CN105186516A - 一种三相有源电力滤波器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相有源电力滤波器的实现方法，适用于治理“电网污染”，与无源电力滤波器相比有无可比拟的优点，除抑制谐波电流外，还可补偿基波无功、平衡三相电流等。本发明对传统的三相三线制APF空间矢量法做了重要改进，与传统的空间矢量法相比，简化了区间判断，减小了运算量，降低了功率开关器件的开关损耗，并将所提出的空间矢量法与传统的单周控制方法相结合，提出一种基于单周控制的三相三线制的APF，使其结构简单，易于实现。本方法分为三个部分：三相电压的区间划分、矢量合成序列的最佳选择和单周控制算法。

Description

一种三相有源电力滤波器的实现方法

(一)技术领域

本发明涉及一种三相有源电力滤波器的实现方法，具体地说是一种针对治理“电网污染”或应用在其他场合下的一种电力滤波器控制方案的实现。本发明所用过得方法具有易实现、抗干扰性、快速性、成本低、效果好的特点。

(二)背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，各种开关器件得到了广泛的应用，他们一方面给电能的变换应用带来了方便，另一方面又给电网带来了严重的无功和谐波污染。谐波电流和无功电流大量注入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡和谐波，降低了电能质量和输电效率，严重影响了用电设备的安全运行与正常使用，对谐波和无功功率进行滤波和补偿是工程中需要解决的实际问题。

无源滤波器方案是目前采用的最为广泛的谐波抑制手段，它由一组针对额定频率的LC单调谐滤波器组成，即可补偿谐波，又可补偿无功功率，其成本低，结构简单，技术成熟，但其难以回避的问题比如其大多只能滤除特定频率的谐波，谐振频率依赖于元件参数，LC参数的漂移会导致滤波特性的改变，使滤波性能不稳定；电网阻抗与LC可能产生并联谐振使谐波电压分量放大，使电网供电质量下降；电网阻抗与LC可能产生串联谐振，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流；无源滤波器的体积大，损耗大。

有源电力滤波器(APF)是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。与无源滤波器相比，APF对于功率器件工作频率以内的各次谐波都有很好的滤波效果，当系统阻抗和频率变化时，滤波特性不受影响，不会与电网发生谐振现象，且能有效抑制系统与无源滤波器之间的谐振，不存在过载现象，当负载谐波电流较大时，仍可以继续运行。

APF的主要实现方案包括多脉整流及准多脉整流技术、多电平变流技术、脉宽调制技术、功率因数矫正器技术等。目前，对于APF谐波检测的方法主要是基于d-q同步旋转坐标系下的瞬时空间矢量法，该方法依赖于电路参数的精确测量和估计，参数的测量误差及参数的漂移对系统的性能产生较大的影响。其补偿电流的控制方法主要是三角波线性控制和滞环比较控制，三角载波线性控制属于典型的线性控制方法，而APF是一个强非线性系统，该方法虽然控制简单，但是控制效果却不理想。滞环控制器系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环宽度的影响，带宽固定时，开关频率会随着补偿电流变化而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪声。

因此，工程实际中需要一种更易于实现、更稳定、成本更低的方法来实现APF。

(三)发明内容

针对现有传统APF实现方案的缺点，本发明的目的是提供一种具有快速性、抗干扰性、易实现、低成本的调速控制方法，并且在工程应用中具有可行性和实用性。

本发明提出了基于简单空间矢量法的三相三线制APF，与传统空间矢量法不同，将电网三相相电压按照过零点的方法重新划分了区间，计算得到每个区间中的开关占空比，该方法较传统的空间矢量法简化了区间判断和计算量；本发明提出了一种基于简单空间矢量下单周控制的三相三线制APF，按照前述划分的区间，在每个区间内建立了单周控制模型，该方法同时具有简单空间矢量和单周控制法的优点，结构简单，容易实现。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

结合图1的三相三线制APF拓扑结构，三相三线制APF主要由与非线性负载并联的一个电压源变流器构成，电压源变流器采用三相三桥臂桥式电路组成。

结合图2的实现简单SVPWM控制的结构，其包括APF主电路及电压环核心、单位功率因数实现核心及简单空间矢量与单周控制核心三个部分，从电路结构上讲，包括同步基准正弦电压信号、误差电压信号生成、同步触发信号、占空比计算、PWM生成电路、驱动电路和主电路等环节组成。

同步基准电压信号是与电网电压同步的标准正弦电压信号。同步基准正弦电压信号质量的好坏直接影响到APF的补偿效果。本发明采用具有与电网电压同步的数字式基准正弦波信号发生器作为同步基准正弦电压信号。本发明采用的方法是根据三相电压的同步触发信号划分区间，即按照图3所示的划分方法将三相对称电压划分成为六个区间。将三相电压处于正半周的状态视为“1”，处于负半轴的状态视为“0”，则三相电压的正弦波形就转化为如图3所示的方波形式，其方波信号就是同步触发电压信号。根据同步触发信号的状态组合即可判断出区间的位置。

对于图2中的简单空间矢量及单周控制核心来说，即APF的控制器部分来说，结合图4，包括三个模块：电流选择电路，单周控制核心模块，驱动选择电路。电流选择和驱动选择电路都很适合用数字电路实现；结合图5，单周控制核心模块包括一个积分器和三个加法器，两个比较器，两个RS触发器，一个时钟组成，都很方便使用数字电路或简单的模拟电路来实现。

本方法相对于传统的有源电力滤波器控制方法，有如下优点：

本发明采用单周控制，属于定频调制，不需要检测负载电流；

本发明采用的方法不像传统反馈控制那样，当误差出现后再用几个周期去消除误差，而是在一个周期内消除稳态和瞬态误差，快速性好；

本发明采用的方法抗电源干扰能力强；

本发明采用的方法开关输出平均值在一个周期内动态地跟随控制参考变化；

本发明采用的方法易于实现，控制电路简单，无需乘法器等复杂元器件；

本发明无需产生参考信号，也无需过多的电压传感器。

(四)附图说明：

图1是本发明中三相三线制APF主电路拓扑结构图(三相三线制APF拓扑结构据图1所示)；

图2是本发明的简单SVPWM方法单位功率因数控制系统结构图；

图3是本发明方法的扇区划分依据；

图4是本发明方法的简单空间矢量及单周控制核心示意图；

图5是本发明方法的单周控制核心模块示意图；

图6是本发明的各扇区两相调制示意图；

图7是本发明的SVPWM控制方法扇区示意图；

图8是本发明的扇区I至扇区VI的实际工作模式表；

图9是本发明的各扇区占空比计算公式及需控制的开关；

图10是本发明的各扇区的单周控制模型；

图11是本发明的电流选择与占空比选择表；

图12是为了验证本发明的理论正确性与可行性的有源电力滤波器的仿真波形(加入APF补偿后交流母线相电流i，相电压u波形据图12所示)；

图13是采用本发明方法研制的样机的试验波形——三相APF输入电感电流试验波形；

图14是采用本发明方法研制的样机的试验波形——加入APF补偿前交流母线电流试验波形；

图15是采用本发明方法研制的样机的试验波形——加入APF补偿后交流母线相电流i的试验波形。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

(1)获取电流信息

结合图3，将三相电压按每60°划分区间，一个工作周期被划分为六个区间。

误差电压(参考电压与反馈电压之差)倍的同步基准正弦电压与反馈的三相电流之差为误差电流，对误差电流进行选择和调节。选择过程按照图10中的第一张表进行选择，调节过程根据图5实现。

(2)对选择的电流采用单周控制的方法进行调节

基本数学模型的建立：

结合图1，图中三相桥的开关分别为Q_ah，Q_al，Q_bh，Q_bl，Q_ch，Q_cl，分别为A，B，C三相的上下桥臂的开关管，各自状态为1代表导通，为0代表截止(关断)，正常工作时，同相的上下桥臂同一时刻最多只允许有一个开关管导通。

矢量的选择：

按照两相调制的方法，在一个扇区内某一开关的状态始终保持导通(1)或关断(0)状态，以此减小开关损耗，另外两相的开关处于高频状态，各扇区的两相调制示意图如图6所示。

以扇区I为例，设Q_cl在扇区I内始终开通，则Q_ah和Q_bh的分配为：工作模式1：Q_ah＝0，Q_bh＝0；工作模式2：Q_ah＝0，Q_bh＝1；工作模式3：Q_ah＝1，Q_bh＝0；工作模式4：Q_ah＝1，Q_bh＝1。

同理可得扇区I的在其他三种工作模式下的电压矢量分别为：工作模式1：V₀；工作模式2：V₂；工作模式3：V₄；工作模式4：V₆。结合图7，扇区I内的电压矢量只可能由基本矢量V₀，V₄和V₆组合而成。同理可得其他扇区的实际工作模式(结合图7，排除了四种工作模式中不可能的那种工作模式)的基本电压矢量及开关情况，如图8中的表格所示。

下面进行开关占空比的计算：

设扇区I中矢量V₀，V₄，V₆的作用时间分别为T₀，T₄，T₆，扇区I的工作时间为ΔT，A，B，C三点电压u_A，u_B，u_C的值为该扇区各作用矢量作用时间与作用强度(以扇区I为例，即V₀，V₄，V₆在三相电压u_A，u_B，u_C上分配的电压值)的加权和。其他扇区同理，各扇区占空比为图9中的表格所示。

控制目标及单周控制模型：

有源电力滤波器补偿系统的谐波和无功后，从电源侧看，三相负载平衡且为纯阻性负载，所以其控制目标为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_A=R_e\·i_A\\ u_B=R_e\·i_B\\ u_C=R_e\·i_C\end{array}\right.---\left(1\right)$

式1中的R_e为补偿三相谐波和无功后从电源侧看的等效电阻。令带入图9中各扇区占空比计算公式，以扇区I为例，可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ref}(1-D_{al})=(2u_A+u_B)R_s/R_e=(2i_A+i_B)R_s\\ V_{ref}(1-D_{bl})=(u_A+2u_B)R_s/R_e=(i_A+2i_B)R_s\\ V_{ref}(1-D_{cl})=0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式2即扇区I的单周控制数学模型。

同理可计算其他扇区的单周控制数学模型如图10中的表格所示。

用D_h，D_l和D_t分别表示同一扇区各开关的占空比，以扇区I为例，D_h＝D_bl，D_l＝D_al，D_t＝D_cl，用i_h和i_l分别表示同一扇区三相交流侧的相电流，以扇区I为例，i_h＝i_b，i_l＝i_a。则由图10中的表可得实现单周控制的控制方程：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{ref}\left[\begin{array}{c}1-D_h\\ 1-D_l\end{array}\right]=R_s\left[\begin{array}{cc}2& 1\\ 1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_h\\ i_l\end{array}\right]\\ D_t=1\end{array}\right.---\left(3\right)$

式3说明，两相调制简单空间矢量控制的单周控制方程的输入与输出可以通过对电流的选择和占空比的选择来实现。

用分别表示同一扇区开关的驱动信号，为触发器的输出，表示开关在该扇区处于高频状态，ON表示开关在该扇区处于恒通状态，OFF表示开关在该扇区处于恒关状态。由图10中的表可以得到，以上各量在各区间的关系即电流选择和占空比选择规律如图11中的表所示。

按照如上所述的控制方法，即可实现简单空间矢量下单周控制的三相三线制APF。

为了验证本方法的理论正确性和可行性，在Saber仿真平台下对图2所示的控制结构进行仿真并进行试验验证，得出图12至图15的波形。

仿真中非线性负载为三相整流器，仿真参数及条件如下：输入交流电压幅值为u_A＝u_B＝u_C＝115V(有效值)；交流母线电压频率为f＝400Hz，直流母线电压为E＝400V；直流侧电容为C_dc＝470μF；输入电感为L＝0.2mH；开关频率为f_s＝50kHz，非线性负载的电阻为R＝15Ω；非线性负载的电感为1mH；非线性负载的电容为C＝220μF。

图12为加入APF补偿后的相电流与相电压仿真波形，图13为三相APF输入电感上的电流试验波形，图14为负载电流试验波形(加入APF补偿前的交流母线相电流)，图15为经过APF补偿谐波和无功后的三相电流试验波形。

从图12到图15可以看出，交流母线相电流与线电压几乎同相，且为正弦波，经过APF输入电感的电流补偿后，交流母线三相电流波形为较标准的正弦波形，说明电网的功率因数基本为1，负载的谐波和无功基本全部由APF补偿掉。

综上，本发明的方法具有控制结构简单、成本低、性能高、损耗小和高可靠性的优点，是改善电能质量和节省能源的理想方案。

Claims (4)

1.一种三相有源电力滤波器的实现方法，其特征是：采用简单空间矢量和单周控制的方式，简化控制算法，使其易于实现。

2.根据权利要求1所述的一种三相有源电力滤波器的实现方法，其特征在于：简单空间矢量采用两相调制方法，减小了开关管的损耗，相比于准优化的PWM方法，开关次数可减小1/3，直流侧电压利用率相同。

3.根据权利要求1所述的一种三相有源电力滤波器的实现方法，其特征在于：采用了简单空间矢量控制，不需要采用坐标变换的方式，只需要进行符号判断及简单的加减运算即可实现空间矢量调制的调制技术，采用模拟控制器实现，成本低，效果好。

4.根据权利要求1所述的一种三相有源电力滤波器的实现方法，其特征在于：采用单周控制器实现占空比的控制与输出，快速性好，易于实现。