CN105244881B - 一种有源电力滤波器补偿策略和装置 - Google Patents

一种有源电力滤波器补偿策略和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种新型结构的有源电力滤波器补偿装置，集成了有源电力滤波器（Active Power Filter,APF）和动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer,DVR）装置的补偿特点。该策略包括：判断电网电压是否正常，若正常，通过将串联接入配电网的第一电抗器和第二电抗器分别短接来选择APF补偿模式；若不正常，通过将串联接入配电网的第一电抗器和第二电抗器分别接入电路来选择APF‑VB补偿模式。通过以上根据电网电压选择补偿模式，本发明能够根据电网电压的状态合理选择补偿模式，在补偿谐波电流和无功电流的同时，还能够补偿电网的电压暂降、电压上升以及电压畸变问题。

Description

一种有源电力滤波器补偿策略和装置
技术领域
本发明涉及电力电子领域和电力系统领域，具体涉及一种有源电力滤波器补偿策略和装置。
背景技术
众所周知，随着电力电子器件在电网中广泛使用，谐波污染已然成为一个很严峻的问题，有源电力滤波器的出现很好的解决电网谐波问题。有源滤波装置的拓扑结构是多种多样的，其中研究和应用比较多是电容中点法的三桥臂结构和四桥臂结构。四桥臂结构相对于三桥臂的优势是可以独立控制各个桥臂，且直流电压利用率更高一些，但劣势是N桥臂上多了一对开关器件，且该器件的额定容量是其它桥臂的3倍左右，导致成本大大增加。目前工业上应用比较多的是基于电容中点法三桥壁结构的补偿装置。
面对复杂且多样化的电力工业环境，有源电力滤波器的补偿容量也是多种多样，有源电力滤波器的拓扑结构经历了从单一化到多重化的发展。针对大功率非线性负荷和无功负荷，有源电力滤波器必须具有较大的补偿容量，才能很好地进行无功补偿和谐波抑制。考虑到补偿容量和开关速度之间的矛盾问题，现在大都采用并联型多重化的有源电力滤波器，该结构中功率开关器件以交互错开的方式来成倍地提高器件的等效开关频率。
配电网中出现电压暂降和电压上升一定程度的时候，有源电力滤波器就进入离网模式，这就大大影响了补偿装置对电网的补偿性能。电网中的负荷可以模拟成金字塔结构，底端是对于电能质量要求不太高的大多数负荷，顶端是对于电能质量要求最高的少数负荷，补偿装置应该满足电力用户多样化的电能质量需求。对于顶端负荷或者敏感负荷，无论在什么情况下都需要优质的电能质量。普通的有源电力滤波器一般只用来补偿谐波电流和无功电流，如果配电网出现过电压或者电压暂降时，有源电力滤波器就进入离网模式，此时谐波电流和无功电流将会干扰敏感负荷的正常工作。
发明内容
技术问题
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，提供一种针对不同的电网电压状态进行不同模式补偿的有源电力滤波器补偿策略和装置。
解决方案
为了解决上述技术问题，发明人在研究了电网电压变化的特点后，创造性的提出了针对不同电压状态进行动态切换补偿模式的控制策略，把不同的控制方法有机地结合起来，形成一种复合控制策略。在补偿非线性负荷和无功负荷的同时，也可以补偿电网的电压暂降和电压畸变问题。
根据本发明的一实施例，提供了一种有源电力滤波器的控制策略，包括：S101：判断电网电压是否正常，若正常，进入步骤S102，若不正常，进入步骤S103；S102：通过将串联接入电网的第一电抗器和第二电抗器分别短接来选择APF补偿模式；S103：通过将串联接入电网的第一电抗器和第二电抗器分别接入电路来选择APF-VB补偿模式。
对于上述控制策略，在一种可能的实现方式中，所述不正常的情况包括电压出现带有相角跳变电压暂降的情况或出现电压畸变的情况或电压上升的幅值超过预设值。
对于上述控制策略，在一种可能的实现方式中，所述APF补偿模式对电网中非线性和无功负荷进行补偿。
对于上述控制策略，在一种可能的实现方式中，所述APF-VB补偿模式对电网中非线性和无功负荷进行补偿的同时，对电网电压进行补偿。
对于上述控制策略，在一种可能的实现方式中，还进一步包括通过将串联接入配电网的第一电抗器短接来补偿畸变电流。
为了解决上述技术问题，根据本发明的另一实施例，提供了一种有源电力滤波器补偿装置，包括：电网电压检测单元连接于电网，所述电网电压检测单元用于检测电网电压是否正常；补偿模式选择单元连接于所述电网电压检测单元，所述补偿模式选择单元用于根据所述电网电压检测单元的检测结果选择不同的补偿模式；所述补偿模式选择单元包括两个断路器，通过接入或者断开电抗器来实现不同补偿模式。
对于上述补偿装置，在一种可能的实现方式中，补偿模式分为APF补偿模式和APF-VB补偿模式，具体描述如下：
所述APF补偿模式，在电网电压正常的情况下对电网中非线性和无功负荷进行补偿；
所述APF-VB补偿模式，在电网电压出现包括相角跳变在内的电压暂降、电压上升以及电压畸变的情况下对电网电压进行补偿，并且对电网中非线性和无功负荷进行补偿。
对于上述控制装置，在一种可能的实现方式中，所述APF补偿模式补偿谐波电流和无功电流；
所述APF-VB补偿模式在补偿谐波电流和无功电流的同时，补偿电网中的异常电压。
对于上述控制装置，在一种可能的实现方式中，所述异常电压包括电压暂降、电压上升以及电压畸变。
有益效果
通过优化多重化有源电力滤波器的拓扑结构，根据本发明实施例的基于多重化结构有源电力滤波器的控制策略和装置能够在补偿谐波电流和无功电流的同时，也可以补偿电网的电压暂降、电压上升以及电压畸变等。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的创新特征一目了然。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征以及其它方面，并且用于解释本发明的原理。
图1示出本发明的主电路接线图。
图2示出本发明APF模式单相等效电路图。
图3示出本发明带有相角跳变电压暂降补偿方式。
图4示出本发明基于谐振式PLL的谐波电流检测法。
图5示出本发明APF补偿原理图。
图6示出本发明补偿方式和传统方式对比。
图7示出本发明变流器1补偿原理图。
图8示出本发明变流器3控制原理图。
图9示出本发明电压畸变时补偿方式。
图10示出本发明控制策略流程图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。虽然在附图中示出了实施例的各种方面，但除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里的专用词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
基于上述提出的问题，本发明公开了一种基于多重化结构有源电力滤波器的控制策略，该策略集成了有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)和动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer,DVR)装置的补偿特点。即在补偿谐波电流和无功电流的同时，也可以补偿电网的电压暂降和电压畸变问题。把不同的控制方法有机地结合起来，形成一种复合控制策略。
本发明提出的基于多重化结构有源电力滤波器的控制策略分为两种模式：APF(Active Power Filter)模式和APF-VB(Active Power Filter-Voltage Balance)模式。
APF模式：如果配电网电压没有出现异常，APF补偿装置处于谐波和无功补偿模式，如图1中电感L1和L2都没有接入电网，补偿单相等效电路图如图2所示，图中Vs是配电网电压，Is是并网电流，Iload是负载电流，ih1、ih2和iq3是补偿的谐波电流和无功电流，Z非线性和Z敏感是非线性和敏感负载。
APF-VB模式：如果配电网电压出现电压故障，APF补偿装置在补偿谐波和无功电流的同时，还要补偿配电网电压的异常情况。而电压暂降的同时常常伴随相角的跳变，这会严重影响到对相位比较敏感的负荷。假设配电网电压出现电压暂降情况，且电压相角发生了跳变，图1中的电感L1和L2都要接入电网，补偿单相等效电路图如图3所示。
实施例
图1示出根据本发明一实施例的基于多重化结构有源电力滤波器的控制设备的主电路接线图。如图1所示，电感L1和L2(即电抗器)通过断路器串联接入配电网中。配电网电压正常时，电感L1和L2没有接入电网，即APF模式；当配电网电压出现异常时，电感L1和L2的会按照本发明提出的控制策略来接入电网，即APF-VB模式。
1)配电网电压正常时的补偿策略
如果配电网电压没有出现异常情况，APF补偿装置处于谐波和无功补偿模式，电感L1和L2都没有接入电网，补偿单相等效电路图如图2所示。图4是基于瞬时无功功率和谐振式PLL的谐波电流检测法，其中在断开q通道时用来同时补偿谐波和无功功率。谐波和无功补偿原理图如5所示。
2)配电网带有相角跳变的电压暂降补偿策略
如图6所示，主电网电压暂降后为跌落的相位为δ，为补偿后的负载电压，变流器的补偿电流为补偿电流在电感L的电压为超前相位为β，Ip是并网电流，负载阻抗的等效角是
本发明采用改进型最小能量补偿法，具体控制策略如下：
如图3所示，变流器1被控制为电流源，补偿成分包括流过L1有功电流ip1和流过L2无功电流iq2，其控制原理图如图7所示。如图6(a)所示，通过补偿有功电流ip1来改变电感L1的电压Uc1。通过补偿电压Uc1，把跌落电压Us补偿为补偿有功功率P1为零，补偿无功功率为Q1。
变流器2被控制为电流源，补偿成分包括负载的谐波电流ih、负载的无功电流Iq以及流过L2无功电流iq2。通过无功电流iq2改变电感L2的电压Uc2，结合变流器1的补偿，最终实现主电网电压的全补偿。补偿有功功率为P2，补偿无功功率为Q2。变流器3被控制为电压源，提供负载的基波电流I1，其控制原理如图8所示。
传统最小能量补偿法的补偿点如图6(b)中的d点，补偿有功功率P对应的有功电压为Ude，补偿无功功率Q对应的无功电压为Uef，补偿视在功率S对应的视在电压为Udf。在图6(b)中，对比本发明的改进型最小能量补偿法有以下关系。
由此可知，对比传统最小能量补偿法，本发明有以下几个特点，有功功率增加ΔP＝Is(Uab-Ude)，无功功率减少ΔQ＝Is(Uef-Ubf)，视在功率减少ΔS＝Is(Udf-Uaf)，突出点是在补偿过程中，负荷电压的幅值和相位均保持不变，这极大地提高了敏感负荷用电的可靠性。
3)配电网出现电压畸变的补偿策略
当检测装置检测到配电网电压出现电压畸变时，补偿装置单相补偿原理如图9所示，断路器1保持在a、b、c处，断路器2切换到a’、b’、c’处。变流器1被控制为电流源，补偿成分是流过电感L2的畸变电流ij，变流器2被控制为电流源，补偿成分包括负载的谐波电流ih、负载的无功电流Iq以及流过L2畸变电流ij，变流器3被控制为电压源，并且提供负载的基波电流I1。
图10示出根据本发明一实施例的有源电力滤波器的控制策略的方法流程图。本发明主要讲述APF模式和APF-VB模式的选择和切换，当检测装置检测到主电网出现电压暂降或者上升的幅值超过预设值时，补偿装置由APF模式转换到APF-VB模式。
S101：判断电网电压是否正常，若正常，进入步骤S102；若不正常，进入步骤S103。采用电压检测技术，检测接入的电网电压是否正常，本步骤中仅需能够判断电网电压是否正常即可，在此不做过多的限定。对于电压不正常的情况包括电压出现带有相角跳变电压暂降的情况或出现电压畸变的情况或电压上升的幅值超过预设值。此处的预设值可以是用户根据实际的使用情况自由设定的电压值，也可以系统的默认值。
S102：控制策略选择APF补偿模式。在判断电网电压正常，进入APF模式补偿时，控制断路器1和2在a、b、c三点工作，电感L1和L2均未接入到电路中，变流器1、2、3分别补偿谐波电流和无功电流的三分之一(参见图1和图2)。在APF补偿模式下，补偿电路对电网中非线性和无功负荷进行补偿。
S103：控制策略选择APF-VB补偿模式。对于APF-VB补偿模式，在判断电网电压出现带有相角跳变电压暂降时，控制断路器1和2由a、b、c切换到a’、b’、c’，电感L1和L2均接入到电路中；根据系统电压的幅值暂降和相角跳变情况，由改进型最小能量补偿法算出变流器1和变流器2需要补偿的电流，变流器3控制为电压源，确保敏感负载的优质供电(参见图1和图3)。在判断电网电压出现电压畸变时，控制断路器1保持在a、b、c处，断路器2切换到a’、b’、c’，电感L1未接入到电路中，而电感L2接入到电路中；根据系统电压的电压畸变情况，算出变流器1需要补偿的畸变电流，变流器2需要补偿负载的谐波电流和无功电流，变流器3控制为电压源，确保敏感负载的优质供电(参见图1和图9)。
在实际的电网环境中，电网电压可能会出现异常情况，本发明的补偿模式能够随着电网电压的状态进行平滑切换，从一种电流补偿模式切换到一种补偿电流和电压“混补”模式。在本发明中具体是指从APF补偿模式平滑切换到APF-VB补偿模式。
与现有APF技术相比，本发明的显著优点如下：拓展了APF的补偿功能，实现了DVR的补偿功能，即在补偿谐波电流和无功电流的同时，也可以补偿电网的电压暂降、电压上升以及电压畸变问题，针对带有相角跳变的电压暂降问题，相对DVR的最小能量补偿法，本发明采用的改进型最小能量补偿法具有以下优点：在补偿过程中，敏感负荷电压的幅值和相位均保持不变，大大提高了敏感和重要负荷用电的可靠性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种有源电力滤波器的控制策略，其特征在于，包括：
S101：判断电网电压是否正常，若正常，进入步骤S102，若不正常，进入步骤S103；
S102：通过将串联接入电网的第一电抗器(L1)和第二电抗器(L2)分别短接来选择APF补偿模式；设置三个变流器，其中第一变流器的输入连接于第一电抗器(L1)和第二电抗器(L2)之间，另外第二变流器和第三变流器并联且输入均连接于第二电抗器(L2)之后；三个变流器的输出并联；三个变流器分别补偿谐波电流和无功电流的三分之一，从而在电网电压正常的情况下对电网中非线性和无功负荷进行补偿；所述APF补偿模式补偿谐波电流和无功电流；
S103：在电网电压出现带有相角跳变电压暂降时，将第一电抗器(L1)和第二电抗器(L2)均接入到电路中，根据系统电压的幅值暂降和相角跳变情况，由改进型最小能量补偿法算出第一变流器和第二变流器需要补偿的电流，将第三变流器控制为电压源，确保敏感负载的优质供电；在电网电压出现电压畸变时，第一电抗器(L1)不接入到电路中，第二电抗器(L2)接入到电路中，根据系统电压的电压畸变情况，算出第一变流器需要补偿的畸变电流，第二变流器需要补偿负载的谐波电流和无功电流，第三变流器控制为电压源，确保敏感负载的优质供电。
2.一种有源电力滤波器补偿装置，其特征在于：
电网电压检测单元连接于电网，所述电网电压检测单元用于检测电网电压是否正常；
补偿模式选择单元连接于所述电网电压检测单元，所述补偿模式选择单元用于根据所述电网电压检测单元的检测结果选择不同的补偿模式；
包括串联接入电网的第一电抗器(L1)和第二电抗器(L2)以及三个变流器，其中第一变流器的输入连接于第一电抗器(L1)和第二电抗器(L2)之间，另外第二变流器和第三变流器并联且输入均连接于第二电抗器(L2)之后；三个变流器的输出并联；
所述补偿模式选择单元包括两个断路器，通过接入或者断开第一电抗器(L1)和第二电抗器(L2)来实现不同补偿模式；
所述补偿模式分为APF补偿模式和APF-VB补偿模式；
所述APF补偿模式，第一电抗器和第二电抗器均不接入到电路中，三个变流器分别补偿谐波电流和无功电流的三分之一，从而在电网电压正常的情况下对电网中非线性和无功负荷进行补偿；所述APF补偿模式补偿谐波电流和无功电流；
所述APF-VB补偿模式，在电网电压出现带有相角跳变电压暂降时，将第一电抗器和第二电抗器均接入到电路中，根据系统电压的幅值暂降和相角跳变情况，由改进型最小能量补偿法算出第一变流器和第二变流器需要补偿的电流，将第三变流器控制为电压源，确保敏感负载的优质供电；在电网电压出现电压畸变时，第一电抗器不接入到电路中，第二电抗器接入到电路中，根据系统电压的电压畸变情况，算出第一变流器需要补偿的畸变电流，第二变流器需要补偿负载的谐波电流和无功电流，第三变流器控制为电压源，确保敏感负载的优质供电。
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