含量；
3.本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路使得电流型有源滤波器频率稳定，运行噪声小，大大提高了电流型有源滤波器的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路的三相/两相变换仿真图；
图2为本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路的两相/三相仿真图；
图3为本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路的谐波电流仿真模拟补偿电路的具体结构示意图；
图4为经过本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路补偿后的A相电流波形图。
图中：1-单相锁相环模块，2-谐波电流输入辅助系统模块，3-滤波器，4-谐波电流输出辅助系统模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路做进一步的描述。
实施例
如图1至图3所示，一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，包括电流型有源滤波器电路，其具体步骤如下所述：
1）通过三相负载电流变换为两相，其中，A相的sinωt，cosωt信号和三相非线性负载电流，输出有功电流和无功电流；
2）将三相/两相变换的反变换为两相/三相变换，该变换与步骤1）中的A相的sinωt，cosωt信号的有功电流和无功电流的输出直流分量，该输出直流分量为三相基波电流。
3）在电流型有源滤波器电路加载一谐波电流仿真模拟补偿电路，三相基波电流经过该谐波电流仿真模拟补偿电路后作为电流源输出的电流波形为正弦波形，谐波含量减小，消除电压的畸变。
根据本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的步骤1）中的有功电流和无功电流为与A相电源电压同相位的电流信号。
如图3所示，本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的步骤3）中的谐波电流仿真模拟补偿电路包括单相锁相环模块1、谐波电流输入辅助系统模块2、滤波器3和谐波电流输出辅助系统模块4，其中，单相锁相环模块的一端为电压电流输入端VA，另一端则设置有Freq、wt和sin_cos接点，Freq和wt接点与终端连接，而sin_cos接点则谐波电流输入辅助系统模块的sin和cos接点连接，谐波电流输入辅助系统模块的一端分别输入a相、b相和c相电流这三相电流分别与谐波电流输入辅助系统模块的Ia、Ib和Ic接点连接，谐波电流输入辅助系统模块的另一端设置有ip和iq接点，这两个接点分别与两个滤波器的一端连接，而这两个滤波器的另一端则与谐波电流输出辅助系统模块一端的ip和iq接点连接，该谐波电流输出辅助系统模块同样设置有sin和cos接点，电流输出辅助系统模块的sin接点分别与单相锁相环模块的sin_cos接点及谐波电流输入辅助系统模块的sin接点连接，而电流输出辅助系统模块的cos接点也与单相锁相环模块的sin_cos接点及谐波电流输入辅助系统模块的cos接点连接，谐波电流输出辅助系统模块的另一端则设置有iah、ibh和ich接点，这三处接点分别与输出电流iah、ibh和ich连接。
根据本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的滤波器3为Discrete2nd-order filter型低通滤波器，截止频率为50Hz。
经过滤波之后，其高频含量极低，不会通过滤波器。
本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其理论依据是基于瞬时无功功率理论的ip-iq电流检测法可以把正余弦信号(电源电压同相位)当做电压源或者电流源，以达到消除电压的畸变。通过该ip-iq电流检测法，三相/两相变换输入的是与A相电源电压同相位的sinωt，cosωt信号和三相非线性负载电流，输出是有功电流和无功电流。两相/三相反变换输入的是与A相电源电压同相位的sinωt，cosωt信号和经过截止频率为50Hz的数字低通滤波器的有功电流和无功电流的直流分量，输出的是三相基波电流，最后经过谐波电流仿真模拟补偿电路获得补偿后的A相电流（如图4所示）。
本发明的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路大大降低了电流型有源滤波器的幅值误差和相位误差，且结构简单，易于数字化实现，准确度高，本发明改善了系统的输入谐波电流的总畸变率，有效的减少并抑制了谐波电流含量，本发明使得电流型有源滤波器频率稳定，运行噪声小，大大提高了电流型有源滤波器的使用寿命。适用于各种电流型有源滤波器领域。
Claims (4)
1.一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，包括电流型有源滤波器电路，其具体步骤如下所述：
1）通过三相负载电流变换为两相，其中，A相的sinωt，cosωt信号和三相非线性负载电流，输出有功电流和无功电流；
2）将三相/两相变换的反变换为两相/三相变换，该变换与步骤1）中的A相的sinωt，cosωt信号的有功电流和无功电流的输出直流分量，该输出直流分量为三相基波电流。
3）在电流型有源滤波器电路加载一谐波电流仿真模拟补偿电路，三相基波电流经过该谐波电流仿真模拟补偿电路后作为电流源输出的电流波形为正弦波形，谐波含量减小，消除电压的畸变。
2.如权利要求1所述的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的步骤1）中的有功电流和无功电流为与A相电源电压同相位的电流信号。
3.如权利要求1所述的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的步骤3）中的谐波电流仿真模拟补偿电路包括单相锁相环模块（1）、谐波电流输入辅助系统模块（2）、滤波器（3）和谐波电流输出辅助系统模块（4），其中，单相锁相环模块的一端为电压电流输入端VA，另一端则设置有Freq、wt和sin_cos接点，Freq和wt接点与终端连接，而sin_cos接点则谐波电流输入辅助系统模块的sin和cos接点连接，谐波电流输入辅助系统模块的一端分别输入a相、b相和c相电流，这三相电流分别与谐波电流输入辅助系统模块的Ia、Ib和Ic接点连接，谐波电流输入辅助系统模块的另一端设置有ip和iq接点，这两个接点分别与两个滤波器的一端连接，而这两个滤波器的另一端则与谐波电流输出辅助系统模块一端的ip和iq接点连接，该谐波电流输出辅助系统模块同样设置有sin和cos接点，电流输出辅助系统模块的sin接点分别与单相锁相环模块的sin_cos接点及谐波电流输入辅助系统模块的sin接点连接，而电流输出辅助系统模块的cos接点也与单相锁相环模块的sin_cos接点及谐波电流输入辅助系统模块的cos接点连接，谐波电流输出辅助系统模块的另一端则设置有iah、ibh和ich接点，这三处接点分别与输出电流iah、ibh和ich连接。
4.如权利要求3所述的一种电流型有源滤波器用仿真模拟补偿电路，其特征在于，所述的滤波器（3）为Discrete2nd-order filter型低通滤波器，截止频率为50Hz。
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