CN110739693A - 一种单相半桥有源滤波器的控制方法、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单相半桥有源滤波器的控制方法、装置及设备，该方法包括：获取当前时刻的负载电流、电网电压、两个直流电容电压和半桥逆变电路输出电流。利用单相锁相环，获取电网电压对应的当前时刻的交流电网相位值；根据负载电流、两个直流电容电压值和交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流；根据当前时刻的半桥逆变电路指令电流和输出电流形成半桥逆变电路的驱动信号。可见，本发明直接利用负载电流生成逆变电路指令电流，排除了其他方法必须对负载电流进行分解以获得谐波指令电流的不足，不仅使整个有源滤波器控制更为简单而且还能充分利用单相半桥逆变电路结构简单的优点。

Description

一种单相半桥有源滤波器的控制方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及有源滤波技术领域，特别涉及一种单相半桥有源滤波器的控制方法、装置及设备。
背景技术
由于单相电网中的各类型非线性负载的大量使用，使得单相电网遭受到了严重污染，为对单相电网进行有效治理，需要开发适合单相电网的有源滤波器(APF)。目前，对单相有源滤波器的研究主要集中在单相全桥结构的有源滤波器上，而对其他结构的单相有源滤波器研究不多，对这些结构的有源滤波器的控制也少有人关注。尽管现有的有源滤波器拓扑控制的性能令人满意，但由于成本、可靠性和开关损耗的原因，采用如图1所示的单相半桥有源滤波器也受到了极大关注。如余炎等人对单相半桥有源滤波器控制进行了分析，但在控制中仍然沿用了常规单相全桥结构有源滤波器控制方案，即通过对负载电流进行分解，计算出补偿需要的谐波指令电流作为控制模块的给定，控制模块通过控制VT1～VT2的开通和关断。这种控制方案需要进行大量的数学运算，并且无法对单相半桥有源滤波器中的两个直流电压进行均压控制。
因此，如何能够以更加简单和成本更低的方案对单相半桥有源滤波器进行有效控制，是现今急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相半桥有源滤波器的控制方法、装置及设备，以利用简单易行的控制方案，来实现对单相半桥有源滤波器的有效控制。
为解决上述技术问题，本发明提供一种单相半桥有源滤波器的控制方法，包括：
获取当前时刻的负载电流、电网电压、两个直流电容电压和半桥逆变电路输出电流；
利用单相锁相环，获取所述电网电压对应的当前时刻的交流电网相位值；
根据所述负载电流、所述两个直流电容电压值和所述交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流；
根据所述当前时刻的半桥逆变电路指令电流和输出电流形成半桥逆变电路的驱动信号；
优选的，根据所述负载电流、所述两个直流电容电压值和所述交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流，包括：
利用ΔVdc(k)＝Vdc1(k)-Vdc2(k)计算所述当前时刻两个直流电容电压差；其中Vdc1(k)为第一直流电容上的电压，Vdc2(k)为第二直流电容上的电压，k为所述当前时刻；
利用
Figure BDA0002271613450000021
计算交流电网输入指令电流峰值，其中Vdc＝Vdc1+Vdc2，k-1为所述当前时刻的前一时刻，kp和kI为第一控制参数和第二控制参数；
利用
Figure BDA0002271613450000022
计算交流电网输入指令电流，其中θ(k)为所述当前时刻交流电网相位值；
利用
Figure BDA0002271613450000023
计算半桥逆变电路指令电流，其中iL(k)为所述当前时刻负载电流，ke为第三控制参数。
优选的，所述获取当前时刻的负载电流、电网电压、两个直流电容电压和半桥逆变电路输出电流，包括：
通过采样电路获取所述负载电流、所述电网电压、所述两个直流电容电压和所述半桥逆变电路输出电流。
优选的，根据所述负载电流、所述两个直流电容电压值和所述交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流，还包括：
将所述半桥逆变电路指令电流与所述半桥逆变电路输出电流之差输出到滞环比较器，获取所述滞环比较器输出的PWM调制脉冲，以进行电流跟踪补偿。
本发明还提供了一种单相半桥有源滤波器控制装置，包括：
采样获取模块，用于获取当前时刻的负载电流、所述电网电压、所述两个直流电容电压和所述半桥逆变电路输出电流；
相位计算模块，用于利用所述单相锁相环，获取所述电网电压对应的所述当前时刻的交流电网的相位值；
半桥逆变电路指令电流计算模块，用于根据所述负载电流、所述电网电压、所述两个直流电容电压，计算所述半桥逆变电路指令电流；
此外，本发明还提供了一种单相半桥有源滤波器控制设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的单相半桥有源滤波器控制方法的步骤。
可见，本发明直接利用负载电流生成逆变电路指令电流，排除了其他方法必须对负载电流进行分解以获得谐波指令电流的不足，不仅使整个有源滤波器控制更为简单而且还能充分利用单相半桥逆变电路结构简单的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种单相半桥有源滤波器的拓扑结构；
图2为现有技术中的单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的示意图；
图3为本发明实施例所提供的一种单相半桥有源滤波器控制方法的流程图；
图4为本发明实施例所提供的另一种单相半桥有源滤波器控制方法的流程示意图；
图5为补偿前负载电流的工作波形；
图6为补偿后负载电流的工作波形；
图7为两个直流电容电压值；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图3，图3为本发明实施例所提供的一种单相半桥有源滤波器控制方法的流程图。该方法可以包括：
步骤101：获取当前时刻的负载电流、电网电压、两个直流电容电压和半桥逆变电路输出电流。
其中，本步骤的目的可以为如低成本的MCU(Micro Control Unit，单片微型计算机或者单片机)芯片的获取计算当前时刻的谐波指令电流所需的负载电流(非线性负载侧电流)、电网电压(单相电网电压)和直流侧两个电容上的电压。
具体的，对于如MCU芯片的处理器获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧两个电容上的电压的具体方式，可以由设计人员根据使用场合和用户需求自行设置，如可以由MCU芯片直接采集获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧两个电容上的电压。考虑到现有MCU芯片的采样速率和计算能力，也可以设置采样电路为MCU芯片提供当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧两个电容上的电压对应的采样信号，如采样电路的采样频率可以设置为fs＝10kHz，即MCU芯片通过采样电路获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压。只要处理器可以获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧两个电容上的电压，本实施例对此不做任何限制。
步骤102：利用单相锁相环，获取电网电压对应的当前时刻的交流电网相位值。
其中，本步骤的目的是利用单相的锁相环(Phase Locked Loop，PLL)，对采样得到的当前时刻的电网电压进行计算，获取对应的交流电网的相位值，锁相环将对采样得到的当前时刻的电网电压Vs进行计算，并求出此时刻的相位值θ(k)。
可以理解的是，对于本步骤中单相锁相环对当前时刻的电网电压进行计算，获取当前时刻的交流电网的相位值的具体过程，可以采用与现有技术相同或相似的方式实现，只要如MCU芯片的处理器可以利用单相锁相环，获取当前时刻的电网电压对应的当前时刻的交流电网的相位值。本实施例对此不做任何限制。
步骤103：根据负载电流、两个直流电容电压值和交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流。
其中，本步骤的目的可以为如MCU芯片的处理器，利用当前时刻的负载电流、两个直流电容电压值和交流电网相位值获取当前时刻。
具体的，本步骤可以包括：
步骤201：利用ΔVdc(k)＝Vdc1(k)-Vdc2(k)计算所述当前时刻两个直流电容电压差；其中Vdc1(k)为第一直流电容上的电压，Vdc2(k)为第二直流电容上的电压，k为所述当前时刻；可以理解的是，本步骤中的当前时刻k所在的预设时间间隔，可以由设计人员或用户自行设置。
步骤202：利用
Figure BDA0002271613450000053
计算交流电网输入指令电流峰值，其中Vdc＝Vdc1+Vdc2，k-1为所述当前时刻的前一时刻，kp和kI为第一控制参数和第二控制参数；可以理解的是，本步骤中的第一控制参数和第二控制参数由设计人员或用户自行设置根据主回路参数来进行设置。
步骤203：利用
Figure BDA0002271613450000052
计算交流电网输入指令电流，其中θ(k)为所述当前时刻交流电网相位值；
步骤204：利用计算半桥逆变电路指令电流，其中iL(k)为所述当前时刻负载电流，ke为第三控制参数。可以理解的是，本步骤中的第三控制参数也由设计人员或用户自行设置根据主回路参数来进行设置。
需要说明的是，由于在电流跟踪补偿控制时，有源滤波器会产生一个与谐波电流大小相同、方向相反的电流来使他们互相抵消，以达到补偿谐波的目的，补偿电流对期望电流的跟踪情况直接关系到谐波的补偿效果。采用电流滞环比较控制法，需要将本步骤计算得到的当前时刻的半桥逆变电路指令电流
Figure BDA0002271613450000051
和当前时刻的实际的补偿电流值iC进行作差计算，并将得到的差值给到滞环比较控制器中，得到相应的PWM调制脉冲。滞环比较控制中由于电流反馈的存在，加快了动态响应速度，增强了抑制环内扰动的能力，控制精度较高，对负载的适应能力强。但开关频率、开关损耗以及控制的精度都受到滞环宽度的影响，滞环带越窄，控制的精度就越高，开关频率也越高，从而增大了开关损耗。反之，滞环带越宽，控制精度越低，但降低了开关频率，从而也降低了开关损耗。
也就是说，本步骤之后还可以包括将当前时刻的半桥逆变电路指令电流与当前时刻的补偿电流之差输出到滞环比较控制器，获取滞环比较控制器输出的PWM调制脉冲，以进行电流跟踪补偿的步骤。对应的，步骤101中不仅可以获取当前时刻的负载电流、电网电压和两个直流电容电压值，还可以获取当前时刻的补偿电流；如处理器可以通过采样电路获取当前时刻的负载电流、电网电压、两个直流电容电压值和补偿电流。
本实施例中，本发明实施例无需对负载电路进行分解，计算量少，对MCU的性能要求低。此外本发明实施例还能对单相半桥有源滤波器中的两个直流电容电压进行均压控制。
此外，本发明还提供了一种单相半桥有源滤波器控制设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现如上述实施例所提供的单相半桥有源滤波器控制方法的步骤。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置及设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的一种单相半桥有源滤波器控制、装置及设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种单相半桥有源滤波器的控制方法，其特征在于，包括：
获取当前时刻的负载电流、电网电压、两个直流电容电压和半桥逆变电路输出电流；
利用单相锁相环，获取所述电网电压对应的当前时刻的交流电网相位值；
根据所述负载电流、所述两个直流电容电压值和所述交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流；
根据所述当前时刻的半桥逆变电路指令电流和输出电流形成半桥逆变电路的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的单相半桥有源滤波器的控制方法，其特征在于，根据所述负载电流、所述两个直流电容电压值和所述交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流，包括：
利用ΔVdc(k)＝Vdc1(k)-Vdc2(k)计算所述当前时刻两个直流电容电压差；其中Vdc1(k)为第一直流电容上的电压，Vdc2(k)为第二直流电容上的电压，k为所述当前时刻；
利用
Figure FDA0002271613440000011
计算交流电网输入指令电流峰值，其中Vdc(k)＝Vdc1(k)+Vdc2(k)，k-1为所述当前时刻的前一时刻，kp和kI为第一控制参数和第二控制参数；
利用
Figure FDA0002271613440000012
计算所述交流电网输入指令电流，其中θ(k)为所述当前时刻交流电网相位值；
利用
Figure FDA0002271613440000013
计算所述半桥逆变电路指令电流，其中iL(k)为所述当前时刻负载电流，ke为第三控制参数。
3.根据权利要求1至2任一项所述的单相半桥有源滤波器的控制方法，其特征在于，所述获取当前时刻的负载电流、电网电压、两个直流电容电压和半桥逆变电路输出电流，包括：
通过采样电路获取所述负载电流、所述电网电压、所述两个直流电容电压和所述半桥逆变电路输出电流。
4.根据权利要求3所述的单相半桥有源滤波器的控制方法，其特征在于，根据所述负载电流、所述两个直流电容电压值和所述交流电网相位值获取当前时刻的半桥逆变电路指令电流，还包括：
将所述半桥逆变电路指令电流与所述半桥逆变电路输出电流之差输出到滞环比较器，获取所述滞环比较器输出的PWM调制脉冲，以进行电流跟踪补偿。
5.一种单相半桥有源滤波器的控制装置，其特征在于，包括：
采样获取模块，用于获取当前时刻的负载电流、所述电网电压、所述两个直流电容电压和所述半桥逆变电路输出电流；
相位计算模块，用于利用所述单相锁相环，获取所述电网电压对应的所述当前时刻的交流电网的相位值；
半桥逆变电路指令电流计算模块，用于根据所述负载电流、所述电网电压、所述两个直流电容电压，计算所述半桥逆变电路指令电流。
6.一种单相半桥有源滤波器控制设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述的单相半桥有源滤波器控制方法的步骤。
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