CN109149580A - 一种有源电力滤波器 - Google Patents

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CN109149580A CN201811282373.7A CN201811282373A CN109149580A CN 109149580 A CN109149580 A CN 109149580A CN 201811282373 A CN201811282373 A CN 201811282373A CN 109149580 A CN109149580 A CN 109149580A
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Abstract

本申请提供一种有源电力滤波器，包括：第一三相电压型逆变电路，与三相电网并联，用于补偿低次谐波电流；第二三相电压型逆变电路，与所述三相电网并联，与所述第一三相电压型逆变电路并联；升压斩波电路，与所述第二三相电压型逆变电路并联，所述升压斩波电路的输出端作为所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源，所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压源作为所述升压斩波电路的输入电压源，所述第二三相电压型逆变电路和所述升压斩波电路用于补偿高次谐波电流。利用本申请中各个实施例，可以实现高次谐波和低次谐波的分别独立补偿，可以在降低损耗的前提下，改善谐波电流补偿效果。

Description

一种有源电力滤波器
技术领域
本申请涉及电力系统技术领域，特别涉及一种有源电力滤波器。
背景技术
有源电力滤波器(Active Power Filter,缩写APF)是一种先进的谐波补偿设备，应用非常广泛。并联型有源电力滤波器并联在电网上，滤除流入电网的谐波电流，减少电网电流的谐波含量。通常情况下有源电力滤波器应用三相电压型逆变电路。
在应用有源电力滤波器进行谐波电流补偿时，有源电力滤波器产生谐波电流，谐波电流流过三相电压型逆变电路的连接电抗器时产生压降，电感压降与电源电压之和是三相电压型逆变电路的输出电压。由于电感对不同频率的谐波有着不同的阻抗，所以各次谐波在连接电抗上的压降不同。连接电抗器上的谐波电流越大，三相电压型逆变电路输出的电压越大。三相电压型逆变器输出电压与直流电压有固定的对应关系，输出电压越大需要的直流侧电压越大。如果直流电压越大，输出电流越接近指令电流，如果电压小于完全补偿谐波所需要的直流电压，输出电流就会与指令电流有偏差，影响谐波电流补偿效果。为了得到更高的直流侧电压，通常应用升压斩波电路将直流电压升到一个较高的值，这样可以提高三相电压型逆变电路的输出电压，得到好的补偿效果。
通常情况下，有源电力滤波器的损耗与电压有效值和电流有效值有关，直流侧电压越高产生的损耗越大，输出电流越大产生的损耗越大。直流侧电压越大，谐波补偿效果越好。在对直流侧电压大小需求方面，损耗小和补偿效果好构成了矛盾。应用升压斩波电路将直流侧电压升高，电流补偿效果变好，但是损耗变大了。所以，有源电力滤波器的损耗和谐波电流补偿效果成为研究热点。
现有技术中至少存在如下问题：直流侧电压越高，产生的损耗越大，但是如果降低直流侧电压，电流补偿效果降低。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种有源电力滤波器，可以实现高次谐波和低次谐波的分别独立补偿，可以在降低损耗的前提下，改善谐波电流补偿效果。
本申请实施例提供一种有源电力滤波器是这样实现的：
一种有源电力滤波器，包括：
第一三相电压型逆变电路，与三相电网并联，用于补偿低次谐波电流；
第二三相电压型逆变电路，与所述三相电网并联，与所述第一三相电压型逆变电路并联；
升压斩波电路，与所述第二三相电压型逆变电路并联，所述升压斩波电路的输出端作为所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源，所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压源作为所述升压斩波电路的输入电压源，所述第二三相电压型逆变电路和所述升压斩波电路用于补偿高次谐波电流；
所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压，高于所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压。
优选实施例中，所述第一三相电压型逆变电路包括检测电路、控制模块、PWM驱动电路，构成电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述第一三相电压型逆变电路的输出电流；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电流数据和第一指令电流值，控制所述第一三相电压型逆变电路的输出电流。
优选实施例中，所述第二三相电压型逆变电路包括检测电路、控制模块、PWM驱动电路，构成电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述第二三相电压型逆变电路的输出电流；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电流数据和第二指令电流值，控制所述第二三相电压型逆变电路的输出电流。
优选实施例中，所述升压斩波电路包括检测电路、控制模块、PWM驱动电路，构成电压控制闭环和电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述升压斩波电路的输出电压和输出电流；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电压数据、输出电流数据和指令电压值，控制所述升压斩波电路的输出电压，即所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压。
优选实施例中，所述控制所述第一三相电压型逆变电路的输出电流，包括：利用所述电流控制闭环，控制所述输出电流与所述第一指令电流值的差值在预设范围内。
优选实施例中，所述第一指令电流值的生成方式包括：
利用谐波检测电路，分别检测得到负载电流的5次谐波和7次谐波，对所述5次谐波和所述7次谐波经过abc/dq变换后进行低通滤波，然后再进行dq/abc变换后叠加生成所述第一指令电流值。
优选实施例中，所述控制所述第二三相电压型逆变电路的输出电流，包括：利用所述电流控制闭环，控制所述输出电流与所述第二指令电流值的差值在预设范围内。
优选实施例中，所述第二指令电流值的生成方式包括：
利用谐波检测电路，检测负载电流谐波，将所述负载电流谐波经过abc/dq变换后进行低通滤波，然后再进行dq/abc变换，将低通滤波后的谐波电流减去低通滤波后的5次谐波和低通滤波后的7次谐波，得到所述第二指令电流值。
优选实施例中，所述升压斩波电路用于将所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压升高后作为所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压。
优选实施例中，还包括锁相环，用于确定所述abc/dq变换和所述dq/abc变换的角度数据，所述锁相环根据所述电网的三相电源电压确定所述角度数据。
利用本申请实施例提供的一种有源电力滤波器，通过在原有三相电压型逆变电路基础上，增加一个直流升压斩波电路和一个三相电压型逆变电路，低次谐波电流由原有的低直流侧电压的三相电压型逆变电路产生，高次谐波电流由直流斩波电路和三相电压型逆变电路构成的高直流侧电压逆变器产生；将高次谐波与低次谐波通过谐波检测算法分离开，从而可以实现高次和低次谐波独立补偿，直流侧电压低的三相电压型逆变电路补偿低次谐波电流，直流侧电压高的三相电压型逆变电路补偿高次谐波电流。可以在降低损耗的前提下，改善谐波电流补偿效果。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例提供的一种有源电力滤波器的电路结构图；
图2是本申请一个实施例提供的一种利用有源电力滤波器进行谐波电流补偿的方法的控制框图；
图3是本申请一个实例中利用本申请所述有源电力滤波器和现有滤波器补偿后三相电网的电流时域波形对比图；
图4是本申请一个实例中利用本申请所述有源电力滤波器和现有滤波器补偿后三相电网的电流频谱对比图。
具体实施方式
本申请实施例提供一种有源电力滤波器。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
图1是本申请所述一种有源电力滤波器一种实施例的电路结构图。虽然本申请提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤或装置结构，但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法或装置中可以包括更多或者更少的操作步骤或模块单元。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置的模块结构不限于本申请实施例或附图所示的执行顺序或模块结构。所述的方法或模块结构的在实际中的装置或终端产品应用时，可以按照实施例或者附图所示的方法或模块结构进行顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境、甚至包括分布式处理的实施环境)。
具体的，如图1所述，本申请提供的一种有源电力滤波器的一种实施例可以包括：
第一三相电压型逆变电路1，与三相电网并联，用于补偿低次谐波电流；
第二三相电压型逆变电路2，与所述三相电网并联，与所述第一三相电压型逆变电路并联；
升压斩波电路3，与所述第二三相电压型逆变电路2并联，所述升压斩波电路3的输出端作为所述第二三相电压型逆变电路2的直流侧电压源，所述第一三相电压型逆变电路1的直流侧电压源udc1作为所述升压斩波电路2的输入电压源，所述第二三相电压型逆变电路2和所述升压斩波电路3用于补偿高次谐波电流；
所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压udc2，高于所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压。
本例中，所述第一三相电压型逆变电路1包括检测电路101、控制模块102、PWM驱动电路103，构成电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述第一三相电压型逆变电路的输出电流ica1、icb1、icc1；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电流数据和第一指令电流值，控制所述第一三相电压型逆变电路的输出电流ica1、icb1、icc1。
其中，所述PWM驱动电路103可以通过调节脉冲宽度实现对所述第一三相电压型逆变电路的输出电流的控制。
本例中，所述第二三相电压型逆变电路2包括检测电路201、控制模块203、PWM驱动电路203，构成电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述第二三相电压型逆变电路的输出电流ica2、icb2、icc2；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电流数据和第二指令电流值，控制所述第二三相电压型逆变电路的输出电流ica2、icb2、icc2。
其中，所述PWM驱动电路103可以通过调节脉冲宽度实现对所述第一三相电压型逆变电路的输出电流的控制。
本例中，所述升压斩波电路3包括检测电路301、控制模块302、PWM驱动电路303，构成电压控制闭环和电流控制闭环，
所述检测电路301用于检测所述升压斩波电路3的输出电压和输出电流；
所述PWM驱动电路303用于根据所述检测电路反馈的输出电压数据、输出电流数据和指令电压值，控制所述升压斩波电路3的输出电压，即所述第二三相电压型逆变电路2的直流侧电压源的电压udc2。
本例中，所述控制所述第一三相电压型逆变电路1的输出电流，包括：利用所述电流控制闭环，控制所述输出电流与所述第一指令电流值的差值在预设范围内。
图2是本申请一个实施例提供的一种利用有源电力滤波器进行谐波电流补偿的方法的控制框图。如图2所示，本例中，所述第一指令电流值的生成方式包括：
利用谐波检测电路，分别检测得到负载电流的5次谐波和7次谐波，对所述5次谐波和所述7次谐波经过abc/dq变换后进行低通滤波，然后再进行dq/abc变换后叠加生成所述第一指令电流值。
本例中，所述控制所述第二三相电压型逆变电路2的输出电流，包括：利用所述电流控制闭环，控制所述输出电流与所述第二指令电流值的差值在预设范围内。
其中，对所述5次谐波进行abc/dq变换和dq/abc变换的变换矩阵分别为：
本例中，如图2所示，所述第二指令电流值的生成方式包括：
利用谐波检测电路，检测负载电流谐波，将所述负载电流谐波经过abc/dq变换后进行低通滤波，然后再进行dq/abc变换，将低通滤波后的负载谐波电流减去低通滤波后的5次谐波和低通滤波后的7次谐波，得到所述第二指令电流值。
其中，上述实施例中，所述谐波检测电路为同一套谐波检测电路，所述第二指令电流值可以发送至所述控制模块102、控制模块202，由控制模块控制PWM驱动电路将输出电流调整至与指令电流近似相等。
其中，对所述负载电流谐波进行abc/dq变换和dq/abc变换的变换矩阵分别为：
本申请所述的有源电力滤波器还包括锁相环PLL，用于确定上述各实施例中所述abc/dq变换和所述dq/abc变换的角度数据(矩阵中的ωt)，具体的，所述abc/dq变换和所述dq/abc变换的角度数据(矩阵中的ωt)的确定方式，包括：将所述三相电网的三相电源电压输入锁相环，利用锁相环确定所述角度数据并输出。
本例中，所述升压斩波电路3用于将所述第一三相电压型逆变电路1的直流侧电压ucd1升高后作为所述第二三相电压型逆变电路2的直流侧电压ucd2。
图3中，可以看出，本申请在原有三相电压型逆变电路基础上，增加了一个DC-DC升压斩波电路和一个三相电压型逆变电路，低次谐波电流由原有的低直流侧电压的三相电压型逆变电路产生，高次谐波电流由DC-DC升压斩波电路和三相电压型逆变电路构成的高直流侧电压逆变器产生。电源电流为isa，isb和isc；负载电流为iLa，iLb和iLc；总的输出电流为ica，icb和icc；所述第一三相电压型逆变电路1输出电流为ica1，icb1和icc1；所述第二三相电压型逆变电路2输出电流为ica2，icb2和icc2。因为高次谐波电流在连接电抗器上产生的压降大，逆变器需要更高的直流侧电压值，所以DC-DC升压斩波电路将直流侧电压udc1升高到udc2来补偿高次谐波电流，DC-DC升压斩波电路包含检测电路、控制系统和驱动系统。
如图2所述，分别检测5次和7次谐波，生成三相电压型逆变器1的电流指令，构成电流闭环，通过闭环控制使得输出电流与指令电流近似相等，其中直流电压控制闭环由第一三相电压型逆变电路1实现；检测负载电流谐波，然后减去5次和7次谐波后作为第二三相电压型逆变电路2的电流指令，构成电流闭环，通过闭环控制使得输出电流与指令电流近似相等；DC-DC升压斩波电路包含两个闭环，分别是电压闭环和电流闭环，通过闭环控制将电压升为指令电压值。
图3是本申请一个实例中利用本申请所述有源电力滤波器和现有滤波器补偿后三相电网的电流时域波形对比图。图4是本申请一个实例中利用本申请所述有源电力滤波器和现有滤波器补偿后三相电网的电流频谱对比图。从图4和图5可以看出，利用本申请所述的一种有源电力滤波器进行电流补偿后，得到的电源电流波形中各次谐波含量均明显降低，说明本申请实施例提供的有源电力滤波器可以有效提高三相电网的谐波电流补偿效果。
利用上述各实施例提供的一种有源电力滤波器的实施方式，通过在原有三相电压型逆变电路基础上，增加一个直流升压斩波电路和一个三相电压型逆变电路，低次谐波电流由原有的低直流侧电压的三相电压型逆变电路产生，高次谐波电流由直流斩波电路和三相电压型逆变电路构成的高直流侧电压逆变器产生；将高次谐波与低次谐波通过谐波检测算法分离开，从而可以实现高次和低次谐波独立补偿，直流侧电压低的三相电压型逆变电路补偿低次谐波电流，直流侧电压高的三相电压型逆变电路补偿高次谐波电流。可以在降低损耗的前提下，改善谐波电流补偿效果。
虽然本申请提供了如实施例或流程图所述的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的手段可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的装置或客户端产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境，甚至为分布式数据处理环境)。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、产品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、产品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，并不排除在包括所述要素的过程、方法、产品或者设备中还存在另外的相同或等同要素。
上述实施例阐明的装置或模块等，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种模块分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现，也可以将实现同一功能的模块由多个子模块的组合实现等。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内部包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构、类等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
本说明书中的各个实施例采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种有源电力滤波器，其特征在于，包括：
第一三相电压型逆变电路，与三相电网并联，用于补偿低次谐波电流；
第二三相电压型逆变电路，与所述三相电网并联，与所述第一三相电压型逆变电路并联；
升压斩波电路，与所述第二三相电压型逆变电路并联，所述升压斩波电路的输出端作为所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源，所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压源作为所述升压斩波电路的输入电压源，所述第二三相电压型逆变电路和所述升压斩波电路用于补偿高次谐波电流；
所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压，高于所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压。
2.如权利要求1所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述第一三相电压型逆变电路包括检测电路、控制模块、PWM驱动电路，构成电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述第一三相电压型逆变电路的输出电流；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电流数据和第一指令电流值，控制所述第一三相电压型逆变电路的输出电流。
3.如权利要求1所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述第二三相电压型逆变电路包括检测电路、控制模块、PWM驱动电路，构成电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述第二三相电压型逆变电路的输出电流；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电流数据和第二指令电流值，控制所述第二三相电压型逆变电路的输出电流。
4.如权利要求1所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述升压斩波电路包括检测电路、控制模块、PWM驱动电路，构成电压控制闭环和电流控制闭环，
所述检测电路用于检测所述升压斩波电路的输出电压和输出电流；
所述PWM驱动电路用于根据所述检测电路反馈的输出电压数据、输出电流数据和指令电压值，控制所述升压斩波电路的输出电压，即所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压源的电压。
5.如权利要求2所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述控制所述第一三相电压型逆变电路的输出电流，包括：利用所述电流控制闭环，控制所述输出电流与所述第一指令电流值的差值在预设范围内。
6.如权利要求5所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述第一指令电流值的生成方式包括：
利用谐波检测电路，分别检测得到负载电流的5次谐波和7次谐波，对所述5次谐波和所述7次谐波经过abc/dq变换后进行低通滤波，然后再进行dq/abc变换后叠加生成所述第一指令电流值。
7.如权利要求3所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述控制所述第二三相电压型逆变电路的输出电流，包括：利用所述电流控制闭环，控制所述输出电流与所述第二指令电流值的差值在预设范围内。
8.如权利要求7所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述第二指令电流值的生成方式包括：
利用谐波检测电路，检测负载电流谐波，将所述负载电流谐波经过abc/dq变换后进行低通滤波，然后再进行dq/abc变换，将低通滤波后的谐波电流减去低通滤波后的5次谐波和低通滤波后的7次谐波，得到所述第二指令电流值。
9.如权利要求1所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，所述升压斩波电路用于将所述第一三相电压型逆变电路的直流侧电压升高后作为所述第二三相电压型逆变电路的直流侧电压。
10.如权利要求6或8所述的一种有源电力滤波器，其特征在于，还包括锁相环，用于确定所述abc/dq变换和所述dq/abc变换的角度数据，所述锁相环根据所述电网的三相电源电压确定所述角度数据。
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