CN1564415A - 统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法。其特征在于，在每一恒定频率的时钟信号周期开始时，时钟脉冲信号使RS触发器置位，复位的积分器对积分器开始的输出电压积分，当积分至比较器的两个输入值相等时，比较器的输出状态发生变化，RS触发器复位，RS触发器的反向端接复位的积分器的复位端，作为复位的积分器的复位信号后形成闭环控制。该方法可广泛用于三相四线制有源电力滤波器的谐波电流、无功电流和中线电流控制。

Description

统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器的技术领域，特别涉及一种统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，大量的电力电子装置接入电网。尤其近年来各种开关电源、不间断电源和电压型逆变器等装置的容量及用量越来越大，使电网中的谐波问题更加日益严重。谐波和无功电流增加了电网中元件的损耗，导致电网的功率因数降低，输电线传输能力下降，甚至引起电网局部的并联谐振和串联谐振及继电保护装置的误动作。谐波污染问题已经引起了世界各国的高度重视。

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，该装置最早提出于70年代初期。80年代以来，随着自关断电力电子器件的高频化，PWM技术的成熟及瞬时无功功率理论的提出，有源电力滤波器在谐波补偿中的研究及应用也逐渐深入。由于工业负载多为三相负载，近年来对三相有源滤波器的研究发展迅速。三相三线制有源电力滤波器发展较为成熟，目前已经进入实用阶段，但对于三相四线制有源电力滤波器的研究还仅限于实验研究阶段。

目前使用较多的是并联型有源滤波器。并联型有源电力滤波器的基本原理是：检测电网谐波和无功电流，然后产生与之大小相等、相位相反的电流，进行实时补偿，使电网电流为与电压同相位的正弦波，达到抑制谐波、补偿无功的目的。有源电力滤波器的补偿性能很大程度上取决于对畸变电流的实时、准确检测和逆变器输出电流的跟踪控制。目前检测补偿电流常用的方法是基于瞬时无功理论的i_p-i_q法，但这种方法要进行大量的实时运算，需要使用高速的数字微处理器和高性能A/D转换器，使得电路结构复杂，系统成本高，在一定程度上限制了有源滤波器的发展。

现有的三相四线制有源滤波器，目前还仅限于理论分析和实验研究。从目前所公开的专利及期刊文献来看，其补偿电流的检测方法一般均为基于瞬时无功理论的i_p-i_q方法，该方法先求出其零序电流分量，将零序分量从各相电流中剔除，再使用i_p-i_q法进行检测运算，进而求出三相四线制系统中的谐波、基波负序、无功及包括零序在内的补偿电流信号。但这种方法补偿电流检测电路结构复杂，成本高，限制了三相四线制有源滤波器的实用化发展。

统一恒频积分控制是一种非线性控制法，其基本原理是：控制开关占空比，在每个周期内使开关变量的平均值与控制参考相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差，实现对控制参考的瞬时跟踪。统一恒频积分控制方法克服了传统的PWM控制方法的不足，适用于各种脉宽调制、软开关、谐振开关等开关逆变器。

发明内容

本发明的目的是提供的一种统一恒频积分控制三相四线制有源电力滤波器的控制方法。该方法可有效地解决现有三相四线制有源电力滤波器存在的检测电路复杂、简化有源电力滤波器的控制电路等优点。

本发明可以通过以下的技术方案来加以实现。

统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，它依次含有以下步骤：

(1)通过建立三桥臂及四桥臂三相四线制电力滤波器的统一恒频积分控制的开关周期平均模型，并推导出其关键控制方程：

三桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制方程为，

其中，方程式中的E为直流侧电容电压，d_an、d_bn、d_cn分别为三个桥臂的下桥臂开关的占空比，R_s为电源输入电流测量电阻，R_e为补偿三相谐波和无功后，从电源侧看的等效电阻，i_sa、i_sb、i_sc分别为三相电源电流，Δu为两直流侧电容误差电压；

四桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制方程为，

其中，方程式中的 $u_m=\frac{K_1{\mathrm{ER}}_s}{R_e}$ 为电压调节器输出，其中E为直流侧电容电压，K₁为常数，R_s为电源输入电流测量电阻，R_e为补偿三相谐波和无功后，从电源侧看的等效电阻。d_an、d_bn、d_cn分别为三个桥臂的下桥臂开关的占空比，i′_sa、i′_sb、i′_sc、i′_so分别为三相电源电流和中线电流；

由以上控制方程可获得三桥臂三相四线制有源电力滤波器、四桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制电路；

(2)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，将电流传感器检测的三相电源电流R_si_sa、R_si_sb、R_si_sc分别作为三个比较器B1、B2、B3的输入，而对于四桥臂三相四线制有源电力滤波器，可通过电流传感器检测三相电源电流和中线电流，将R_si′_sa、R_si′_sb、R_si′_sc、R_si′_s0分别作为四个比较器b1、b2、b3、b4的输入；

(3)在直流侧将检测到的直流侧电压u_dc与参考电压u_ref相减，将电压误差信号通过电压调节器J0、j0运算作为复位的积分器J1、J2、J3、j1、j2、j3、j4的输入u_m；

(4)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，将电压调节器J0输出u_m分别接三个复位的积分器J1、J2、J3再与u_m相叠加得到U₄、U₅、U₆，并同时将直流侧两个电容电压u_c1、u_c2的差值Δu，经PI调节器后接复位的积分器J4、J5、J6，进行电压反馈积分复位控制，而对于四桥臂三相四线制的有源电力滤波器，则将电压调节器j0的输出分别接四个复位的积分器j1、j2、j3、j4；

(5)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，分别将U₄、U₅、U₆与复位的积分器J4、J5、J6的输出相叠加的信号U₁、U₂、U₃作为比较器B1、B2、B3的另一个输入，并与电源电流信号R_si_sa、R_si_sb、R_si_sc进行比较，比较器B1、B2、B3输出的信号分别接三个RS触发器的R端，RS触发器的S端接恒定频率的时钟信号T1；

(6)在四桥臂三相四线制有源电力滤波器中，分别将四个复位的积分器j1、j2、j3、j4的输出与u_m相叠加得到u₁、u₂、u₃、u₄作为比较器b1、b2、b3、b4的另一个输入，并与电源电流信号R_si’_sa、R_si’_sb、R_si’_sc、R_si’_so进行比较，比较器b1、b2、b3、b4输出的信号分别接四个RS触发器的R端，RS触发器的S端接恒定频率的时钟信号T2；

(7)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，RS触发器输出的控制信号Q_ap、Q_an、Q_bp、Q_bn、Q_cp、Q_cn分别作为主电路开关S_ap、S_an、S_bp、S_bn、S_cp、S_cn的控制信号实现主电路的PWM控制，在四桥臂三相四线制有源电力滤波器中，RS触发器输出的控制信号Q’_ap、Q’_an、Q’_bp、Q’_bn、Q’_cp、Q’_cn、Q’_op、Q’_on分别作为主电路开关S’_ap、S’_an、S’_bp、S’_bn、S’_cp、S’_cn、S’_op、S’_on的控制信号实现主电路的PWM控制。统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，在每一恒定频率的时钟信号T1、T2周期开始时，时钟脉冲信号使RS触发器置位，复位的积分器J1、J2、J3、j1、j2、j3、j4对电压调节器J0、j0开始的输出电压u_m积分，复位的积分器J4、J5、J6开始对PI调节器的输出积分，当积分至比较器B1、B2、B3、b1、b2、b3、b4的两个输入值相等时，比较器B1、B2、B3、b1、b2、b3、b4的输出状态发生变化，RS触发器复位，RS触发器的反向端 Q接复位的积分器J1、J2、J3、J4、J5、J6、j1、j2、j3、j4的复位端，作为复位的积分器J1、J2、J3、J4、J5、J6、j1、j2、j3、j4的复位信号后形成闭环控制。

本发明提出的统一恒频积分控制三相四线制有源电力滤波器控制方法，不需检测三相负载电流和三相电源电压，不需使用任何乘法器。本方案设计的控制器在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中可由6个以上的复位积分器，3个以上的触发器、3个以上的比较器和一个时钟电路组成，在四桥臂三相四线制有源电力滤波器中可由4个以上的复位积分器，4个以上的触发器、4个以上的比较器和一个时钟电路组成，从而可大大简化现有的有源电力滤波器的谐波检测电路和电流跟踪控制电路。

统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，不需要检测三相负载电流，不需要计算谐波电流和无功电流，也不需要使用任何乘法器，控制电路简单，能有效地实时补偿非线性负载所产生的谐波电流、无功电流和中线电流。该方法可广泛用于三相四线制有源电力滤波器的谐波电流、无功电流和中线电流控制。

附图说明

图1为统一恒频积分控制的三桥臂三相四线制有源电力滤波器的原理图。

图2为统一恒频积分控制的四桥臂三相四线制有源电力滤波器的原理图。

图3为统一恒频积分控制的三桥臂三相四线制有源电力滤波器的主电路等效电路。

图4为统一恒频积分控制的四桥臂三相四线制有源电力滤波器的主电路等效电路。

图5为统一恒频积分控制的三桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制器结构图。

图6为统一恒频积分控制的四桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制器结构图。

图7为统一恒频积分控制的三桥臂三相四线制有源电力滤波器的补偿前的波形图。

图8为统一恒频积分控制的三桥臂三相四线制有源电力滤波器的补偿后的波形图。

图9为统一恒频积分控制的四桥臂三相四线制有源电力滤波器的补偿前的波形图。

图10为统一恒频积分控制的四桥臂三相四线制有源电力滤波器的补偿后的波形图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述。

统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，它可以由以下方式来实施。

对于三桥臂三相四线制有源电力滤波器，通过电流传感器检测三相电源电流，将R_si_sa、R_si_sb、R_si_sc分别作为三个比较器B1、B2、B3的输入信号，其输出信号可作为触发器C1、C2、C3的控制信号(图5所示)；对于四桥臂三相四线制有源电力滤波器，通过电流传感器检测三相电源电流和中线电流，将R_si′_sa、R_si′_sb、R_si′_sc、R_si′_s0分别作为四个比较器b1、b2、b3、b4的输入信号，其输出信号可作为触发器c1、c2、c3、c4的控制信号(图6所示)。

直流侧将检测到的直流侧电压u_dc与参考电压u_ref相减，将电压误差信号通过电压调节器J0、i0运算作为复位的积分器J1、J2、J3、j1、j2、j3、j4的输入u_m进行复位积分控制(图5、图6所示)。

三桥臂三相四线制有源电力滤波器，将电压调节器J0输出u_m分别接三个复位的积分器J1、J2、J3再与u_m相叠加得到U₄、U₅、U₆，并同时将直流侧两个电容电压u_c1、u_c2的差值Δu，经PI调节器后接复位的积分器J4、J5、J6，进行电压反馈积分复位控制，而对于四桥臂三相四线制的有源电力滤波器，则将电压调节器j0的输出分别接四个复位的积分器j1、j2、j3、j4进行复位积分控制。

三桥臂三相四线制有源电力滤波器，可分别将U₄、U₅、U₆与复位的积分器J4、J5、J6的输出相叠加的信号U₁、U₂、U₃作为比较器B1、B2、B3的另一个输入，并与电源电流信号R_si_sa、R_si_sb、R_si_sc进行比较，比较器B1、B2、B3输出的信号可分别接三个RS触发器的R端并作为置位信号，RS触发器的S端接恒定频率的时钟信号T1控制触发器C1、C2、C3工作。

四桥臂三相四线制有源电力滤波器，可分别将四个复位的积分器j1、j2、j3、j4的输出与u_m相叠加得到u₁、u₂、u₃、u₄作为比较器b1、b2、b3、b4的另一个输入，并与电源电流信号R_si′_sa、R_si′_sb、R_si′_sc、R_si′_s0进行比较，比较器b1、b2、b3、b4输出的信号可分别接四个RS触发器的R端并作为置位信号，RS触发器的S端接恒定频率的时钟信号T2控制触发器c1、c2、c3、c4工作。

三桥臂三相四线制有源电力滤波器，RS触发器输出的控制信号Q_ap、Q_an、Q_bp、Q_bn、Q_cp、Q_cn分别作为主电路开关S_ap、S_an、S_bp、S_bn、S_cp、S_cn的控制信号来实现主电路的PWM控制。在四桥臂三相四线制有源电力滤波器中，RS触发器输出的控制信号Q’_ap、Q’_an、Q’_bp、Q’_bn、Q’_cp、Q’_cn、Q’_op、Q’_on分别作为主电路开关S’_ap、S’_an、S’_bp、S’_bn、S’_cp、S’_cn、S’_op、S’_on的控制信号来实现主电路的PWM控制。统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，在每一恒定频率的时钟信号T1、T2周期开始时，时钟脉冲信号使RS触发器置位，复位的积分器J1、J2、J3、j1、j2、j3、j4对电压调节器J0、j0开始的输出电压u_m积分，复位的积分器J4、J5、J6开始对PI调节器的输出积分，当积分至比较器B1、B2、B3、b1、b2、b3、b4的两个输入值相等时，比较器B1、B2、B3、b1、b2、b3、b4的输出状态发生变化，RS触发器复位，RS触发器的反向端 Q接复位的积分器J1、J2、J3、J4、J5、J6、j1、j2、j3、j4的复位端，作为复位的积分器J1、J2、J3、J4、J5、J6、j1、j2、j3、j4的复位信号后形成闭环控制。

在本发明中，仿真软件采用PSIM。图7是统一恒频积分控制的三桥臂三相四线制有源电力滤波器补偿前后的负载电流波形和中线电流波形。补偿前的负载电流波形不对称有畸变，且有较大的中线电流；补偿后负载电流为对称正弦波形，且中线电流近似为零。图8是统一恒频积分控制的四桥臂三相四线制有源电力滤波器补偿前后的波形，补偿前的负载电流波形不对称有畸变，且有较大的中线电流；补偿后负载电流为对称正弦波形，且中线电流近似为零。统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，当每一恒定频率的时钟信号周期开始时，时钟脉冲信号使RS触发器置位，复位的积分器对积分器开始的输出电压积分，当积分至比较器的两个输入值相等时，比较器的输出状态发生变化，RS触发器复位，RS触发器的反向端接复位的积分器的复位端，作为复位的积分器的复位信号后形成闭环控制。该方法可广泛用于三相四线制有源电力滤波器的谐波电流、无功电流和中线电流控制。

Claims (2)

1.统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，它依次含有以下步骤：

(1)通过建立三桥臂及四桥臂三相四线制电力滤波器的统一恒频积分控制的开关周期平均模型，并推导出其关键控制方程：

三桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制方程为，

其中，方程式中的E为直流侧电容电压，d_an、d_bn、d_cn分别为三个桥臂的下桥臂开关的占空比，R_s为电源输入电流测量电阻，R_e为补偿三相谐波和无功后，从电源侧看的等效电阻，i_sa、i_sb、i_sc分别为三相电源电流，Δu为两直流侧电容误差电压；

四桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制方程为，

其中，方程式中的 $u_m=\frac{K_1{\mathrm{ER}}_S}{R_e}$ 为电压调节器输出，其中E为直流侧电容电压，K₁为常数，R_s为电源输入电流测量电阻，R_e为补偿三相谐波和无功后，从电源侧看的等效电阻。d_an、d_bn、d_cn分别为三个桥臂的下桥臂开关的占空比，i′_sa、i′_sb、i′_sc、i′_s0分别为三相电源电流和中线电流；

由以上控制方程可获得三桥臂三相四线制有源电力滤波器、四桥臂三相四线制有源电力滤波器的控制电路；

(2)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，将电流传感器检测的三相电源电流R_si_sa、R_si_sb、R_si_sc分别作为三个比较器B1、B2、B3的输入，而对于四桥臂三相四线制有源电力滤波器，可通过电流传感器检测三相电源电流和中线电流，将R_si’_sa、R_si’_sb、R_si’_sc、R_si’_so分别作为四个比较器b1、b2、b3、b4的输入；

(3)在直流侧将检测到的直流侧电压u_dc与参考电压u_ref相减，将电压误差信号通过电压调节器J0、j0运算作为复位的积分器J1、J2、J3、j1、j2、j3、j4的输入u_m；

(4)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，将电压调节器J0输出u_m分别接三个复位的积分器J1、J2、J3再与u_m相叠加得到U₄、U₅、U₆，并同时将直流侧两个电容电压u_c1、u_c2的差值Δu，经PI调节器后接复位的积分器J4、J5、J6，进行电压反馈积分复位控制，而对于四桥臂三相四线制的有源电力滤波器，则将电压调节器j0的输出分别接四个复位的积分器j1、j2、j3、j4；

(5)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，分别将U₄、U₅、U₆与复位的积分器J4、J5、J6的输出相叠加的信号U₁、U₂、U₃作为比较器B1、B2、B3的另一个输入，并与电源电流信号R_si_sa、R_si_sb、R_si_sc进行比较，比较器B1、B2、B3输出的信号分别接三个RS触发器的R端，RS触发器的S端接恒定频率的时钟信号T1；

(6)在四桥臂三相四线制有源电力滤波器中，分别将四个复位的积分器j1、j2、j3、j4的输出与u_m相叠加得到u₁、u₂、u₃、u₄作为比较器b1、b2、b3、b4的另一个输入，并与电源电流信号R_si’_sa、R_si’_sb、R_si’_sc、R_si’_so进行比较，比较器b1、b2、b3、b4输出的信号分别接四个RS触发器的R端，RS触发器的S端接恒定频率的时钟信号T2；

(7)在三桥臂三相四线制有源电力滤波器中，RS触发器输出的控制信号Q_ap、Q_an、Q_bp、Q_bn、Q_cp、Q_cn分别作为主电路开关S_ap、S_an、S_bp、S_bn、S_cp、S_cn的控制信号实现主电路的PWM控制，在四桥臂三相四线制有源电力滤波器中，RS触发器输出的控制信号Q’_ap、Q’_an、Q’_bp、Q’_bn、Q’_cp、Q’_cn、Q’_op、Q’_on分别作为主电路开关S’_ap、S’_an、S’_bp、S’_bn、S’_cp、S’_cn、S’_op、S’_on的控制信号实现主电路的PWM控制。

2.根据权利要求1.所述的统一恒频积分控制的三相四线制有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，在每一恒定频率的时钟信号T1、T2周期开始时，时钟脉冲信号使RS触发器置位，复位的积分器J1、J2、J3、j1、j2、j3、j4对电压调节器J0、j0开始的输出电压u_m积分，复位的积分器J4、J5、J6开始对PI调节器的输出积分，当积分至比较器B1、B2、B3、b1、b2、b3、b4的两个输入值相等时，比较器B1、B2、B3、b1、b2、b3、b4的输出状态发生变化，RS触发器复位，RS触发器的反向端 Q接复位的积分器J1、J2、J3、J4、J5、J6、j1、j2、j3、j4的复位端，作为复位的积分器J1、J2、J3、J4、J5、J6、j1、j2、j3、j4的复位信号后形成闭环控制。

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