CN106356851A - 单相有源电力滤波器及其复合检测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单相有源电力滤波器及其复合检测控制方法，其中单相有源电力滤波器包括扩展二维检测单元、直流侧电压跟踪单元、特定次谐波检测单元、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路；扩展二维检测单元设置微分跟踪器，微分跟踪器以对负载侧电流作带有滤波效果的光滑趋近为输出，扩展二维检测单元根据微分跟踪器的输出检测负载电流中的基波；直流侧电压跟踪单元根据直流侧电压和电压参考值，输出对直流侧电压的跟踪结果；特定次谐波检测单元采集电网侧电流，并输出特定次谐波；电流跟踪控制电路根据所述负载电流中的基波、对直流侧电压的跟踪结果和特定次谐波向驱动电路输出跟踪电流。

Description

单相有源电力滤波器及其复合检测控制方法

技术领域

本发明涉及一种单相有源电力滤波器及其复合检测控制方法。

背景技术

有源电力滤波器的谐波治理能力直接取决于谐波电流检测的精确性。现有控制算法多是将单相扩展成三相，然后运用瞬时无功功率理论进行运算，得到谐波电流参考值。事实上，单相谐波电流检测算法还有更简单的扩展二维检测法，但是由于该算法需要求导，而在控制器中求导是很难的。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种单相有源电力滤波器及其复合检测控制方法，采用微分跟踪器对信号作光滑趋近，替代传统的求导过程；对传统扩展二维检测方法进行改进。得到了特定次谐波检测法，加强了谐波治理效果。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种单相有源电力滤波器复合检测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对负载侧电流进行扩展二维检测，输出负载电流的基波；

根据直流侧电压和电压参考值，调节直流侧电压，并输出对直流侧电压的跟踪结果；

将所述负载电流的基波与对直流侧电压的跟踪结果相减，得到二者的差值；

对电网侧电流进行特定次谐波检测，输出该特定次谐波；

将所述二者差值与特定次谐波相加，得到参考电流；

采集电网侧补偿电流，并将电网侧补偿电流与所述参考电流相减，对所述相减值进行PWM调制；

将经PWM调制后的信号进行放大得到驱动信号；

所述驱动信号驱动主电路向电网侧输出补偿电流，同时输出直流侧电压。

对负载侧电流进行扩展二维检测过程中，采用微分跟踪方法处理信号求导过程。

通过构造向量对电网侧电流进行特定次谐波检测，体方法为：

构造以电网侧电流和中间量为元素的第一向量；

构造以m次单位正弦信号、m次单位余弦信号为元素的第二向量；

构造以m次单位余弦信号、m次单位正弦信号的相反数为元素的第三向量；

对第一向量和第二向量作点积，得到第一直流分量；

对第一向量和第三向量作点积，得到第二直流分量；

构造以所述第一直流分量和第二直流分量为元素的第四向量；

对第二向量和第四向量作点积，得到m次谐波。

一种基于复合检测控制的单相有源电力滤波器，包括：扩展二维检测单元、直流侧电压跟踪单元、特定次谐波检测单元、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路；扩展二维检测单元设置微分跟踪器，微分跟踪器采集负载侧电流，以对负载侧电流作带有滤波效果的光滑趋近为输出，扩展二维检测单元根据微分跟踪器的输出检测负载电流中的基波；直流侧电压跟踪单元根据直流侧电压和电压参考值，输出对直流侧电压的跟踪结果；特定次谐波检测单元采集电网侧电流，并输出特定次谐波；电流跟踪控制电驱动电路根据所述负载电流中的基波、对直流侧电压的跟踪结果和特定次谐波向驱动电路输出跟踪电流，驱动电路根据跟踪电流输出驱动信号控制主电路向电网侧输出补偿电流。

所述电流跟踪控制电路采集电网侧补偿电流，将补偿电流与参考电流相减，对所述相减值进行PWM调制，并将调制结果输出给驱动电路；所述参考电流根据负载电流的基波、对直流侧电压的跟踪结果以及特定次谐波计算得到。

所述跟踪微分器具有两个输出端口，端口1用于跟踪输入信号，并对输入信号作带有滤波效果的光滑趋近，端口2输出输入信号的广义导数，所述端口1与扩展二维检测器连接。

所述跟踪微分器具有可调参数R，根据有源电力滤波器的滤波上限频率定义可调参数R的值。

微分跟踪器为线性跟踪微分器，用于提高电路响应时间。

主电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。

本发明的有益效果：

(1)采用跟踪微分器对电网侧电流作带有滤波效果的光滑趋近替代传统的求导过程，具有实用性；

(2)对传统的扩展二维检测进行改进，使其可以针对特定次谐波进行检测；

(3)采用传统扩展二维检测，并针对特定次谐波检测的复合检测控制方法，不仅可以检测电路的基波，还可以检测特定谐波。

附图说明

图1为本发明改进的扩展二维检测控制方法的单相有源电力滤波器示意图；

图2为本发明微分跟踪器的示意图；

图3为本发明MATLAB仿真示意图；

图4为本发明采用MATLAB仿真：未经任何处理的负载电流结果；

图5为本发明采用MATLAB仿真：只使用扩展二维法的网侧电流模拟结果；

图6为本发明采用MATLAB仿真：特定次谐波检测法的网侧电流模拟结果；

图7为本发明采用MATLAB仿真：采用复合检测控制法的网侧电流模拟结果；

图8为本发明采用复合检测控制法的网侧电流。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

传统的扩展二维检测法的原理是：将检测到的一维信号扩展到二维空间，从而利用正交性得到基波，进而得到谐波分量。

电网电压和电流通常是周期量，且没有直流分量，可以进行傅里叶分解。

式中 w＝2π/T。

对f(t)求导

一般情况下，频率已知且变化极小，令

构造向量F＝[f(t),g(t)]，同时定义F₁＝(sinωt,cosωt)，F₂＝(cosωt,-sinωt)。利用点乘，可得

可以看到，结果中既有直流分量，又有谐波分量。滤除谐波分量，即可得到直流分量，从而可得基波分量，进而得到谐波分量。

$\begin{array}{c}{f}_h\left(t\right)=f\left(t\right)-f_f\left(t\right)\\ =f\left(t\right)-\sqrt{P_1^2+P_2^2}\sin \[\mathrm{\ω}t+\arctan (P_2/P_1)\]\end{array}---\left(7\right)$

本发明提出了以改进的扩展二维检测为主，以特定次谐波检测加强谐波治理效果的一种单相有源电力滤波器的复合检测控制方法，包括以下步骤：

对负载侧电流进行扩展二维检测，输出负载电流的基波；

根据直流侧电压和电压参考值，调节直流侧电压，并输出对直流侧电压的跟踪结果；

将所述负载电流的基波与对直流侧电压的跟踪结果相减，得到二者的差值；

对电网侧电流进行特定次谐波检测，输出该特定次谐波；

将所述二者差值与特定次谐波相加，得到参考电流；

采集电网侧补偿电流，并将电网侧补偿电流与所述参考电流相减，对所述相减值进行PWM调制；

将经PWM调制后的信号进行放大得到驱动信号；

所述驱动信号驱动主电路向电网侧输出补偿电流，同时输出直流侧电压。

对负载侧电流进行扩展二维检测过程中，采用微分跟踪方法处理信号求导过程。

通过构造向量对电网侧电流进行特定次谐波检测，体方法为：

构造以电网侧电流和中间量为元素的第一向量；

构造以m次单位正弦信号、m次单位余弦信号为元素的第二向量；

构造以m次单位余弦信号、m次单位正弦信号的相反数为元素的第三向量；

对第一向量和第二向量作点积，得到第一直流分量；

对第一向量和第三向量作点积，得到第二直流分量；

构造以所述第一直流分量和第二直流分量为元素的第四向量；

对第二向量和第四向量作点积，得到m次谐波。

假设待检测的谐波为m次，则输入信号可以写成如下形式

定义

构造向量

$\stackrel{\→}{F}=\[f\left(t\right),g\left(t\right)\]---\left(10\right)$

式中为一未知角度。作点积

滤除结果中的谐波分量，构造

作点积即可得到m次谐波分量。

如图1所示，一种基于复合检测控制的单相有源电力滤波器，包括：扩展二维检测单元、直流侧电压跟踪单元、特定次谐波检测单元、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路；扩展二维检测单元设置微分跟踪器，微分跟踪器采集负载侧电流，以对负载侧电流作带有滤波效果的光滑趋近为输出，扩展二维检测单元根据微分跟踪器的输出检测负载电流中的基波；直流侧电压跟踪单元根据直流侧电压和电压参考值，输出对直流侧电压的跟踪结果；特定次谐波检测单元采集电网侧电流，并输出特定次谐波；电流跟踪控制电驱动电路根据所述负载电流中的基波、对直流侧电压的跟踪结果和特定次谐波向驱动电路输出跟踪电流，驱动电路根据跟踪电流输出驱动信号控制主电路向电网侧输出补偿电流。

所述电流跟踪控制电路采集电网侧补偿电流，将补偿电流与参考电流相减，对所述相减值进行PWM调制，并将调制结果输出给驱动电路；所述参考电流根据负载电流的基波、对直流侧电压的跟踪结果以及特定次谐波计算得到。

所述跟踪微分器具有两个输出端口，端口1用于跟踪输入信号，并对输入信号作带有滤波效果的光滑趋近，端口2输出输入信号的广义导数，所述端口1与扩展二维检测器连接。

如图2所示，跟踪微分器是这样一种机构：输入信号v(t)，可以输出两个信号z₁和z₂。其中z₁是输入信号v(t)的光滑逼近，z₂是v(t)的广义导数，即z₁的导数。该求导过程可以避免高频噪声及不可导点的影响。

对如下系统

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_1\left(t\right)=x_2\left(t\right)\\ {\stackrel{\·}{x}}_2\left(t\right)=f\left(x_1\right(t),x_2(t\left)\right)\end{array}\right.---\left(17\right)$

跟踪微分器的一般形式为

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1\left(t\right)=z_2\left(t\right)\\ {\stackrel{\·}{z}}_2\left(t\right)=R^{2}f\left(z_1\right(t)-v(t),z_2(t)/R)\end{array}\right.---\left(18\right)$

本设计使用的是线性跟踪微分器

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{z}}_1\left(t\right)=z_2\left(t\right)\\ {\stackrel{\·}{z}}_2\left(t\right)=R^2\[-5\left(z_1\right(t)-v(t\left)\right)-2z_2\left(t\right)/R\]\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中R是可调参数，决定了跟踪微分器的滤波特性。有源电力滤波器的开关频率为20KHz，其能够滤除的谐波频率上限为10KHz。根据跟踪微分器的传函可求得R。

$G\left(s\right)=\frac{5R^2}{s^2+2Rs+5R^2}---\left(20\right)$

令s＝jω

$G\left(j\mathrm{\ω}\right)=\frac{5R^2}{5R^2-{\mathrm{\ω}}^2+j2\mathrm{\ω}R}---\left(21\right)$

A(ω)＝|G(jω)| (22)

L(ω)＝20lgA(ω)| (23)

令L(ω)＝-3dB，将ω＝10000Hz代入求得R＝3367.

微分跟踪器为线性跟踪微分器，用于提高电路响应时间。

主电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。

为了验证该设计的实用性，在MATLAB仿真平台进行了仿真实验。图3为matlab仿真模型，图4为未经处理的负载电流，此时的总谐波畸变率为24.29％；图5为使用传统扩展二维法的网侧电流，此时的总谐波畸变率为1.16％；图6为只使用特定次谐波检测法的网侧电流，此时的总谐波畸变率为6.24％；图7为复合控制下的网侧电流。经使用该设计的有源电力滤波器处理后，网侧电流的总谐波畸变率降为0.68％，达到了理想的控制效果。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种单相有源电力滤波器复合检测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

对负载侧电流进行扩展二维检测，输出负载电流的基波；

根据直流侧电压和电压参考值，调节直流侧电压，并输出对直流侧电压的跟踪结果；

将所述负载电流的基波与对直流侧电压的跟踪结果相减，得到二者的差值；

对电网侧电流进行特定次谐波检测，输出该特定次谐波；

将所述二者差值与特定次谐波相加，得到参考电流；

采集电网侧补偿电流，并将电网侧补偿电流与所述参考电流相减，对所述相减值进行PWM调制；

将经PWM调制后的信号进行放大得到驱动信号；

所述驱动信号驱动主电路向电网侧输出补偿电流，同时输出直流侧电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对负载侧电流进行扩展二维检测过程中，采用微分跟踪方法处理信号求导过程。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过构造向量对电网侧电流进行特定次谐波检测。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过构造向量对电网侧电流进行特定次谐波检测的具体方法为：

构造以电网侧电流和中间量为元素的第一向量；

构造以m次单位正弦信号、m次单位余弦信号为元素的第二向量；

构造以m次单位余弦信号、m次单位正弦信号的相反数为元素的第三向量；

对第一向量和第二向量作点积，得到第一直流分量；

对第一向量和第三向量作点积，得到第二直流分量；

构造以所述第一直流分量和第二直流分量为元素的第四向量；

对第二向量和第四向量作点积，得到m次谐波。

5.一种基于权利要求1所述的单相有源电力滤波器，其特征在于，包括：扩展二维检测单元、直流侧电压跟踪单元、特定次谐波检测单元、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路；扩展二维检测单元设置微分跟踪器，微分跟踪器采集负载侧电流，以对负载侧电流作带有滤波效果的光滑趋近为输出，扩展二维检测单元根据微分跟踪器的输出检测负载电流中的基波；直流侧电压跟踪单元根据直流侧电压和电压参考值，输出对直流侧电压的跟踪结果；特定次谐波检测单元采集电网侧电流，并输出特定次谐波；电流跟踪控制电路根据所述负载电流中的基波、对直流侧电压的跟踪结果和特定次谐波向驱动电路输出跟踪电流，驱动电路根据跟踪电流输出驱动信号控制主电路向电网侧输出补偿电流。

6.根据权利要求5所述的单相有源电力滤波器，其特征在于：所述电流跟踪控制电路采集电网侧补偿电流，将补偿电流与参考电流相减，对所述相减值进行PWM调制，并将调制结果输出给驱动电路；所述参考电流根据负载电流的基波、对直流侧电压的跟踪结果以及特定次谐波计算得到。

7.根据权利要求5所述的单相有源电力滤波器，其特征在于：所述跟踪微分器具有两个输出端口，端口1用于跟踪输入信号，并对输入信号作带有滤波效果的光滑趋近，端口2输出输入信号的广义导数，所述端口1与扩展二维检测器连接。

8.根据权利要求5所述的单相有源电力滤波器，其特征在于，所述跟踪微分器具有可调参数R，根据有源电力滤波器的滤波上限频率定义可调参数R的值。

9.根据权利要求5所述的单相有源电力滤波器，其特征在于：微分跟踪器为线性跟踪微分器，用于提高电路响应时间。

10.根据权利要求5所述的单相有源电力滤波器，其特征在于，主电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。