CN106253284A - 一种基于端口电压检测的有源滤波器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于端口电压检测的有源滤波器装置及控制方法，本发明的主电路包含LCL滤波器以及IGBT变流器，而IGBT变流器由6个IGBT模块和直流侧的1个电容组成。检测变流器的直流侧电压，检测端口电压，提取指定次端口谐波电压幅值。谐波电流指令生成。检测交流侧电流。本发明所述的基于端口电压检测的新型有源滤波器装置。在成本方面，本发明只需要检测端口的电压，无需检测负载侧或者电源侧的电流，有效地降低器件成本；本发明控制策略中采用PI控制器，能对指定次谐波电压幅值进行无静差跟踪，提高指定次谐波补偿的精度。

Description

一种基于端口电压检测的有源滤波器及控制方法

技术领域

本发明属于电力系统的电能质量控制技术领域，具体涉及一种检测端口电压进行谐波补偿的装置及方法。

背景技术

近年来，随着电力电子器件和电力电子技术的发展，交流变频器、不间断电源、整流器等由电力电子器件构成的非线性负载大量接入电网，使得电网中电压电流波形发生畸变，引起电网电压波动、闪边和不平衡，造成电网的谐波污染越发严重。有源滤波器(activepower filter，APF)是一种可以动态抑制电网中谐波电流和补偿无功电流的新型电力电子装置。APF具有补偿实时性好，动态响应速度快，不易于电网中谐波电流发生谐振等优点，因此APF成为现今消除谐波的有效手段，在治理电能质量问题上大量使用。APF根据拓扑结构可分成串联有源滤波器，并联有源滤波器，串并联有源滤波器，其中并联型有源滤波器使用最为广泛。传统并联有源滤波器的控制方法是通过检测负载侧或电源侧谐波电流，通过变流器生成幅值相同，相位相差180度的指令谐波电流，从而实现非线性用电负载谐波电流的滤除功能。

然而，在一些工业场合存在无法检测负载电流或者源侧电流的情况，比如在油田钻井场合。而且随着光伏、风电等新能源投入，供用电系统逐渐复杂化，将呈现多供电电源、多用电负载的结构。系统中存在一条公共母线，而用电负载(供电电源)之间距离比较远，使得集中检测负载电流或电源电流变得十分困难，从而给传统的有源滤波器治理谐波污染增加了难度。如需使用传统控制方法达到消除谐波的作用，则需要在源处或者负载处安装并协调控制多台传统的有源滤波器。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于端口电压检测的新型有源滤波器装置及方法，该装置及方法能够实现低成本，效果好的谐波消去功能。

为达到上述目的，本发明所述的基于端口电压检测的新型有源滤波器采用以下技术手段：

一种基于端口电压检测的有源滤波器，包括，电力电子变流器、直流电容、交流侧滤波电感、交流电流采样电流、直流侧电压采样电路和控制电路，其特征在于，电力电子变流器直流侧连接有1个直流电容和直流侧电压采样电路；电力电子变流器交流侧连接有LCL滤波器、交流电流采样电路和端口电压采样电路，直流侧电压采样电路、交流电流采样电路和端口电压采样的输出端连接到控制电路，通过控制电路计算得到控制指令来控制变流器的运行。

通过端口电压采样电路检测有源滤波器交流侧端口电压。

一种基于端口电压检测的有源滤波器控制方法，包括以下步骤：

1)检测变流器的直流侧电压，获取检测到的直流侧电压与预设电压的差值，然后将获得的差值通过直流侧电压闭环控制得到基波电压有功指令U_{dc_a},U_{dc_b},U_{dc_c}；

2)检测端口电压，根据检测到的端口电压通过CLARK和PARK变化得到d,q轴坐标系下的d轴分量和q轴分量，再根据d轴分量和q轴分量与PARK变化给的θ角的关系，通过公式(1)提取指定次谐波电压相位和指定次谐波电流指令的相位；

3)提取指定次端口谐波电压幅值；由步骤2)可得指定次谐波电压相位，由此可得到幅值为1，相位与指定次谐波电压相等的正弦量，检测到的端口谐波电压通过乘上正弦量，将指定次谐波电压转化成直流量，然后通过低通滤波器，滤除其他交流分量得到指定次谐波电压的幅值；

4)谐波电流指令生成：将步骤3)得到的指定次谐波电压幅值与0作差，通过PI控制器，PI控制器能够实现对直流量的无静差跟踪，将PI控制器输出的量作为谐波电流指令的幅值，而步骤2)中得到的指定次谐波电流相位作为谐波电流指令的相位，两者相乘作为谐波电流指令；

5)检测交流侧电流：将步骤1)中的基波有功指令I_{dc_a},I_{dc_b},I_{dc_c}中和步骤4)中的谐波电流指令I_{har_a},I_{har_b},I_{har_c}相加得到电流指令，再经过电流闭环，使变流器输出指定次谐波。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于端口电压检测的新型有源滤波器装置。在成本方面，本发明只需要检测端口的电压，无需检测负载侧或者电源侧的电流，这样就可以有效地降低器件成本；在应用场合方面，本发明适用于无电流监测点的工业场合(如油田钻井场合)和具有公共母线的多源多负载系统，具有很高的工程实际应用意义；另外，在精度方面，本发明控制策略中采用PI控制器，能对指定次谐波电压幅值进行无静差跟踪，提高指定次谐波补偿的精度。

附图说明

图1为基于端口电压检测有源滤波器结构图

图2为基于端口电压检测有源滤波器控制框图

图3为谐波电流指令生成框图

图4为矢量关系图

图5为本发明的系统运行仿真波形

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的基于端口电压检测的新型有源滤波器装置由LCL滤波器、三相电力电子变流器、交流电流采样电路、端口电压采样电路、直流侧电压采样电流和控制电路组成。其中电力电子变流器直流侧连接有1个直流电容和直流侧电压采样电路；电力电子变流器交流侧连接有LCL滤波器、交流电流采样电路和端口电压采样电路。直流侧电压采样电路、交流电流采样电路和端口电压采样电流的输出端连接到控制电路，通过控制电路计算得到控制指令来控制变流器的运行。

本发明所述的基于端口电压检测的新型有源滤波器的控制方法包括以下步骤：

1)检测变流器的直流侧电压，获取检测到的直流侧电压与预设电压的差值，然后将获得的差值通过直流侧电压闭环控制得到基波有功指令I_{dc_a},I_{dc_b},I_{dc_c}。

2)检测端口电压，根据检测到的端口电压通过CLARK和PARK变化得到d,q轴坐标系下的d轴分量和q轴分量，再根据d轴分量和q轴分量与PARK变化给的θ角的关系，通过特定的算法提取指定次谐波电压相位和指定次谐波电流指令的相位。

3)提取指定次端口谐波电压幅值。由步骤2)可得指定次谐波电压相位，由此可得到幅值为1，相位与指定次谐波电压相等的正弦量。检测到的端口谐波电压通过乘上正弦量，将指定次谐波电压转化成直流量，然后通过低通滤波器，滤除其他交流分量得到指定次谐波电压的幅值。

4)谐波电流指令生成。将步骤3)得到的指定次谐波电压幅值与0作差，通过PI控制器，理论上，PI控制器能够实现对直流量的无静差跟踪。然后将PI控制器输出的量作为谐波电流指令的幅值，而步骤2)中得到的指定次谐波电流相位作为谐波电流指令的相位，两者相乘作为谐波电流指令I_{har_a},I_{har_b},I_{har_c}。

5)检测交流侧电流。将步骤1)中的基波有功指令I_{dc_a},I_{dc_b},I_{dc_c}中和步骤4)中的谐波电流指令I_{har_a},I_{har_b},I_{har_c}相加得到电流指令，再经过电流闭环，使变流器输出指定次谐波。

步骤1)的具体操作为：

基于端口电压检测的有源滤波器装置上电开机后，控制电路封锁变流器的脉冲，变流器处于不控整流状态。此时直流侧电压采样电路采取直流侧电压，与设定的电压进行作差，将获得的差值通过直流侧电压闭环控制得到基波有功指令I_{dc_a},I_{dc_b},I_{dc_c}。

步骤2)的具体操作为：

①检测端口电压，得到端口的a相电压U_{pcc_a},b相电压U_{pcc_b}和c相电压U_{pcc_c},将得到的a相电压U_{pcc_a},b相电压U_{pcc_b}和c相电压U_{pcc_c}依次进行CLARKE变换、PARK变换以及低通滤波器滤波处理，得到指定次端口电压在d,q轴坐标系下的d轴分量和q轴分量由此可得到图4中各个矢量相位关系，具体如式(1)所示。根据式(1)、图3和图4，可求出指定次端口电压的相位和指定次谐波电流指令的相位。

步骤3)的具体操作为：

①提取指定次端口谐波电压幅值，端口电压含有大量谐波如式(2)。由步骤2)可得指定次谐波电压相位，由此可得到幅值为1，相位与指定次谐波电压相等的正弦量。然后根据式(3)，将检测到的端口谐波电压通过乘上指定次频率的正弦量(以k次频率为例)，将指定次谐波电压转化成直流量，然后通过低通滤波器，滤除其他交流分量得到指定次谐波电压的幅值。

U_pcc＝U₁ sin(ω₁t+θ₁)+U₂ sin(ω₂t+θ₂)+…U₅ sin(ω₅t+θ₅)+…(2)

$\begin{array}{c}{U}_{pcc}\×\sin ({\mathrm{\ω}}_{5}t+{\mathrm{\θ}}_5)\\ =U_5\sin ({\mathrm{\ω}}_{5}t+{\mathrm{\θ}}_5)\×\sin ({\mathrm{\ω}}_{5}t+{\mathrm{\θ}}_5)+\left(U_1\sin \right({\mathrm{\ω}}_{1}t+{\mathrm{\θ}}_1)+\\ U_2\sin ({\mathrm{\ω}}_{2}t+{\mathrm{\θ}}_2)+\mathrm{...})\×\sin ({\mathrm{\ω}}_{5}t+{\mathrm{\θ}}_5)\\ =\frac{U_5}{2}-\frac{U_5}{2}\cos (2{\mathrm{\ω}}_{5}t+2{\mathrm{\θ}}_5)+\frac{1}{2}\left(U_1\cos \right(\left({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_5\right)t+{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_5)-\\ U_1\cos \left(\right({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_5)t+{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_5)+\mathrm{...})\end{array}---\left(3\right)$

步骤4)的具体操作为：

通过步骤3)得到的指定次谐波电压幅值，当APF能完全将指定次谐波补偿掉，则谐波源产生的谐波将不会流入电网，此时端口指定次电压的幅值为0。因此，使检测到的指定次谐波电压幅值与0作差，通过PI控制器，理论上，PI控制器能够实现对直流量的无静差跟踪。然后将PI控制器输出的量作为谐波电流指令的幅值，而步骤2)中得到的指定次谐波电流相位作为谐波电流指令的相位，两者相乘作为谐波电流指令I_{har_a},I_{har_b},I_{har_c}。

步骤5)的具体操作为：

①将步骤1)中的基波有功指令I_{dc_a},I_{dc_b},I_{dc_c}中和步骤4)中的谐波电流指令I_{har_a},I_{har_b},I_{har_c}相加得到电流指令，再经过电流闭环，使变流器输出指定次谐波I_a ^*,I_b ^*,I_c ^*。

②将所得的电流指令I_a ^*,I_b ^*,I_c ^*,与检测回来的交流电流作差，其差作为P控制器的输入，将P控制器的输出通过变流器输出指令电流。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于端口电压检测的有源滤波器，包括，电力电子变流器、直流电容、交流侧滤波电感、交流电流采样电流、直流侧电压采样电路和控制电路，其特征在于，电力电子变流器直流侧连接有1个直流电容和直流侧电压采样电路；电力电子变流器交流侧连接有LCL滤波器、交流电流采样电路和端口电压采样电路，直流侧电压采样电路、交流电流采样电路和端口电压采样的输出端连接到控制电路，通过控制电路计算得到控制指令来控制变流器的运行。

2.根据权利要求1所述的基于端口电压检测的有源滤波器，其特征在于，通过端口电压采样电路检测有源滤波器交流侧端口电压。

3.一种基于端口电压检测的有源滤波器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测变流器的直流侧电压，获取检测到的直流侧电压与预设电压的差值，然后将获得的差值通过直流侧电压闭环控制得到基波电压有功指令U_{dc_a},U_{dc_b},U_{dc_c}；

2)检测端口电压，根据检测到的端口电压通过CLARK和PARK变化得到d,q轴坐标系下的d轴分量和q轴分量，再根据d轴分量和q轴分量与PARK变化给的θ角的关系，通过公式(1)提取指定次谐波电压相位和指定次谐波电流指令的相位；

3)提取指定次端口谐波电压幅值；由步骤2)可得指定次谐波电压相位，由此可得到幅值为1，相位与指定次谐波电压相等的正弦量，检测到的端口谐波电压通过乘上正弦量，将指定次谐波电压转化成直流量，然后通过低通滤波器，滤除其他交流分量得到指定次谐波电压的幅值；

4)谐波电流指令生成：将步骤3)得到的指定次谐波电压幅值与0作差，通过PI控制器，PI控制器能够实现对直流量的无静差跟踪，将PI控制器输出的量作为谐波电流指令的幅值，而步骤2)中得到的指定次谐波电流相位作为谐波电流指令的相位，两者相乘作为谐波电流指令；

5)检测交流侧电流：将步骤1)中的基波有功指令I_{dc_a},I_{dc_b},I_{dc_c}中和步骤4)中的谐波电流指令I_{har_a},I_{har_b},I_{har_c}相加得到电流指令，再经过电流闭环，使变流器输出指定次谐波。