CN113708615B - 一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统 - Google Patents

一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型BoostPFC系统，属于谐波与无功补偿技术领域，该可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型BoostPFC系统包括线路电阻Rg、电感Lg、变换器电源驱动负载RLd、BoostPFC变换器、补偿控制器、非线性负载、网侧电压us，所述网侧电压us一端与所述电感Lg连接，电感Lg另一端与所述线路电阻Rg连接，线路电阻Rg另一端并联所述BoostPFC变换器、补偿控制器、非线性负载；该并联型BoostPFC系统不仅能对低压配电网网侧谐波与无功进行同时补偿，还能保证自身非线性负载的稳定工作。

Description

一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC 系统
技术领域
本发明属于谐波与无功补偿技术领域，尤其涉及一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统。
背景技术
近年来，非线性负荷的大量使用，给低压配网带来了不同程度的电能质量问题，其中以谐波与无功问题最为严重。低压配网的谐波与无功治理主要有主动与被动两种方法，主动治理从产生谐波与无功的源头着手，如在驱动电源侧广泛应用的有源功率因数(Active PowerFactor Correction,APFC)变换器，而被动治理则是通过增加额外装置从网侧集中治理，如有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)，其中主动治理为更理想的治理方式，但是基于经济成本的考虑，大量小功率的非线性器件是不具有功率因数校正功能的，进而加剧了配网谐波与无功的治理难度。
传统的PFC技术仅用于实现单个电源的功率因数校正及其谐波抑制发射，随着电力电子技术的发展，在不改变配电网结构且不增加额外补偿装置的前提下，通过改变传统PFC变换器的控制策略来实现低压配网谐波与无功电流补偿的治理方案可为低压配网谐波与无功治理提供一种有效的解决思路。
现有技术中，1、在2016年IEEE第17届电力电子控制和建模研讨会(COMPEL)上的在智能配电系统中使用led照明驱动器消除谐波电流一文中提出利用带有功率因数校正的集群反激LED驱动器，通过计算开关管导通时间来控制变换器输人电流波形，从而实现对配网谐波与无功补偿的目的，但该文只通过Simulink仿真实验，针对带有PFC的反激LED驱动器，阐述了对相位为0和π的单次谐波补偿问题，并未在实际提出补偿低压配网网侧谐波与无功电流的具体补偿方案；2、Y.W.Li and J.He的配电系统谐波补偿方法与S.Munir andY.W.Li.Residential的采用光伏接口逆变器的住宅配电系统谐波补偿两文中提出利用可再生能源(光、风)功率变换器在不满负荷工作情况下来实现低压配网的谐波补偿，然而，这种解决方案取决于安装点是否具有可再生能源的开采价值，受环境因数影响巨大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统，该并联型Boost PFC系统在谐波与无功同时补偿时，Boost PFC变换器能有效补偿网侧电流谐波与无功的同时保证自身驱动负载稳定工作。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统，该可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统包括线路电阻Rg、电感Lg、变换器电源驱动负载RLd、Boost PFC变换器、补偿控制器、非线性负载、网侧电压us，所述网侧电压us一端与所述电感Lg连接，电感Lg另一端与所述线路电阻Rg连接，线路电阻Rg另一端并联所述Boost PFC变换器、补偿控制器、非线性负载。
优选的，所述Boost PFC变换器包括补偿信号跟踪控制电路、驱动电路、主电路、滤波电路，所述补偿信号跟踪控制电路一端与所述补偿控制器连接，与补偿控制器连接端通过补偿信号vc控制，另一端连接至驱动电路，驱动电路另一端与主电路连接，主电路另一端与滤波电路连接，滤板电路另一端连接至所述线路电阻Rg，主电路上还连接有变换器电源驱动负载RLd。
优选的，所述补偿控制器包括控制补偿电路，控制补偿电路一端与线路电阻Rg连接，另一端连接至所述补偿信号跟踪控制电路。
优选的，所述控制补偿电路包括电流输入，电路输入后经过经过数模转换得到检测电流，检测电流经过谐波与无功电流检测和有功电流检测得到理想补偿信号，理想补偿信号经过绝对值求值，再次经过数模转换得到补偿信号vc。
优选的，所述补偿信号vc通过Boost PFC变换器转换成Boost PFC变换器电流iC，具体的转化电路包括由放大器EA1构成的电压外环电路、放大器EA2构成的电压内环电路、电压比较器EC1，电压比较器EC1接收来自网侧电压us产生的电流信号。
本发明的有益效果是：本发明建立单相并联型结构，在不改变配电网结构且不增加额外补偿装置的前提下，谐波与无功同时补偿时，平均电流控制的Boost PFC变换器能有效补偿网侧电流谐波与无功的同时保证自身驱动负载稳定工作，该变换器在维持自身驱动负载稳定工作的同时，还能实现网侧谐波与无功电流的补偿。
附图说明
图1是本发明提供的一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统的Boost PFC变换器系统结构图；
图2是本发明提供的一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统的补偿控制器控制框图；
图3是本发明提供的一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统的Boost PFC变换器电路结构图；
图4是本发明提供的一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统的试验中谐波与无功补偿前us、iC、iS波形图；
图5是本发明提供的一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统的试验中谐波与无功补偿示意图；其中，图5(a)表示一个工频周期内谐波与无功补偿时us、理想补偿电流icall、iC波形；图5(b)表示谐波与无功补偿时is波形图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
请同时参考图1至图5，下面将结合附图对本发明实施例的可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统作详细说明。
该可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统包括线路电阻Rg、电感Lg、变换器电源驱动负载RLd、Boost PFC变换器、补偿控制器、非线性负载、网侧电压us，所述网侧电压us一端与所述电感Lg连接，电感Lg另一端与所述线路电阻Rg连接，线路电阻Rg另一端并联所述Boost PFC变换器、补偿控制器、非线性负载。
具体的，Boost PFC变换器包括补偿信号跟踪控制电路、驱动电路、主电路、滤波电路，所述补偿信号跟踪控制电路一端与所述补偿控制器连接，与补偿控制器连接端通过补偿信号vc控制，另一端连接至驱动电路，驱动电路另一端与主电路连接，主电路另一端与滤波电路连接，滤板电路另一端连接至所述线路电阻Rg，主电路上还连接有变换器电源驱动负载RLd。
具体的，补偿控制器包括控制补偿电路，控制补偿电路一端与线路电阻Rg连接，另一端连接至所述补偿信号跟踪控制电路。
具体的，控制补偿电路包括电流输入，电路输入后经过经过数模转换得到检测电流，检测电流经过谐波与无功电流检测和有功电流检测得到理想补偿信号，理想补偿信号经过绝对值求值，再次经过数模转换得到补偿信号vc。
具体的，补偿信号vc通过Boost PFC变换器转换成Boost PFC变换器电流iC，具体的转化电路包括由放大器EA1构成的电压外环电路、放大器EA2构成的电压内环电路、电压比较器EC1，电压比较器EC1接收来自网侧电压us产生的电流信号。
对于上述电压外环电路、电压内环电路，电压外环稳定输出电压，保证自身负载稳定工作，它的输出vv-EA可表示为
式中Vref是参考电压、V0是变换器输出电压、k1为输出电压采样系数；
电流内环实现对电流给定信号iref的跟踪，它的输出vi-EA可表示为
vi_EA＝irefRi-iLRs+vz (2)
其中
式中vz是电容Cz两端电压，Vff是输入电压的有效值。电流误差放大器输出vi-EA与锯齿波比较后产生PWM控制信号，从而驱动开关Q导通，实现电流对补偿信号的跟踪控制，则补偿电流iC的绝对值为
|iC|＝iL_avg＝irefRm0/Rs＝kvc (4)
其中
式中iL_avg是电感电流的平均值。由式(5)可知，k值由电压环输出决定，变换器电流对补偿信号进行很好的跟踪时，k值可视为1。由式(15)进一步得到补偿电流iC为
进而，由式(6)可知，Boost PFC变换器实现了补偿信号到补偿电流的转化。
本文提出的基于倍流电容网络的可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型BoostPFC系统，通过PSIM对非线性负载进行了仿真分析。谐波与无功补偿前，网侧电压、网侧电流以及变换器电流如图4所示，此时网侧电流THD为29％，其基波电流的功率因数(PowerFactor，PF)为0.85。谐波与无功补偿时，一个工频周期内，网侧电压、理想补偿电流信号与变换器电流如图5(a)所示，理想补偿电流信号在ac段始终大于0，cd段始终小于0，此时变换器能很好的跟踪补偿信号，理想补偿电流等于实际补偿电流，网侧电流补偿结果如图5(b)所示，其电流THD下降到2％，基波电流的功率因数提高到0.99，由此可知网侧电流的谐波与无功得到了很好的补偿。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统，其特征在于，该可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统包括线路电阻Rg、电感Lg、变换器电源驱动负载RLd、Boost PFC变换器、补偿控制器、非线性负载、网侧电压us，所述网侧电压us一端与所述电感Lg连接，电感Lg另一端与所述线路电阻Rg连接，线路电阻Rg另一端并联所述Boost PFC变换器、补偿控制器、非线性负载；
所述Boost PFC变换器包括补偿信号跟踪控制电路、驱动电路、主电路、滤波电路，所述补偿信号跟踪控制电路一端与所述补偿控制器连接，与补偿控制器连接端通过补偿信号vc控制，另一端连接至驱动电路，驱动电路另一端与主电路连接，主电路另一端与滤波电路连接，滤板电路另一端连接至所述线路电阻Rg，主电路上还连接有变换器电源驱动负载RLd；
所述补偿信号vc通过Boost PFC变换器转换成Boost PFC变换器电流iC，具体的转化电路包括由放大器EA1构成的电压外环电路、放大器EA2构成的电压内环电路、电压比较器EC1，电压比较器EC1接收来自网侧电压us产生的电流信号；
电压外环稳定输出电压，保证自身负载稳定工作，它的输出Vv-EA表示为：
式中Vref是参考电压、V0是变换器输出电压、k1为输出电压采样系数；
电流内环实现对电流给定信号iref的跟踪，它的输出Vi-EA表示为：
vi_EA＝irefRi-iLRs+vz (2)；
其中，
式中vz是电容Cz两端电压，Vff是输入电压的有效值；电流误差放大器输出vi-EA与锯齿波比较后产生PWM控制信号，从而驱动开关Q导通，实现电流对补偿信号的跟踪控制，则补偿电流iC的绝对值为：
|iC|＝iL_avg＝irefRm0/Rs＝kvc (4)；
其中，
式中iL_avg是电感电流的平均值；
由式(5)可知，k值由电压环输出决定，变换器电流对补偿信号进行跟踪时，k值视为1；由式(15)进一步得到补偿电流iC为：
进而，由式(6)可知，Boost PFC变换器实现了补偿信号到补偿电流的转化。
2.根据权利要求1所述的一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统，其特征在于，所述补偿控制器包括控制补偿电路，控制补偿电路一端与线路电阻Rg连接，另一端连接至所述补偿信号跟踪控制电路。
3.根据权利要求2所述的一种可同时补偿电网谐波与无功电流的并联型Boost PFC系统，其特征在于，所述控制补偿电路包括电流输入，电路输入后经过数模转换得到检测电流，检测电流经过谐波与无功电流检测和有功电流检测得到理想补偿信号，理想补偿信号经过绝对值求值，再次经过数模转换得到补偿信号vc。
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