CN107394783A - 变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器及控制方法，包括他励电源SES、有源滤波器APF及无源滤波器PPF，无源滤波器PPF包括一个滤波电容器C和一个滤波电抗器L，滤波电容器C和滤波电抗器L串联；他励电源SES的输出接到有源滤波器APF的直流侧，有源滤波器APF的输出端通过耦合变压器T并联于无源滤波器PPF的滤波电抗器L的两端；他励电源SES和有源滤波器APF均采用基于绝缘栅双极型晶体管IGBT及PWM调制技术的电压源变流器电路。本发明的补偿性能更好、控制结构更简单；无源滤波器PPF支路作为负载谐波的主要通路，而有源滤波器APF则起到调谐控制作用，使无源LC滤波支路对所选多个特定次谐波都能起到良好的滤波作用。

Description

变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器及控制方法

技术领域

本发明属于电力滤波技术领域，具体涉及一种变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器及控制方法。

背景技术

随着大容量工业电力电子装置和办公楼宇电子设备的广泛应用，供电系统中的谐波污染日益严重，影响了电气与电子设备的安全运行，也增大了电网的电能损耗。为此，在电力系统中需要广泛采用电力滤波器来治理电网谐波。电力滤波器分为无源电力滤波器、有源电力滤波器、以及这两者有机结合而成的混合电力滤波器。

单独使用的无源滤波器或有源滤波器在实际应用中都存在着各自的问题。无源滤波器结构简单、成本低廉、并具谐波抑制和无功补偿的双重作用，但常存在较大失谐，滤波效果难尽人意；有源滤波器可对25次以下谐波起到良好的滤波作用，环境适应能力强，但由于受到电力电子器件电压和电流水平的限制，存在电压低、容量小的问题。混合滤波器由无源滤波器和有源滤波器有机结合而成，在小容量有源滤波的调节下，可显著改善高压大容量无源滤波器的性能，是电力滤波器技术的发展方向。

国内外对混合滤波器已经做了大量的研究工作，提出了混合滤波器的多种典型电路拓扑结构，其目的都是降低有源滤波器所承受的基波电压。中国发明专利“一种有源调谐型混合滤波器及进行有源调谐的控制方法(ZL 201110133131.3)”提出了一种新型混合滤波器的结构及其控制方法，进一步解决了信号取样、分相控制和谐波限流保护问题；其结构和原理经过演化可以如图1和图2所示，分别是有源调谐型混合滤波器的电路拓扑结构和控制方法示意图，其中，图1为主电路拓扑，图2为其控制系统的原理框图。但是，上述专利采用了三相独立的自励式有源滤波器，在补偿谐波时直流侧电压波动较大，影响了滤波效果，此外耦合变压器的原副边电压相位差也影响了直流侧电压的自励控制性能，同时导致有源滤波器的控制结构也较为复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器及控制方法，滤波效果好，控制结构简单。

为了达到上述目的，本发明滤波器采用如下技术方案：

包括他励电源SES、有源滤波器APF及无源滤波器PPF，无源滤波器PPF包括一个滤波电容器C和一个滤波电抗器L，滤波电容器C和滤波电抗器L串联；他励电源SES的输出接到有源滤波器APF的直流侧，有源滤波器APF的输出端通过耦合变压器T并联于无源滤波器PPF的滤波电抗器L的两端；

他励电源SES和有源滤波器APF均采用基于绝缘栅双极型晶体管IGBT及PWM调制技术的电压源变流器电路。

进一步地，有源滤波器APF采用基于IGBT器件和PWM调制技术的单相电压源逆变器电路。

进一步地，他励电源SES采用基于IGBT器件和PWM调制技术的三相或单相电压源整流器电路。

进一步地，还包括电流检测器TA1、电流检测器TA2，电压检测器TV1、电压检测器TV2、电流检测单元I、电流检测单元II、电压检测单元I、电压检测单元II、谐波电流检测单元、失谐度检测单元、多谐波调节器、加权滤波器、PWM发生器I，电流检测器TA3、电流检测单元III、电压检测器TV3、电压检测单元III、比较单元、电压调节器以及PWM发生器II，

电压检测器TV3的一次侧并接于他励电源SES的直流侧，电压检测器TV3的二次侧接入电压检测单元III中；电压检测单元III的输出与比较单元的一个输入端连接；比较单元的另一个输入端是给定的直流电压参考值；比较单元接入电压调节器，电压调节器的输出端接入PWM发生器II的一个输入端；

电流检测器TA3的一次侧串接于他励电源SES的交流侧，电流检测器TA3的二次侧接入电流检测单元III中；电流检测单元III接入PWM发生器II的另一个输入端，PWM发生器II的输出端直接与他励电源SES中的IGBT器件相连；

电流检测器TA1的一次侧与滤波电抗器L外端串联，电流检测器TA1的二次侧接入电流检测单元I中；电流检测器TA2的一次侧串联于有源滤波器APF的输出回路中，电流检测器TA2的二次侧接入电流检测单元II中；电压检测器TV1的一次侧接于无源滤波器PPF的滤波电容器C两端，电压检测器TV2的一次侧接于无源滤波器PPF的滤波电抗器L两端，电压检测器TV1的二次侧接入电压检测单元II中，电压检测器TV2的二次侧接入电压检测单元I中；

电压检测单元I和电压检测单元II的输出端均连接到失谐度检测单元；电流检测单元I的输出端接入谐波电流检测单元中，谐波电流检测单元的输出端对应地接入加权滤波器中；

电流检测单元I的输出端和失谐度检测单元的输出端同时与多谐波调节器的输入端对应连接，多谐波调节器的输出端对应地与加权滤波器的输入端连接；加权滤波器的输出端接入PWM发生器I的一个输入端；

电流检测单元II接入PWM发生器I的另一个输入端，PWM发生器I的输出端直接与有源滤波器APF中的IGBT器件相连。

进一步地，电流检测器TA1、电流检测器TA2和电流检测器TA3均为电流互感器。

进一步地，电压检测器TV1和电压检测器TV2均为电压互感器，电压检测器TV3为直流电压霍尔传感器。

本发明控制方法的技术方案是：包括以下步骤：

步骤1)，将变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器与所需进行滤波的非线性负荷并联，或将变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器直接并接到需要滤波的配电网中；

步骤2)，对他励电源SES的直流输出电压进行检测，得到他励电源SES的直流电压实际值U_dc，对直流电压实际值U_dc与设定值U_dc.ref的差值进行PI调节，生成他励电源SES在单位功率因数下的指令电流i_SES.ref；

步骤3)，检测他励电源SES的实际电流信号i_SES.real；

步骤4)，将他励电源SES的指令电流i_SES.ref与实际电流信号i_SES.real经过PWM处理后，产生他励电源SES的IGBT的PWM驱动信号；

步骤5)，分别对无源滤波器PPF支路中的电流、滤波电容器电压和滤波电抗器电压进行检测，得到对应的电流电压信号分别为i_f、u_C和u_L；

步骤6)，无源滤波器PPF支路中的电流i_f经过谐波电流检测，得到拟滤除的各单次谐波电流分量i_h.1～i_h.m；

步骤7)，对无源滤波器PPF支路中滤波电容器电压u_C和滤波电抗器电压u_L，通过失谐度检测分析计算出无源滤波器PPF在拟滤除谐波频率下的失谐度d_h.1～d_h.m；

步骤8)，由步骤7)得到的失谐度d_h.1～d_h.m，通过多谐波调节器，生成谐波补偿电流加权系数k₁～k_m；

步骤9)，通过加权滤波器，根据谐波电流分量i_h.1～i_h.m和加权系数k₁～k_m进行加权求和处理，形成有源滤波器APF的谐波补偿电流指令i_APF.ref；

步骤10)，有源滤波器APF的实际输出电流经过电流检测器TA2及电流检测单元II后，得到有源滤波器APF的实际输出电流信号i_APF.real；

步骤11)，将有源滤波器APF的指令电流i_APF.ref与有源滤波器APF的实际输出电流信号i_APF.real经过PWM处理后，产生构成有源滤波器APF的IGBT的PWM驱动信号，即成。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明混合滤波器通过改进和提高现有的有源调谐型混合滤波器，将有源滤波器APF的输出通过耦合变压器并联于无源滤波器PPF的滤波电抗器L的两端，而有源滤波器的直流侧电压则由他励电源SES来控制，使得本发明有源调谐型混合滤波器的补偿性能更好、控制结构更简单；无源滤波器PPF支路作为负载谐波的主要通路，而有源滤波器APF则起到调谐控制作用，使无源LC滤波支路对所选多个特定次谐波都能起到良好的滤波作用；本发明还具有以下优点：

1)保持了现有的有源调谐型混合滤波器的特点；

2)有源滤波器APF的直流侧电压由他励电源SES来支撑，直流电压不受单相有源滤波器输出补偿电流的影响，滤波性能更好；

3)有源滤波器APF的直流侧电压不受无源滤波器PPF参数配置的影响；

4)有源滤波器APF直流侧电压不受耦合变压器原副边电压相位差的影响。

进一步地，本发明中他励电源SES采用三相或单相电压源整流器电路，满足不同功率要求。

本发明方法中，将混合滤波器并联于非线性负荷电网；对他励电源实施单位功率因数和直流稳压控制，为有源滤波器APF提供稳定的直流电压支撑；通过谐波电流检测得到拟滤除的各次谐波电流；通过对滤波电容器电压和滤波电抗器电压的检测运算得到各次谐波频率下的失谐度；通过调谐控制生成谐波补偿电流加权系数；对各次谐波电流进行加权求和即可形成有源滤波器APF的谐波补偿电流指令；将指令电流与实际输出电流经过PWM发生器处理后，产生PWM驱动信号即成。本发明的方法效果显著、运行稳定可靠。本发明在有源调谐型混合滤波器中，简化了有源滤波器APF的控制，避免了隔离变压器引入的原副边电压相位差对直流侧电压控制的影响，提高了有源滤波器直流侧电压的稳定性和滤波性能。

附图说明

图1为现有的有源调谐型混合滤波器(采用了耦合变压器)的结构示意图；

图2为现有的有源调谐型混合滤波器的控制原理框图；

图3为本发明的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器的结构示意图；

图4是本发明的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器的控制原理框图；

图5为有源滤波器APF输出补偿电流时他励电源SES输出的直流电压实时仿真波形；

图6为混合滤波器补偿前与补偿后的电网电流实时仿真波形；

图7为混合滤波器补偿前电网电流波形的频谱图；

图8为混合滤波器补偿后电网电流波形的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参照图3和图4，本发明的他励式混合滤波器的结构是，包括他励电源SES、有源滤波器APF和无源滤波器PPF，他励电源SES和有源滤波器APF采用基于绝缘栅双极型晶体管IGBT及PWM调制技术的电压源变流器电路，具体是有源滤波器APF采用基于IGBT器件和PWM调制技术的单相电压源逆变器电路；他励电源SES采用基于IGBT器件和PWM调制技术的三相电压源整流器电路，由于他励电源功率小，也可采用单相电压源整流器电路。

无源滤波器PPF包括一个滤波电容器C和一个滤波电抗器L串联而成；他励电源SES的交流输入端通过串联电抗器连接到低压供电电源；他励电源SES的直流输出端直接接入有源滤波器APF的直流侧，由他励电源SES给有源滤波器APF提供稳定的直流侧电压支撑；有源滤波器APF的交流输出端通过耦合变压器T并联于无源滤波器PPF的滤波电抗器L的两端。无源滤波器PPF支路作为负载谐波的主要通路，而有源滤波器APF则起到调谐控制作用，使无源LC滤波支路对所选多个特定次谐波都能起到良好的滤波作用。

参照图4，本发明他励式混合滤波器中还包括电流检测器TA1、电流检测器TA2、电流检测器TA3、电压检测器TV1、电压检测器TV2和电压检测器TV3；他励式混合滤波器中还包括电流检测单元I、谐波电流检测单元、电压检测单元I、电压检测单元II、失谐度检测单元、多谐波调节器、加权滤波器、电流检测单元II、PWM发生器I，电压检测单元III、比较单元、电压调节器、电流检测单元III和PWM发生器II。

电流检测器TA1和电流检测器TA2均为电流互感器，电流检测器TA1的一次侧与LC无源滤波支路的滤波电抗器L外端串联，电流检测器TA1的二次侧接入电流检测单元I中；电流检测器TA2的一次侧串联于有源滤波器APF的输出回路中，电流检测器TA2的二次侧接入电流检测单元II中；电压检测器TV1和电压检测器TV2均为电压互感器，电压检测器TV1的一次侧接于无源LC滤波支路的滤波电容器C两端，电压检测器TV2的一次侧接于无源LC滤波支路的滤波电抗器L两端，电压检测器TV1的二次侧接入电压检测单元II中，电压检测器TV2的二次侧接入电压检测单元I中。

电流检测器TA3为电流互感器，电流检测器TA3的一次侧串联于他励电源SES的交流侧(交流回路中)，电流检测器TA3的二次侧接入电流检测器III中；电压检测器TV3为直流电压霍尔传感器，电压检测器TV3的一次侧并接于他励电源SES的直流侧，电压检测器TV3的二次侧接入电压检测单元III中。

电压检测单元I的输出端与失谐度检测单元的一个输入端连接；电压检测单元II的输出端与失谐度检测单元的另一个输入端连接；电流检测单元I的输出端接入谐波电流检测单元中，谐波电流检测单元的输出端对应地接入加权滤波器中。

电流检测单元I的输出端同时与多谐波调节器的相应输入端连接，失谐度检测单元的输出端与多谐波调节器的输入端按照谐波次数一一对应连接；多谐波调节器的输出端与加权滤波器的输入端按照谐波次数一一对应连接；加权滤波器的输出端接入PWM发生器I的一个输入端。

电流检测单元II接入PWM发生器I的另一个输入端，主要是用来检测有源滤波器APF所发出来的实际补偿电流信号；PWM发生器I的输出端直接与有源滤波器APF中的IGBT器件相连。

电压检测单元III与比较单元的一个输入端连接，用于拾取他励电源SES的直流侧电压信号；比较单元的另一个输入端是软件程序中给定的直流电压参考值；比较单元的输出接入电压调节器，电压调节器的输出端接入PWM发生器II的一个输入端。

电流检测单元III接入PWM发生器II的另一个输入端，主要是用来检测他励电源SES的网侧电流信号；PWM发生器II的输出端直接与他励电源SES中的IGBT器件相连。

参照图4，本发明针对图3所示的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器进行的有源调谐控制方法，包括有源滤波器的调谐控制和他励电源的直流稳压控制，按照以下步骤实施：

步骤1)将本发明的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器与所需进行滤波的非线性负荷并联，或将本发明的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器直接并接到需要滤波的配电网中；

步骤2)通过电压检测器TV3，对他励电源SES的直流输出电压进行检测，通过电压检测单元III得到他励电源SES的直流电压实际值U_dc，将电压检测单元III所得到他励电源SES的直流电压实际值U_dc与直流电压设定值U_dc.ref，经过比较单元及电压调节器，将U_dc与U_dc.ref的差值进行PI调节，生成他励电源SES在单位功率因数下的指令电流i_SES.ref；

步骤3)他励电源SES的实际输出电流经过电流检测器TA3及电流检测单元III后，得到他励电源SES的实际电流信号i_SES.real；

步骤4)将他励电源SES的指令电流i_SES.ref与他励电源SES的实际输出电流信号i_SES.real，经过PWM发生器II处理后，产生构成他励电源SES的IGBT的PWM驱动信号，至此，他励电源SES将为有源滤波器APF提供稳定的直流电压支撑并获得交流侧的单位功率因数，具有改善电网电能质量和节能的好处；单位功率因数的获得是依靠SES的控制策略来实现的。

步骤5)通过电流检测器TA1、电压检测器TV1和电压检测器TV2，分别对无源滤波器PPF支路中的电流、电容器电压和电抗器电压进行检测，得到对应的电流电压信号i_f、u_C和u_L；

步骤6)无源滤波器PPF支路中的电流i_f经过谐波电流检测，得到拟滤除的各单次谐波电流分量i_h.1～i_h.m；

步骤7)对无源滤波器PPF支路中电容器电压u_C和电抗器电压u_L，通过失谐度检测分析计算出无源滤波器PPF在拟滤除谐波频率下的失谐度d_h.1～d_h.m；

步骤8)由步骤7得到的失谐度d_h.1～d_h.m，通过多谐波调节器，生成谐波补偿电流加权系数k₁～k_m；

步骤9)通过加权滤波器，根据谐波电流分量i_h.1～i_h.m和加权系数k₁～k_m进行加权求和处理，形成有源滤波器APF的谐波补偿电流指令i_APF.ref；

步骤10)有源滤波器APF的实际输出电流经过电流检测器TA2及电流检测单元II后，得到有源滤波器APF的实际输出电流信号i_APF.real；

步骤11)将有源滤波器APF的指令电流i_APF.ref与有源滤波器APF的实际输出电流信号i_APF.real，经过PWM发生器I处理后，产生构成有源滤波器APF的IGBT的PWM驱动信号，即成。

图5所示为有源滤波器输出补偿电流时他励电源输出的直流电压实时仿真波形，可见不论有源滤波器APF输出补偿电流与否，他励电源SES都能提供稳定的直流电压支撑；图6为混合滤波器补偿前与补偿后的电网电流实时仿真波形，图7为混合滤波器补偿前电网电流波形的频谱图，图8为混合滤波器补偿后电网电流波形的频谱图，对照补偿前后的电网电流波形及其频谱，可见本发明的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器的滤波效果优良。

本发明滤波器，解决了现有技术中所存在的有源滤波器既要控制谐波补偿电流又要控制直流侧电压的相互影响与复杂性问题。

Claims (7)

1.变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器，其特征在于：包括他励电源SES、有源滤波器APF及无源滤波器PPF，无源滤波器PPF包括一个滤波电容器C和一个滤波电抗器L，滤波电容器C和滤波电抗器L串联；他励电源SES的输出接到有源滤波器APF的直流侧，有源滤波器APF的输出端通过耦合变压器T并联于无源滤波器PPF的滤波电抗器L的两端；

他励电源SES和有源滤波器APF均采用基于绝缘栅双极型晶体管IGBT及PWM调制技术的电压源变流器电路。

2.根据权利要求1所述的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器，其特征在于：有源滤波器APF采用基于IGBT器件和PWM调制技术的单相电压源逆变器电路。

3.根据权利要求1所述的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器，其特征在于：他励电源SES采用基于IGBT器件和PWM调制技术的三相或单相电压源整流器电路。

4.根据权利要求1所述的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器，其特征在于：还包括电流检测器TA1、电流检测器TA2，电压检测器TV1、电压检测器TV2、电流检测单元I、电流检测单元II、电压检测单元I、电压检测单元II、谐波电流检测单元、失谐度检测单元、多谐波调节器、加权滤波器、PWM发生器I，电流检测器TA3、电流检测单元III、电压检测器TV3、电压检测单元III、比较单元、电压调节器以及PWM发生器II，

电压检测器TV3的一次侧并接于他励电源SES的直流侧，电压检测器TV3的二次侧接入电压检测单元III中；电压检测单元III的输出与比较单元的一个输入端连接；比较单元的另一个输入端是给定的直流电压参考值；比较单元接入电压调节器，电压调节器的输出端接入PWM发生器II的一个输入端；

电流检测器TA3的一次侧串接于他励电源SES的交流侧，电流检测器TA3的二次侧接入电流检测单元III中；电流检测单元III接入PWM发生器II的另一个输入端，PWM发生器II的输出端直接与他励电源SES中的IGBT器件相连；

电流检测器TA1的一次侧与滤波电抗器L外端串联，电流检测器TA1的二次侧接入电流检测单元I中；电流检测器TA2的一次侧串联于有源滤波器APF的输出回路中，电流检测器TA2的二次侧接入电流检测单元II中；电压检测器TV1的一次侧接于无源滤波器PPF的滤波电容器C两端，电压检测器TV2的一次侧接于无源滤波器PPF的滤波电抗器L两端，电压检测器TV1的二次侧接入电压检测单元II中，电压检测器TV2的二次侧接入电压检测单元I中；

电压检测单元I和电压检测单元II的输出端均连接到失谐度检测单元；电流检测单元I的输出端接入谐波电流检测单元中，谐波电流检测单元的输出端对应地接入加权滤波器中；

电流检测单元I的输出端和失谐度检测单元的输出端同时与多谐波调节器的输入端对应连接，多谐波调节器的输出端对应地与加权滤波器的输入端连接；加权滤波器的输出端接入PWM发生器I的一个输入端；

电流检测单元II接入PWM发生器I的另一个输入端，PWM发生器I的输出端直接与有源滤波器APF中的IGBT器件相连。

5.根据权利要求4所述的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器，其特征在于：电流检测器TA1、电流检测器TA2和电流检测器TA3均为电流互感器。

6.根据权利要求4所述的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器，其特征在于：电压检测器TV1和电压检测器TV2均为电压互感器，电压检测器TV3为直流电压霍尔传感器。

7.如权利要求1所述的变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)，将变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器与所需进行滤波的非线性负荷并联，或将变压器耦合及他励式有源调谐型混合滤波器直接并接到需要滤波的配电网中；

步骤2)，对他励电源SES的直流输出电压进行检测，得到他励电源SES的直流电压实际值U_dc，对直流电压实际值U_dc与设定值U_dc.ref的差值进行PI调节，生成他励电源SES在单位功率因数下的指令电流i_SES.ref；

步骤3)，检测他励电源SES的实际电流信号i_SES.real；

步骤4)，将他励电源SES的指令电流i_SES.ref与实际电流信号i_SES.real经过PWM处理后，产生他励电源SES的IGBT的PWM驱动信号；

步骤5)，分别对无源滤波器PPF支路中的电流、滤波电容器电压和滤波电抗器电压进行检测，得到对应的电流电压信号分别为i_f、u_C和u_L；

步骤6)，无源滤波器PPF支路中的电流i_f经过谐波电流检测，得到拟滤除的各单次谐波电流分量i_h.1～i_h.m；

步骤7)，对无源滤波器PPF支路中滤波电容器电压u_C和滤波电抗器电压u_L，通过失谐度检测分析计算出无源滤波器PPF在拟滤除谐波频率下的失谐度d_h.1～d_h.m；

步骤8)，由步骤7)得到的失谐度d_h.1～d_h.m，通过多谐波调节器，生成谐波补偿电流加权系数k₁～k_m；

步骤9)，通过加权滤波器，根据谐波电流分量i_h.1～i_h.m和加权系数k₁～k_m进行加权求和处理，形成有源滤波器APF的谐波补偿电流指令i_APF.ref；

步骤10)，有源滤波器APF的实际输出电流经过电流检测器TA2及电流检测单元II后，得到有源滤波器APF的实际输出电流信号i_APF.real；

步骤11)，将有源滤波器APF的指令电流i_APF.ref与有源滤波器APF的实际输出电流信号i_APF.real经过PWM处理后，产生构成有源滤波器APF的IGBT的PWM驱动信号，即成。