CN108123440A - 一种新型的三相四线制有源滤波器 - Google Patents

一种新型的三相四线制有源滤波器 Download PDF

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黄欢
孙瑜
周漪莲
王邦兴
夏义
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Abstract

本发明公开了一种新型的三相四线制有源滤波器，该滤波器的组成部分主要包括：电网电源(1)、非线性负载(2)、指令电流运算模块(3)、电流跟踪控制模块(4)、驱动模块(5)、PWM变换器(6)，其特征在于：电网电源(1)与非线性负载(2)直接连接；非线性负载(2)侧电流通过指令电流运算模块(3)分离出指令电流；指令电流输出到电流跟踪控制模块(4)生成调制信号，再通过与选定的载波相比较得到PWM波；PWM波输出给驱动模块(5)得到补偿电流；补偿电流与电网电源(1)侧电流同时输出到PWM变换器(6)叠加，得到滤波后与电网基波同相位的正弦电流。该滤波器采用三相四线制，可以对三相不对称电流进行谐波和无功的补偿；并且采用了一种新型的ip‑iq检测法，简化了分离谐波分量的计算。

Description

一种新型的三相四线制有源滤波器
技术领域
本发明涉及滤波器领域，特别涉及一种三相四线制有源滤波器。
背景技术
随着科学技术的发展,现代工业化的程度提高，办公自动化和家用电器的大量使用，以及各种非线性的电力电子器件广泛应用，整流器、逆变器等变频设备大量出现于工业、交通运输、电气公司等各类场合,传统的电动机等线性负载被大型炼钢电弧炉、大功率晶闸管整流传动装置、直流电机驱动器等非线性电力负荷代替，产生严重的谐波污染,轻则是电气设备过热，造成设备损耗和噪声，重则使电机、变压器等绝缘老化，发生故障甚至事故。这就需要对电网中的谐波进行过滤，较实用的办法是在电源输入端安装有源滤波器。因此,电力有源滤波器无论在理论研究，还是工程实际方面都具有重大意义。
实际运用中，它还可动态抑制谐波、补偿无功，并实现对幅值和频率都变化的谐波进行跟踪补偿；它能提高母线直流电压，比一般变频器或并网逆变器有更高的母线耐压，这在提高直流相应速度、保证补偿效果等实际场合中有很大意义。
但是如今的有源滤波器在动态性、补偿效果、自主调节性能方面还有很多需改进的地方，工业应用上不能得到很好的推广，因此开发一种新型的自调能力强的有源滤波器成为了当前滤波器研究的一个热点。
发明内容
本发明设计了一种新型的三相四线制有源滤波器，针对性的解决了传统有源滤波器动态性差、补偿效果一般的问题。实现本发明目的的技术解决方案为：
1)一种新型的三相四线制有源滤波器，该滤波器的组成部分主要包括：电网电源1、非线性负载2、指令电流运算模块3、电流跟踪控制模块4、驱动模块5、PWM变换器6，其特征在于：电网电源1与非线性负载2直接连接；非线性负载2侧电流通过指令电流运算模块3分离出指令电流；指令电流输出到电流跟踪控制模块4生成调制信号，再通过与选定的载波相比较得到PWM波；PWM波输出给驱动模块5得到补偿电流；补偿电流与电网电源1侧电流同时输出到PWM变换器6叠加，得到滤波后与电网基波同相位的正弦电流。
2)指令电流运算模块3采用一种新型的ip-iq检测法，去掉多余的三相-两相矩阵变换，通过直接计算有功电流和无功电流的瞬时值来获得直流成分，进而分离出谐波分量。
3)驱动模块5采用三相半桥逆变结构。
4)电流跟踪控制模块4的控制核为DSP，从而最大化地跟踪指令电流，发挥对谐波和无功补偿的性能。
本发明与传统有源滤波器相比，其显著优点：
(1)该滤波器结构采用三相四线制电容中分式，不仅可以用在三相对称系统中补偿谐波，还能够在三相不对称电网中进行谐波和无功的补偿，甚至可以消除不对称负载产生的零序电流分量。
(2)分离谐波分量的计算方法采用一种新型的ip-iq检测法，简化了繁琐的矩阵变换过程，大大减小了计算量。
(3)驱动模块采用三相半桥逆变结构，具有良好的可靠性，并且减少了开关器件从而降低成本。
(4)硬件系统通过DSP技术实现，可以通过DSP开发板把各部分串联起来，构成一个完整的三相四线制有源滤波系统，从而使滤波器的输出补偿电流最大化地跟踪指令电流，发挥对谐波和无功补偿的性能。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1滤波器系统结构框图。
图2三相四线制有源滤波器电路图。
图3滤波器硬件控制图。
图4新型ip-iq法单相原理图。
图1中：1为电网电源、2为非线性负载、3为指令电流运算模块、4为电流跟踪控制模块、5为驱动模块、6为PWM变换器。
具体实施方式
本发明基于三相四线制滤波原理和DSP技术,结合新型的ip-iq检测法，设计了一种新型的三相四线制有源滤波器。它通过分离负载端的谐波和无功分量作为指令电流，通过比较、计算得出跟踪型的补偿电流，最后叠加到电网电流得到滤波后与电网基波同相位的正弦电流。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1为滤波器系统结构框图，它包括电网电源、非线性负载、指令电流运算模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、PWM变换器。其中，电网电源是输入部分，提供电网的三相电压给滤波器。负载为输出部分，接收处理后的电压并实时反馈信息。指令电流运算模块、电流跟踪控制模块、驱动模块、PWM变换器四个部分在一起组成了一个滤波系统，完成从处理反馈到补偿谐波的任务。
整个滤波器的工作流程为：首先通过指令电流运算，采样得非线性负载的电流iL，将其分离为负载基波电流iLf和负载谐波及无功电流iLh，用负载谐波和无功电流iLh取反极性-iLh作为指令电流ic *，通过合适的跟踪控制算法让指令电流ic *生成调制信号，再让调制信号与选定的载波相比较，得到PWM脉冲波，用它驱动三相整流桥的开关器件，即可得到补偿电流ic，向主电路输出，与电网电流is叠加，抵消了电流谐波，得到与电网基波同相位的正弦电流。如果要消除多余的无功，只需将负载的谐波和无功电流之和取反极性，得到指令电流，经过类似的过程，得到既消除谐波又抵消无功的补偿电流，从而进一步提高电能质量。
涉及到的运算关系式如下：
图2为三相四线制有源滤波器电路图。三相三线制有源滤波器因为其结构上没有设置中性线，所以多用在三相对称的系统中，应用范围受限；而三相四线制有源滤波器由于含有一根中性线，它除了用在三相对称系统中补偿谐波外，还能够在三相不对称电网中进行谐波和无功的补偿，甚至可以消除不对称负载产生的零序电流分量，应用范围十分广泛。
本三相四线制有源滤波器电路图中的直流侧电压由两个电容控制，它们电容值相同，中点直接与三相电源的中性点连接，以削弱零线上的谐波电流。三相桥臂由开关器件控制通断，决定流经指令电流的性质。该电路图包括交流电压源、非线性负载、有源滤波器三大块。其中非线性负载代表电网中的谐波源，有源滤波器采用三相半桥逆变结构。ea、eb、ec代表三相交流电压源，isa、isb、isc代表三相电网电流，ila、ilb、ilc表示三相谐波负载电流，ica、icb、icc表示有源滤波器输出的补偿电流，VaN、VbN、VcN为各桥臂中点电压。
图3为滤波器硬件控制图，系统的硬件设计以TI公司的芯片TMS320F28335为核心，主要包含了电网信号同步检测电路、电流的采样调理电路(电流、补偿电流等)、直流侧点电压采样电路过零检测电路与锁相电路、驱动电路、硬件保护电路(过压、过零、过温等)、驱动电路。通过DSP开发板把各部分串联起来，构成三相四线制的有源滤波系统，控制变流器六个开关管的驱动，使有源滤波器输出补偿电流最大化地跟踪指令电流，发挥对谐波和无功补偿的性能。
图4为新型的ip-iq法单相原理图。ip-iq法是一种常用的信号提取方法，它能用于提取指定次数谐波、获取基波负序电流、提取有功分量，并且不受电网电压畸变的干扰，具有进一步的研究意义。由于传统的ip-iq法遇到电网电压畸变或频率波动时，为减小误差不得不涉及瞬时功率的计算，并需要采取三相静止坐标到两相坐标的矩阵变换、反变换，过程较为繁琐，而且对谐波检测的实时性没有帮助，所以本滤波器尝试一种新型的-iq检测法，去掉多余的三相-两相矩阵变换，通过直接计算有功电流和无功电流的瞬时值，来获得直流成分，进而分离出谐波分量。
新型的ip-iq法原理为：通过采样电网单相电流，经过单次矩阵变换即求出ip、iq，经低通滤波得到再经过矩阵变换C2＝2[sinmwt cosmwt]便获取谐波电流。具体算法实现为：规定瞬时有功功率电流为ip，无功电流为iq，瞬时电源电压为e，单相电流的瞬时值为i，其中：
瞬时有功、无功依次为：
对上式的瞬时值只取基波，则：
由式得基波瞬时电流表达式：
可改写成
谐波电流
ih＝i-i1
如果要检测指定次谐波，只需用mw代替：
经过低通滤波器过滤后，得：
则可求出m次谐波电流：

Claims (4)

1.一种新型的三相四线制有源滤波器，其组成包括：电网电源(1)、非线性负载(2)、指令电流运算模块(3)、电流跟踪控制模块(4)、驱动模块(5)、PWM变换器(6)，其特征在于：电网电源(1)与非线性负载(2)直接连接；非线性负载(2)侧电流通过指令电流运算模块(3)分离出指令电流；指令电流输出到电流跟踪控制模块(4)生成调制信号，再通过与选定的载波相比较得到PWM波，PWM波输出给驱动模块(5)得到补偿电流，补偿电流与电网电源(1)侧电流同时输出到PWM变换器(6)叠加，得到滤波后与电网基波同相位的正弦电流。
2.如权利要求1所述的三相四线制有源滤波器，其特征在于：所述指令电流运算模块(3)采用一种新型的ip-iq检测法，去掉多余的三相-两相矩阵变换，通过直接计算有功电流和无功电流的瞬时值来获得直流成分，进而分离出谐波分量。
3.如权利要求1所述的三相四线制有源滤波器，其特征在于：所述驱动模块(5)采用三相半桥逆变结构。
4.如权利要求1所述的三相四线制有源滤波器，其特征在于：所述电流跟踪控制模块(4)的控制核为DSP。
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