CN1319929A - 一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器,包括PWM控制器及与该PWM控制器分别相联的PWM变流器、电网电压同步定向控制电路和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路;模块并联均流电路连接在PWM控制器和PWM变流器主电路之间;PWM变流器与输出耦合变压器相连接,使有源电力滤波器输出容量增大,可实现模块并联,生产成本低;控制电网电流中的谐波分量趋于零,达到电网电流谐波抑制的目标。

Description

一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器

本发明涉及一种电力系统谐波抑制和无功功率补偿的模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器。

目前，电力系统中大量采用并联型无源LC滤波器来抑制谐波，它由电容器、电抗器、电阻器组成，通过对某些次数的谐波呈现出低阻抗来达到滤波的目的，同时还兼顾系统无功功率补偿的需要。由于无源LC滤波器存在以下几个方面的问题，影响到实际应用：①无源LC滤波器对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响大；②对电网频率偏移和谐波状况经常变化的情况滤波效果不好；③连接在同一电网中的其它非线性负载产生的谐波电流有可能流入LC无源滤波器，造成过负载；④电网系统阻抗和无源滤波器在某些频率下可能会发生串联或并联谐振。

为克服无源LC滤波器存在的上述缺陷，1976年，美国L.Gyugi提出了并联型有源电力滤波器方案，为电力系统中谐波的消除提供了一种有效的手段。其后又相继提出了串联型有源电力滤波器方案和混合型(或称综合型)有源电力滤波器方案。由于电力系统中对大容量谐波负载进行补偿的需要，有源电力滤波器技术得到了发展，其中并联型有源电力滤波器已经获得商业应用。日本东芝公司向市场提供容量为150～1000KVA的IGBT电压源变流器结构的并联型有源电力滤波器产品。

目前，有源电力滤波器的总体技术现状为：

①采用开关频率≤20KHZ的IGBT电压源变流器结构的并联型有源电力滤波器产品，其输出容量＜2000KVA，进一步扩容比较困难；②采用开关频率1～2KHZ的GTO电压源变流器结构及输出变压器多重化技术研制的并联型有源电力滤波器，其输出容量可达到100MVA等级，但是要形成系列化产品有困难，而且GTO电压源变流器制作工艺比较复杂；③目前除并联型有源电力滤波器外，其他接入电网方式的有源电力滤波器还没有走入商用化；④目前还没有采用电网电流统一闭环控制的有源电力滤波器和具有自主均流功能的模块化有源电力滤波器。

本发明的目的是要提供一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器。采用模块并联的技术方案，实现有源电力滤波器输出容量的增大，提高有源电力滤波器系统的等效开关频率，得到更好的谐波抑制效果；另一方面，对于不同接入电网方式采用统一的电网电流闭环控制方案，减少有源电力滤波器模块的种类，降低生产成本，易于实现有源电力滤波模块生产的标准化、批量化，而且对电网电流波形的控制更加精确和可靠。

本发明的技术方案：包括：PWM控制器3、与该PWM控制器3分别相联的PWM变流器1、电网电压同步定向控制电路4和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路6；模块并联均流电路5连接在PWM控制器3和PWM变流器主电路1之间；PWM变流器1与输出耦合变压器2相连接：

所述PWM变流器1(Pulse Width Modulation Converter)由3相IGBT全桥模块和与之相连的电解电容Cd1、Cd2和滤波用3相电感L_R组成；

所述电网电压同步定向控制电路4：三相交流经3相/2相坐标变换器将电网电压正序基波矢量定向在两相同步旋转坐标系(d、q)的d轴上，也即使电网电压的基波正序分量矢量与d轴重合，其q轴分量eq经低通滤波器LPF输入至比例与积分控制环节PI，三相交流中的ea经锁相环PLL将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号，该信号与比例与积分控制环节PI的输出信号在加法器中相加后的输出信号输入至3相/2相坐标变换器，确定电网电压同步；所述锁相环PLL由低通滤波器、锁相环、分频器和数据锁存器组成，在A相由负变正过零点时作为基准，将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号；

所述模块并联均流电路5中，3相输出电流经平均值电路取得平均值输入至均流控制电路，该均流控制电路的控制输出信号与PWM变流器直流侧电压参考信号U^*＇dc经加法器叠加后作为参与PWM控制的直流侧电压参考信号U^*dc；

所述PWM控制器3由微处理器(CPU)及分别与之相的程序存贮器、数据存贮器、模拟/数字信号转换电路、PWM控制输出光电隔离与耦合电路组成。

由于本发明从电网电流(i_sa、i_sb、i_sc)的基波有功分量和基波无功分量提取到需要补偿的电网电流谐波分量或无功分量，控制PWM变流器提供相应的补偿量，补偿电网电流谐波分量或无功分量，并控制PWM变流器直流侧电压Udc稳定，实现有源电力滤波器输出容量的增大，提高有源电力滤波器系统的等效开关频率，得到更好的谐波抑制效果。

以下通过附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明原理框图；

图2为PWM变流器原理框图；

图3为电网电压同步定向控制锁相环原理框图；

图4是电网电压同步定向控制结构框图；

图5为模块并联均流电路原理框图；

图6为PWM控制器原理框图；

图7为并联接入电网方式示意图；

图8为并联接入电网方式时电网电流基波分量提取示意图；

图9为并联接入电网方式时电网电流基波有功分量提取示意图；

图10为串联接入电网方式示意图；

图11为串联接入电网方式时电网电流基波分量提取示意图；

图12为混合接入电网方式示意图；

图13为混合接入电网方式时电网电流基波分量提取示意图。

其中，LPF表示低通滤波器，PI表示比例与积分控制环节，[C]的含义及表达式见图4中说明。[C]^T是[C]的转置矩阵。

i_sa、i_sb、i_sc是电网电流；

i_d、i_q是电网电流的d、q轴分量；

i_d 、 i_q 是电网电流基波正序分量的d、q轴分量；

U^*dc是PWM变流器的直流侧电压参考信号；

U_dc是PWM变流器的直流侧电压检测信号；

i_sfa、i_sfb、i_sfc是电网电流的基波正序分量；

i_da、i_db、i_dc是电网电流的基波正序有功分量；

i_qa、i_qb、i_qc是电网电流的基波正序无功分量。

如图1，包括：PWM控制器3、与该PWM控制器3分别相联的PWM变流器主电路1、电网电压同步定向控制电路4和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路6；模块并联均流电路5连接在PWM控制器3和PWM变流器主电路1之间；PWM变流器1与输出耦合变压器2相连接。PWM即为脉宽调制的英文缩写。

所述PWM变流器1(Pulse Width Modulation Converter)由3相IGBT全桥模块和与之相连的电解电容Cd1、Cd2和滤波用3相电感L_R组成，电解电容Cd1、Cd2的串联电路两端的电压即为PWM变流器直流侧电压：其结构示意图见图2。电解电容器(Cd1、Cd2)，一方面用于稳定直流侧电压Udc，另一方面用于有功功率平衡，补偿变流器自身的损耗。PWM变流器在PWM控制器的控制下提供电网所需要的谐波电流或谐波电压，从而实现谐波抑制或无功功率补偿。

所述电网电压同步定向控制电路4：三相交流经3相/2相坐标变换器将电网电压正序基波矢量定向在两相同步旋转坐标系(d、q)的d轴上，也即使电网电压的基波正序分量矢量与d轴重合，其q轴分量eq经低通滤波器LPF输入至比例与积分控制环节PI，三相交流中的ea经锁相环PLL将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号，该信号与比例与积分控制环节PI的输出信号在加法器中相加后的输出信号输入至3相/2相坐标变换器，确定电网电压同步；所述锁相环PLL由低通滤波器、锁相环、分频器和数据锁存器组成，在A相由负变正过零点时作为基准，将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号：电网A相电压ea经过低通滤波器、锁相环(74HC4046A)、分频器(74HC4040)和数据锁存器(74HC373)而得到ea的8位数字相位角度(Q₇,Q₆,…,Q₀)，也即二进制数值00000000～11111111代表ea的相位角度0°～360°，图3说明了ea的同步锁相框图。图4是电网电压同步定向控制结构框图，目的在于将电网电压正序基波矢量定向在两相同步旋转坐标系(d、q)的d轴上，也即使电网电压的基波正序分量矢量与d轴重合。电网电压同步定向控制对该有源电力滤波器有两个作用：①采用电网电压基波正序分量矢量与d轴重合，实现电网电流中谐波分量、基波有功分量和基波无功分量的精确提取，保证电网电流被补偿后是3相对称分布的正弦基波；②采用电网电压基波正序分量矢量与d轴重合，为并联运行的该有源电力滤波器模块提供共同的、稳定的和正确的电压矢量相位基准，使各并联运行的该有源电力滤波器模块输出的电流之间相位差很小，有利于该有源电力滤波器模块的并联均流运行。

图4中的3相/2相坐标变换器中从(A、B、C)3相坐标系变换到(d,q)2相同步旋转坐标系时的变换矩阵[C]表达式如下： $\[C\]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})& -\mathrm{Cos}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\\ \mathrm{Cos}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})& \mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\end{array}\right]\·\sqrt{2/3}\·\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]$ 其中ωt+φ是图4中的电网电压同步定向角度。ed和eq是电网-电压的d、q轴分量， $\left[\begin{array}{c}\mathrm{ed}\\ \mathrm{eq}\end{array}\right]=\[C\]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{ea}\\ \mathrm{eb}\\ \mathrm{ec}\end{array}\right]$

图5为模块并联均流电路原理框图，3相输出电流经平均值电路取得平均值输入至均流控制电路，该均流控制电路的控制输出信号与PWM变流器直流侧电压参考信号U^*＇dc经加法器叠加后作为参与PWM控制的直流侧电压参考信号U^*dc；实现输出电流均衡，使输出电流(i_LA、i_LB、i_LC)相互偏差较小；3相输出电流经采样与取平均值电路后得到代表3相输出电流的直流量it送入Unitrode公司生产的均流芯片(如UC3907、UC2907、UC3902及UC2902等)，该均流芯片采用最大电流自动跟踪原理，与均流片相联接的均流母线上的电压信号代表所有该并联模块输出电流中的最大值信号，均流芯片的控制输出信号ΔU与PWM变流器直流侧电压参考信号U^*＇dc叠加后得到U^*dc作为新的直流侧电压参考信号参与PWM控制。通过PWM控制器调节各自模块的输出电流去跟踪输出电流的最大值，达到自主均流的目标。

所述PWM控制器3由微处理器(CPU)及分别与之相连的程序存贮器、数据存贮器、模拟/数字信号转换电路、PWM控制输出光电隔离与耦合电路组成。

PWM控制器3通过检测电网电流(i_sa、i_sb、i_sc)的基波有功分量和基波无功分量提取到需要补偿的电网电流谐波分量或无功分量，控制PWM变流器提供相应的补偿量，补偿电网电流谐波分量或无功分量，并控制PWM变流器直流侧电压Udc稳定，电网电流的统一闭环控制由CPU用软件来实现。微处理器(CPU)也可以由数字信号处理器(DSP)代替。

图7～图9是本发明的有源电力滤波器并联接入电网时的例子。

此时，电网电流的谐波分量为

i_sha=i_sa-i_sfa

i_shb=i_sb-i_sfb

i_sHC=i_sc-i_sfc

电网电流的谐波分量和基波无功分量之和为

i_sha+i_qa=i_sa-i_da

i_shb+i_qb=i_sb-i_db

i_sHC+i_qc=i_sc-i_dc

本发明的有源电力滤波器在并联接入电网时，PWM控制器通过检测电网电流的谐波分量(谐波分量与基波无功分量之和)，并输出相应的PWM控制信号给PWM变流器使之提供电网非线性负载所需的谐波电流(谐波电流与基波无功电流之和)，使负载所需的谐波电流(谐波电流以与基波无功电流之和)由该有源电力滤波器全部提供，从而控制电网电流中的谐波分量(谐波分量和基波无功电流分量)趋于零，达到电网电流谐波抑制(谐波抑制与无功功率补偿)的目标。

图8和图9中均有一个Udc闭环控制环节，用于稳定PWM变流器的直流侧电压。

图10和图11是该有源电力滤波器串联接入电网时的实施例。其中，TF是串联耦合变压器，目的在于使PWM变流器的电压和电流容量取值合理。其余符号含义与图8和图9一致。

此时，电网电流的谐波分量为

i_sha=i_sa-i_sfa

i_shb=i_sb-i_sfb

i_sHC=i_sc-i_sfc

该有源电力滤波器在串联接入电网时，PWM控制器通过检测电网电流的谐波分量，输出相应的PWM控制信号给PWM变流器，使提供与电网电压谐波分量方向相反的谐波电压，使负载侧不出现电网的谐波电压，同时使负载侧的谐波电流只向并联型LC滤波器，而不流向电网。从而控制电网电流谐波分量趋于零，达到电网电流谐波抑制的目标。图11中的Udc闭环控制环节，也是用于稳定PWM变流器的直流侧电压。

图12和图13有源电力滤波器混合接入电网时的实施例。其中的符合含义与图7～图11中一致。TF串联耦合变压器的作用与图10中一致。

此时，电网电流的谐波分量为

i_sha=i_sa-i_sfa

i_shb=i_sb-i_sfb

i_sHC=i_sc-i_sfc

该有源电力滤波在混合接入电网时，PWM控制器通过检测电网电流的谐波分量，输出相应的PWM控制信号给PWM变流器，使提供与电网谐波分量方向相反的谐波电压，使负载侧不出现电网的谐波电压，同时使负载侧的谐波电流只流向无源LC滤波器，而不流向电网。从而控制电网电流谐波分量趋于零，达到电网电流谐波抑制的目标。图13中的Udc闭环控制环节，也是用于稳定PWM变流器的直流侧电压。

该有源电力滤波器在各种不同的接入电网连接方式下，采用统一的电网电流环控制方案，各自控制方案之间的差别很小，主要在于PWM变流器的直流侧电压稳定控制环节的位置稍有差别。这有利于在同一种该有源电力滤波器模块的基础上实现不同接入电网方式的统一控制方案，对电网电流波形的控制更加精确和可靠。

关于电网电流的统一闭环控制方案：

1、对于不同的接入电网方式均采用电网电流的闭环控制方案，直接控制电网电流中的谐波分量或无功分量趋于零；

2、对于不同的接入电网方式，检测电网电流提取其谐波分量或无功分量采用电流控制使电网电流谐波分量或无功分量趋于零；

PWM控制器对提取出的电网电流谐波分量或无功分量采用相同的电流控制PWM控制方案，即对PWM变流器，PWM控制器采用相同的开关函数(Sa、Sb、Sc)。

3、对于不同的接入电网方式，电网电流的统一闭环控制方案之间只有PWM变流器直流侧电压Udc闭环控制环节的叠加位置有所不同：对于并联接入电网方式，Udc闭环控制环节叠加在电网电流基波分量(基波有功分量)提取通路的d轴通路上；对于串联接入电网方式，Udc闭环控制环节叠加在电网电流基波分量提取通路的q轴通路上；对于混合接入电网方式，Udc闭环控制环节叠加在电网电流基波分量提取通路的d轴通路上。

本发明的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器可以方便地并联使用，扩大输出容量，便于模块化、标准化，使扩容快捷、可靠，降低生产成本；对于不同的接入方式，可以采用统一的电网电流闭环控制技术，有利于减少有源电力滤波器的种类。

另外，当电网发生过压，欠压及该有源电力滤波器模块发生过压、欠压、过流及短路等故障时，利用电网电压、电网电流、PWM变流器直流侧电压、该有源电力滤波器输出电压与电流信号，产生故障信号送入CPU或DSP中，由CPU或DSP发出故障指示，并进行相应的保护动作。

Claims (13)

1、一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于：包括：PWM控制器(3)、与该PWM控制器(3)分别相联的PWM变流器主电路(1)、电网电压同步定向控制电路(4)和过压、欠压、过流及短路故障检测与保护电路(6)；模块并联均流电路(5)连接在PWM控制器(3)和PWM变流器主电路(1)之间；PWM变流器(1)与输出耦合变压器(2)相连接。

2、如权利要求1的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述PWM变流器(1)由3相IGBT全桥模块和与之相连的电解电容Cd1、Cd2和滤波用3相电感L_R组成。

3、如权利要求1的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述电网电压同步定向控制电路(4)：包括3相/2相坐标变换器、低通滤波器LPF、比例与积分控制环节PI和加法器，所述3相/2相坐标变换器将三相交流电网电压正序基波矢量定向在两相同步旋转坐标系(d、q)d轴上、也即使电网电压的基波正序分量矢量与d轴重合，其q轴分量eq经低通滤波器LPF输入至比例与积分控制环节PI，三相交流中的A相电压ea经锁相环PLL将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号，该信号与比例与积分控制环节PI的输出信号在加法器中相加后的输出信号输入至3相/2相坐标变换器，确定电网电压同步。

4、如权利要求1或3的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述锁相环PLL由低通滤波器、锁相环、分频器和数据锁存器组成，在A相由负变正过零点时作为基准，将电网相电压相位角度由模拟信号转换成数字信号。

5、如权利要求1的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述模块并联均流电路(5)中，3相输出电流经平均值电路取得平均值输入至均流控制电路，该均流控制电路的控制输出信号与PWM变流器直流侧电压参考信号U^*＇dc经加法器叠加后作为参与PWM控制的直流侧电压参考信号U^*dc；

6、如权利要求1的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述PWM控制器(3)由微处理器(CPU)及分别与之相的程序存贮器、数据存贮器、模拟/数字信号转换电路、PWM控制输出光电隔离与耦合电路组成。

7、如权利要求1或3的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述电网电压同步定向控制电路(4)的3相/2相坐标变换器进行变换： $\left[\begin{array}{c}\mathrm{ed}\\ \mathrm{eq}\end{array}\right]=\[C\]\·\left[\begin{array}{c}\mathrm{ea}\\ \mathrm{eb}\\ \mathrm{ec}\end{array}\right]$ $\[C\]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})& -\mathrm{Cos}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\\ \mathrm{Cos}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})& \mathrm{Sin}(\mathrm{\ωt}+\mathrm{\φ})\end{array}\right]\·\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]$ 其中ωt+φ是电网电压同步定向角度，ed和eq是电网-电压的d、q轴分量。

8、如权利要求1的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述PWM控制器(3)对提取出的电网电流谐波分量或无功分量采用相同的电流控制PWM控制方案，即对PWM变流器(1)，PWM控制器(3)采用相同的开关函数(Sa、Sb、Sc)。

9、如权利要求1或2的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述PWM变流器(1)直流侧电压Udc闭环控制环节叠加在电网电流基波分量(基波有功分量)提取通路的d轴通路上。

10、如权利要求1或2的一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器，其特征在于所述PWM变流器(1)直流侧电压Udc闭环控制环节叠加在电网电流基波分量提取通路的q轴通路上。

11、一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器的使用方法，其特征在于采用并联接入电网方式。

12、一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器的使用方法，其特征在于采用串联接入电网方式。

13、一种模块化可并联扩容、统一控制的有源电力滤波器的使用方法，其特征在于采用混合接入电网方式。

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