CN106786661A - 基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂apf - Google Patents

基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂apf Download PDF

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Abstract

本发明涉及三相四线制有源电力滤波装置，尤其是基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，本发明解决的技术问题是中线上积累大量无序电流，造成电网的安全隐患，消除误差，抗干扰能力差，响应速度慢等问题，本发明技术方案主要包括检测电路用于检测直流侧电压和中线电流，单周控制电路控制占空比也是核心部分，驱动单元驱动功率开关，逆变单元连接电网，输出所需补偿的电流回馈给电网，第四桥臂与负载中性点连接，为中线电流提供通路，可补偿三相电流和中线上的零序电流，具有输入输出隔离，动态响应快，加有硬件死区电路，能够防止同一桥臂的两功率管同时导通，装置整体结构简单，移植性强，四桥臂通过电感接入电网，经控制得到目标方程。

Description

基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF
技术领域
本发明涉及三相四线制有源电力滤波装置，尤其是基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展，大量电力电子装置应用于电力系统中，由于其本身的非线性，大多数电力电子设备功率因数低，加之电力系统中还存在的大量的低功率因数，冲击性负载，它们的存在降低了电能的利用率，严重影响了电能质量。因此，有效地抑制系统谐波以及补偿系统的无功功率便成了解决这一问题的关键技术之一，有源电力滤波器便这样应运而生了。
目前，随着大功率非线性负荷在三相四线制系统中逐渐增多，中线上积累了大量的零序电流，使得电气设计的合格率严重下降，大量的无功功率和谐波也给电网造成了重大的安全隐患。传统的三相三桥臂主电路拓扑结构的APF通常只能在三相三线制系统中应用，针对平衡负载。然而在实际应用中大多为三相四线制系统，大量的三相四线制、不平衡系统的存在，使其中零线电流也产生较大危害，在这种情况下，传统三相三桥臂APF就无法使用，必须用新型的三相四桥臂APF。同时，传统的控制方方程基于瞬时无功功率理论，利用线性反馈控制来控制开关占空比，以消除误差，系统抗干扰能力差，响应速度慢。
综上，现有电子装置中存在电能利用率低，电能质量低的问题，现有三相四线制系统中中线上积累大量无序电流，造成电网的安全隐患，传统装置中消除误差，抗干扰能力和响应速度都比较差，在三相四线制系统中抑制系统谐波及补偿无功率尤为重要。
发明内容
针对各种要求，本发明设计了基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，该装置结构简单，能实现各要求的功能。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，包括：
检测电路：连接三相交流电源，用于检测直流侧电容电压以及三相和中线电流；
单周控制单元：用于控制开关占空比，使在每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，单周控制技术是一种非线性控制技术，无论是稳态还是暂态，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定的值，即能在一个开关周期内有效抵制电网侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，因而实现了快速跟踪，在负载不平衡和负载功率较大的情况下仍能够有效地实现补偿谐波、零序和无功电流；
驱动单元：用于驱动功率开关管，采用TLP250驱动，具有输入输出隔离，开关速度快，开关速度快；
逆变单元：由逆变器连接于电网，用于输出所需补偿的电流回馈给电网，补偿系统的谐波、零序和无功电流，其中第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，能够补偿三相电流，也能够补偿中线中的零序电流；
所述检测电路、单周控制单元、驱动单元和逆变单元依次连接，所述单周控制单元和驱动单元之间加有硬件死区电路，所述单周控制器安装在三相及中线上；
进一步地，所述检测电路中包括电流隔离检测电路、直流偏置电路和直流侧电容电压采样电路；
进一步地，所述电流隔离检测电路包括稳压芯片7805、集成隔离放大器HCPL7840和第一运算放大器LM358，所述稳压芯片7805的接地端与输入端接有电容，接地端与输出端接有电容，输入端接15伏电源，输出端接在集成隔离放大器HCPL7840的一端口处，所述第一运算放大器LM358的二端口和三端口分别通过电阻连接在HCPL7840的第七端口和第六端口，所述LM358的三端口和一端口间并联有电阻和电容，八端口接5伏电源，四端口接地，所述7840二端口接电容后接地，三端口和四端口接地，八端口接5伏电源并与五端间接有电容，五端口处接地；
进一步地，所述直流偏置电路包括稳压源TL431和第二运算放大器LM358，所述TL431正极接电阻接15伏电源，负极接地，所述第二运算放大器LM358的三端口接电容后接地，三端口接电阻后接于TL431，二端口接于一端口，四端口接5伏电源，八端口接地；
进一步地，所述直流侧电容电压采样电路包括霍尔传感器CHV-25P，所述霍尔传感器CHV-25P的+Hr接电阻为输入正，-Hr为输入负，M端口接电阻为输出端，电阻两端并联电容和电阻后接地。
进一步地，所述单周控制单元包括电压比较器、RS触发器、积分器、PI调节器和时钟电路，所述电压比较器电连接于RS触发器R端口，正极为输入端，负极接于积分器，所述积分器电连接于PI调节器，所述PI调节器电连接于电网中，所述时钟电路为555时钟发生电路，接在RS触发器S端；
进一步地，所述积分器包括第三运算放大器LM358和CD4066，所述第三运算放大器LM358正极接电阻R后接Um，负极接电阻后接在CD4066一端，所述CD4066另一端接于电阻R右侧，正极与输出端之间串联有电阻，负极与输出端之间有电阻，所述积分器输出端满足：所述PI调节器包括第四运算放大器LM358，所述第四运算放大器LM358的正极接电阻后接kUc，负极接电阻后接Uref，负极和输出口并联有电阻和电容，正极处连接电容后接地。
进一步地，所述驱动模块采用TLP250驱动电路。
进一步地，所述积分器为带复位功能的。
本发明的有益效果是：
一、由于将第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，因此能够补偿三相电流，也能够补偿中线中的零序电流、无功电流和谐波；
二、由于采用TLP250驱动，因此具有输入输出隔离，开关速度快，动态响应快；
三、由于三相及中线各需要一个单周控制器，每个单周控制器输出两路加入死区时间的互补信号通过TLP250驱动对应的上、下桥臂，逆变器输出所需要补偿的电流回馈给电网，因此使得电网电流快速准确地跟踪电网电压变化，能有效地补偿系统谐波、零序和无功电流；
四、由于该装置整体结构简单，移植性强，因此该系统应用广泛，可同时适用于平衡、不平衡负载系统和负载功率较大的场合；
五、由于系统在三相三桥臂的基础上增加了一个与负载中性点相连的桥臂，四个桥臂分别通过电感接入电网，经过控制所得的控制方程，搭建单周控制电路，因此可获得所要达到的目标方程，确定电路参数。
附图说明
图1是系统整体框图。
图2是线性光耦电网电流隔离检测电路。
图3是直流偏置电路。
图4是直流侧电容电压采样电路。
图5是RS触发器及其时序图。
图6是可复位积分器。
图7是模拟PI调节器。
图8是555时钟发生电路。
图9是TLP250驱动电路。
图10是单周控制三相四桥臂APF开关周期平均模型。
图11是单周控制器单相等效模型及工作过程分析。
图12是补偿前a相电压电流。
图13是补偿后a相电压电流。
图14是补偿前中线电流。
图15是补偿后中线电流。
图16是四桥臂逆变器与电网连接图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明进行详细说明。
本发明公开的基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，包括：
结合图1说明：
检测电路：连接三相交流电源，用于检测直流侧电容电压以及三相和中线电流；
单周控制单元：用于控制开关占空比，使在每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，单周控制技术是一种非线性控制技术，无论是稳态还是暂态，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定的值，即能在一个开关周期内有效抵制电网侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，因而实现了快速跟踪，在负载不平衡和负载功率较大的情况下仍能够有效地实现补偿谐波、零序和无功电流；
驱动单元：用于驱动功率开关管，采用TLP250驱动，具有输入输出隔离，开关速度快，开关速度快；
逆变单元：由逆变器连接于电网，用于输出所需补偿的电流回馈给电网，补偿系统的谐波、零序和无功电流，其中第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，能够补偿三相电流，也能够补偿中线中的零序电流；
所述检测电路、单周控制单元、驱动单元和逆变单元依次连接，所述单周控制单元和驱动单元之间加有硬件死区电路，所述单周控制器安装在三相及中线上；
结合图2、图3和图4说明：
所述检测电路中包括电流隔离检测电路、直流偏置电路和直流侧电容电压采样电路；
所述电流隔离检测电路包括稳压芯片7805、集成隔离放大器HCPL7840和第一运算放大器LM358，所述稳压芯片7805的接地端与输入端接有电容，接地端与输出端接有电容，输入端接15伏电源，输出端接在集成隔离放大器HCPL7840的一端口处，所述第一运算放大器LM358的二端口和三端口分别通过电阻连接在HCPL7840的第七端口和第六端口，所述LM358的三端口和一端口间并联有电阻和电容，八端口接5伏电源，四端口接地，所述7840二端口接电容后接地，三端口和四端口接地，八端口接5伏电源并与五端间接有电容，五端口处接地；
所述直流偏置电路包括稳压源TL431和第二运算放大器LM358，所述TL431正极接电阻接15伏电源，负极接地，所述第二运算放大器LM358的三端口接电容后接地，三端口接电阻后接于TL431，二端口接于一端口，四端口接5伏电源，八端口接地；
所述直流侧电容电压采样电路包括霍尔传感器CHV-25P，所述霍尔传感器CHV-25P的+Hr接电阻为输入正，-Hr为输入负，M端口接电阻为输出端，电阻两端并联电容和电阻后接地。
结合图5、图6、图7和图8说明：
所述单周控制单元包括电压比较器、RS触发器、积分器、PI调节器和时钟电路，所述电压比较器电连接于RS触发器R端口，正极为输入端，负极接于积分器，所述积分器电连接于PI调节器，所述PI调节器电连接于电网中，所述时钟电路为555时钟发生电路，接在RS触发器S端；
所述积分器包括第三运算放大器LM358和CD4066，所述第三运算放大器LM358正极接电阻R后接Um，负极接电阻后接在CD4066一端，所述CD4066另一端接于电阻R右侧，正极与输出端之间串联有电阻，负极与输出端之间有电阻，所述积分器输出端满足：所述PI调节器包括第四运算放大器LM358，所述第四运算放大器LM358的正极接电阻后接kUc，负极接电阻后接Uref，负极和输出口并联有电阻和电容，正极处连接电容后接地。
结合图9说明：
所述驱动模块采用TLP250驱动电路。
所述积分器为带复位功能的。
结合图10和图11所示说明控制单元：
单周控制APF开关周期平均模型。假设变换器工作于连续导电模式(ContinuousConduction Mode CCM)，三相系统对称且开关频率远高于线性频率，在每一个开关周期，节点A、B、C相对于变换器直流侧电容负端节点N的平均电压可以写为
方程中Dan、Dbn、Dcn、D0n分别为四个下桥臂开关管San、Sbn、Scn、S0n的占空比，从方程(1)可以推导出
节点A、B、C相对于中性点0的平均电压矢量分别等于三相电压矢量减去APF接入电感上的电压降，可以得到
其中，L是接入电感的电感值(假设接入电网的四个电感值相等)，ω是电网的线性角频率，因电感处于高频电路中，接入电感值取得非常小，所以在50Hz工频系统中，接入电感压降远小于相电压，因此可以忽略不计，方程(3)可近似简化为
由方程(2)、(4)可得
对于三相对称系统有
ua+ub+uc＝0 (6)
由方程(5)、(6)可得
将方程(7)代入方程(5)，简化可得
此方程给出了三相开关管占空比和三相电压之间的关系。可以看出，方程的系数矩阵为奇异矩阵，有无穷多解，可以假设方程的解为
将方程(9)代入方程(8)可得：K2＝-1，K1可以取任何值。所以有
为了实现单位功率因数，输入电压需满足
其中Re为每相等效电阻。将方程(11)代入方程(10)，方程两端同时乘以电流检测电阻Rs，并记um＝RsK1Uc/Re，再结合(7)方程，得到
在每个开关周期内，近似认为电网输入电流和um保持不变，对方程(12)在一个开关周期内积分，得到
其中Ts为开关周期，Ti为积分常数，且Ti＝K1Ts。方程(13)即是实现最终控制目标的关键方程。由于开关占空比在[0,1]之间，将K1＝Ti/Ts带入方程(10)，可知
由于0<Dan<1，所以
因为ua为正弦量，所以方程应该分别取左右两边的极限值为边界条件，即
其中，uamax为正弦波波峰值，约311V，而uamin为正弦波波谷值，约-311V，电容上预充电电压Uc为800V，可知0.4Ts<Ti<0.6Ts，仿真得知，Ti取0.5Ts时，补偿效果最好。所以得到最终的控制目标方程为
方程(17)描述了电网电流、开关占空比和电压调节器输出三个量之间的关系，是单周控制的目标控制方程。而方程(13)是实现这一目标的关键控制方程，所以，根据方程(13)可知，只要控制四相变流器的开关管，使得开关占空比、电压调节器输出和三相电网电流满足方程(17)就能实现APF的有效补偿，这个控制方程可以用带复位的积分器、比较器、触发器和时钟等模拟器件实现。
结合图12、图13、图14和图15说明：
补偿后的a相电流比补偿前的a相电流幅度降低，补偿后的中线电流比补偿前的中线电流更平稳。
结合图16所示对四桥臂逆变单元说明，为了补偿中线上的电流，三相四桥臂逆变器在三相三桥臂的基础上增加了一个与负载中性点相连的桥臂，四个桥臂分别通过电感接入电网，经过控制所得控制方程，搭建单周控制电路，根据所要达到的目标方程，确定电路参数。三相及中线各需要一个单周控制器，每个单周控制器输出两路加入死区时间的互补信号通过TLP250驱动对应的上、下桥臂，逆变器输出所需要补偿的电流回馈给电网，使得电网电流快速准确地跟踪电网电压变化，能有效地补偿系统谐波、零序和无功电流。
以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (5)

1.基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，包括：
检测电路：连接三相交流电源，用于检测直流侧电容电压以及三相和中线电流；
单周控制单元：用于控制开关占空比，使在每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成比例；
驱动单元：用于驱动功率开关管，采用TLP250驱动；
逆变单元：由逆变器连接于电网，用于输出所需补偿的电流回馈给电网，补偿系统的谐波、零序和无功电流，其中第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，能够补偿三相电流和中线中的零序电流；
所述检测电路、单周控制单元、驱动单元和逆变单元依次连接，所述单周控制单元和驱动单元之间加有硬件死区电路，所述单周控制器安装在三相及中线上。
2.根据权利要求1所述的基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，
所述检测电路中包括电流隔离检测电路、直流偏置电路和直流侧电容电压采样电路；
所述电流隔离检测电路包括稳压芯片7805、集成隔离放大器HCPL7840和第一运算放大器LM358，所述稳压芯片7805的接地端与输入端接有电容，接地端与输出端接有电容，输入端接15伏电源，输出端接在集成隔离放大器HCPL7840的一端口处，所述第一运算放大器LM358的二端口和三端口分别通过电阻连接在HCPL7840的第七端口和第六端口，所述第一运算放大器LM358三端口和一端口间并联有电阻和电容，八端口接5伏电源，四端口接地，所述7840二端口接电容后接地，三端口和四端口接地，八端口接5伏电源并与五端间接有电容，五端口处接地；
所述直流偏置电路包括稳压源TL431和第二运算放大器LM358，所述TL431正极接电阻接15伏电源，负极接地，所述第二运算放大器LM358的三端口接电容后接地，三端口接电阻后接于TL431，二端口接于一端口，四端口接5伏电源，八端口接地；
所述直流侧电容电压采样电路包括霍尔传感器CHV-25P，所述霍尔传感器CHV-25P的+Hr接电阻为输入正，-Hr为输入负，M端口接电阻为输出端，电阻两端并联电容和电阻后接地。
3.根据权利要求1所述的基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，
所述单周控制单元包括电压比较器、RS触发器、积分器、PI调节器和时钟电路，所述电压比较器电连接于RS触发器R端口，正极为输入端，负极接于积分器，所述积分器电连接于PI调节器，所述PI调节器电连接于电网中，所述时钟电路为555时钟发生电路，接在RS触发器S端；
所述积分器包括第三运算放大器LM358和CD4066，所述第三运算放大器LM358正极通过电阻R接Um，负极通过电阻R接在CD4066一端，所述CD4066另一端接于电阻R右侧，正极与输出端之间串联有电阻，负极与输出端之间有电阻，所述积分器输出端满足：所述PI调节器包括第四运算放大器LM358，所述第四运算放大器LM358的正极接电阻后接kUc，负极接电阻后接Uref，负极和输出口并联有电阻和电容，正极依次连接电容，接地。
4.根据权利要求1所述的基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，所述驱动模块采用TLP250驱动电路。
5.根据权利要求1所述的基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，所述积分器具有复位功能。
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