CN201758284U - 一种基于滞环控制的有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于滞环控制的有源电力滤波器，包括滤波器主电路(1)、采样电路(2)、控制电路(3)和隔离驱动电路(4)，其中控制电路(3)包括谐波及无功检测电路(5)、均压电路(6)、电流控制电路(7)以及PWM逻辑电路(8)。本实用新型的控制原理是根据补偿电流极性控制有源滤波器不同桥臂参与工作，使补偿电流正负半波流经不同回路，每个桥臂均在补偿电流固定半波工作。本实用新型能够避免双降压半桥并联型有源电力滤波器两桥臂同时工作时交流侧并联双电感环流的存在，有利于降低有源滤波器系统损耗，提高系统效率。

Description

一种基于滞环控制的有源电力滤波器

技术领域：

本实用新型涉及一种基于滞环控制的有源电力滤波器，尤其涉及基于滞环控制的双降压半桥并联型有源电力滤波器，属于电力谐波抑制技术领域。

背景技术：

随着现代工业的发展，电力负荷越来越负载，形成了电力系统谐波的容量大、时变的特点。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性引起人们高度的关注。

谐波的危害可归纳为：

(1)使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。

(2)引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。

(3)对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

有源电力滤波器是公认综合治理“电网污染”最有效的手段，其中并联型有源滤波器目前和未来都将占据最主流的地位。国际上已经开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且其容量逐步提高，功能也越来越强大，不仅可以补偿谐波电流，还具有补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能。

但也正因为其容量和功能的扩展，对并联有源电力滤波器自身运行安全也提出了更高要求。对于双降压半桥并联型有源电力滤波器，其单管桥臂结构能够完全避免桥臂直通的危险，但是采用常规对管导通模式的控制方法明显会增加功率回路的损耗，尤其是电感环流的存在。因此，如何减少双降压半桥并联型有源电力滤波器运行损耗，提高其装置效率，避免过热引起的设备问题，同时不损失其滤波特性，在控制策略上作出改进具有重要意义。

实用新型内容

实用新型目的：

本实用新型的目的在于以双降压半桥并联型有源电力滤波器为对象，针对其控制技术存在的不足，提出一种基于滞环控制的有源电力滤波器，避免双降压半桥并联型有源电力滤波器两桥臂同时工作时交流侧并联双电感环流的存在，有利于降低有源滤波器系统损耗，提高系统效率，并且不损失其滤波特性。

技术方案：

本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案：

一种基于滞环控制的有源电力滤波器，包括滤波器主电路、采样电路、控制电路和隔离驱动电路，所述滤波器主电路的输入端分别与电网正母线、滤波电感的一端连接，滤波电感的另一端连接非线性负载的一端，滤波器主电路的输出端连接非线性负载的另一端、电网的负母线；滤波器主电路还与采样电路的输入端连接，控制电路包括谐波及无功检测电路、均压电路、电流控制电路以及PWM逻辑电路；其中谐波及无功检测电路的输入端、均压电路的第一输入端、电流控制电路的第一输入端分别与采样电路的输出端连接；谐波及无功检测电路的输出端分别与均压电路的第二输入端、电流控制电路的第二输入端连接，均压电路的输出端与电流控制电路的第三输入端连接，电流控制电路的输出端依次连接PWM逻辑电路、隔离驱动电路后与滤波器主电路连接。

进一步地，上述基于滞环控制的有源电力滤波器的滤波器主电路包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一MOS管S₁、第二MOS管S₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电容C₁、第二电容C₂；其中第一电感L₁的一端与第二电感L₂的一端连接作为滤波器主电路的输入端，第一电感L₁的另一端分别与第一MOS管S₁的源极、第一二极管D₁的阴极相连接，第二电感L₂的另一端分别与第二MOS管S₂的漏极、第二二极管D₂的阳极连接；所述第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端相互连接作为滤波器主电路的输出端；所述第一电容C₁的另一端、第一MOS管S₁的漏极、第二二极管D₂的阴极相连接，所述第二电容C₂的另一端、第二MOS管S₂的源极、第一二极管D₁的阳极相连接；

前述的采样电路包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2、电网电压采样VT1、第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂电压采样VT3；其中负载电流采样CT1、电网电压采样VT1的采样值输入谐波及无功检测电路，第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂的采样值分别同时输入谐波及无功检测电路、均压电路；补偿电流采样CT2的采样值输入电流控制电路。

进一步地，上述基于滞环控制的有源电力滤波器的谐波及无功检测电路中包括第一减法器、第二减法器、锁相环、电压调节器、乘法器；其中所述电网电压采样VT1的采样值V_S经锁相环后输入乘法器的第一输入端，所述第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂电压采样VT3的采样值分别输入第一减法器的负输入端，直流侧电压参考值输入第一减法器的正输入端，第一减法器的输出端经过电压调节器后接入乘法器的第二输入端；乘法器的输出端与负载电流采样CT1的采样值分别输入第二减法器的正负输入端，第二减法器的输出端即为谐波及无功检测电路的输出端。

进一步地，上述基于滞环控制的有源电力滤波器的均压电路包括第三减法器、均压调节器、第四减法器；其中所述第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂电压采样VT3的采样值分别输入第三减法器的正负输入端，第三减法器的输出端连接均压调节器的输入端，均压调节器的输出端连接第四减法器的负输入端，谐波及无功检测电路的输出端连接第四减法器的正输入端，第四减法器的输出端即为均压电路的输出端。

进一步地，上述基于滞环控制的有源电力滤波器的电流控制电路包括第五减法器、电流调节器、滞环比较器、过零比较器；其中所述补偿电流采样CT2的采样值、谐波及无功检测电路输出端分别接入第五减法器的正负输入端，第五减法器的输出端依次连接电流调节器、滞环比较器，滞环比较器的输出端作为电流控制电路的第一输出端；所述均压电路的输出端连接过零比较器的正输入端，过零比较器的输出端为电流控制电路的第二输出端。

进一步地，上述基于滞环控制的有源电力滤波器的PWM逻辑电路包括第一反相器、第二反相器、第一逻辑与门、第二逻辑与门；其中电流控制电路的第一输出端分别连接第一反相器的输入端、第二逻辑与门的第一输入端；电流控制电路的第二输出端分别连接第二反相器的输入端、第二逻辑与门的第二输入端；第一反相器、第二反相器的输出端分别连接第一逻辑与门的输入端；第一逻辑与门、第二逻辑与门的输出端分别为PWM逻辑电路两路输出端。

进一步地，上述基于滞环控制的有源电力滤波器的PWM逻辑电路的两路输出端分别输出两路PWM控制信号至驱动电路，驱动电路分别输出开关管驱动信号至滤波器主电路中的第一MOS管S₁、第二MOS管S₂的栅极。

有益效果：

1、本实用新型的单管桥臂结构将体二极管从功率管分离开，能分别优选功率开关管和功率二极管，从而降低开关损耗，为进一步提高开关频率创造条件，以便提高滤波器谐波补偿特性；

2、本实用新型相对于传统并联型有源电力滤波器，能杜绝桥臂直通的危险，从而提高有源电力滤波系统的可靠性；控制无需设置死区时间，控制更为简单，减少有源电力滤波器自身产生高频谐波；

3、本实用新型采用半波控制方法能避免交流侧并联双电感环流的产生，降低有源滤波器系统损耗，提高系统效率。

附图说明：

图1是本实用新型的有源电力滤波器的结构图。

图2是本实用新型的控制原理示意图。

图3是本实用新型应用于115V/400Hz电网的电网电压、电网电流和补偿电流仿真波形。

图4是本实用新型应用于115V/400Hz电网的驱动信号和电感电流仿真波形。

图中标号：1、滤波器主电路，2、采样电路，3、控制电路，4、隔离驱动电路，5、谐波及无功检测电路，6、均压电路，7、电流控制电路，8、PWM逻辑电路。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

如图1所示，基于滞环控制的有源电力滤波器包括滤波器主电路1、采样电路2、控制电路3和隔离驱动电路4，其中控制电路3包括谐波及无功检测电路5、均压电路6、电流控制电路7以及PWM逻辑电路8；其中滤波器主电路1与采样电路2的输入端连接，采样电路2的输出端分别与谐波及无功检测电路5的输入端、均压电路6的第一输入端、电流控制电路7的第一输入端连接，谐波及无功检测电路5的输出端分别与均压电路6的第二输入端、电流控制电路7的第二输入端连接，均压电路6的输出端与电流控制电路7的第三输入端连接，电流控制电路7的输出端依次连接PWM逻辑电路8、隔离驱动电路4后与滤波器主电路1连接。

附图2是本实用新型的控制原理示意图。

基于滞环控制的有源电力滤波器，其有源滤波系统包括有源电力滤波器主电路1、采样电路2、控制电路3和隔离驱动电路。采样电路2包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2和电网电压采样VT1、直流侧电容C₁电压采样VT2、直流侧电容C₂电压采样VT3。控制电路3包括谐波及无功检测电路5、均压电路6、电流控制电路7以及PWM逻辑电路8，谐波及无功检测电路5输入为CT1、VT1、VT2和VT3采样值，输出为补偿电流基准信号，接入均压电路6和电流控制电路7；均压电路6为输入量VT2和VT3采样值，以及补偿电流基准信号，输出为校正补偿电流基准信号，接入电流控制电路7；电流控制电路7输入量为补偿电流基准信号、CT2采样值以及校正补偿电流基准信号，输出为PWM信号，接入PWM逻辑电路8；PWM逻辑电路8输入量为PWM信号，输出为PWM控制信号，接入隔离驱动电路。隔离驱动电路输入量为PWM控制信号，输出开关管驱动信号，接入有源电力滤波器主电路1中。

谐波及无功检测电路5中，VT1电压采样值经锁相环PLL提取其单位同步正弦量作为乘法器M的一个输入量；VT2和VT3电压采样值均接入减法器B₁负输入端，与直流侧电压参考V_ref的差值经过电压调节器PI₁后，作为乘法器M的另一个输入量；乘法器M输出为电网电流基波有功电流，其与CT1电流采样量分别接入减法器B₂的正负输入端，减法器B₂输出为补偿电流基准信号，即谐波及无功检测电路5输出。

均压电路6中，VT2和VT3电压采样值分别接入减法器B₃正负输入端，两者的电压误差接入均压调节器PI₂，经过调节后均压调节器输出和谐波及无功检测电路5输出分别接入减法器B₄负正输入端，其输出为补偿电流基准校正信号，即均压电路6输出，输入后级单元用以判断哪一个桥臂投入工作。

电流控制电路7中，减法器B₅的正负输入端分别接谐波及无功检测电路5输出和CT2电流采样值，减法器B₅输出接入电流调节器P，电流调节器P输出为调制波信号，将其输入滞环比较器J₁，得到电流控制PWM信号；过零比较器J₂正输入端接均压电路6输出，过零比较器J₂输出即为电流极性判断PWM信号。

PWM逻辑电路8中，电流控制电路7的滞环比较器J₁输出接反相器F₁输入端和逻辑与门Y₂一个输入端，逻辑与门Y₂另一个输入端接电流控制电路7的过零比较器J₂输出；电流控制电路7的过零比较器J₂输出接反相器F₂输入端，反相器F₂的输出接逻辑与门Y₁一个输入端，逻辑与门Y₁另一个输入端接反相器F₁的输出；逻辑与门Y₁和逻辑与门Y₂输出即为PWM逻辑电路8输出。

该控制电路利用电压环和负载电流得到补偿电流基准，经过滞环调制后得到控制脉冲信号，结合补偿电流基准的正负极性判断脉冲信号，当i_C＞0时，S₂所在桥臂参与工作；反之，S₁所在桥臂参与工作。均压电路的原理是利用两个桥臂参与工作的时间差来调节直流侧电容的电压平衡。

本实用新型适用于单相有源电力滤波器系统，同样适用于三相系统。

在MATLAB软件环境下，对本实用新型建立了仿真模型和波形分析。

附图3是本实用新型应用于115V/400Hz电网的电网电压、电网电流和补偿电流仿真波形。通过仿真发现本实用新型的电路拓扑具有良好的谐波补偿特性，电网电流经过补偿后基本不含有谐波和无功分量，电网电流THD仅为2.97％。

图4是本实用新型应用于115V/400Hz电网的驱动信号和电感电流仿真波形。由驱动和电感的电流可以得知，每个桥臂均只在补偿电流单极性半波互补工作，不会出现环流情况。仿真结果表明：本实用新型能够较好实现电网谐波治理，同时提高了有源电力滤波系统的运行效率，降低了损耗。

上述实施例用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权力要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于滞环控制的有源电力滤波器，包括滤波器主电路(1)、采样电路(2)、控制电路(3)和隔离驱动电路(4)，所述滤波器主电路(1)的输入端分别与电网正母线、滤波电感的一端连接，滤波电感的另一端连接非线性负载的一端，滤波器主电路(1)的输出端连接非线性负载的另一端、电网的负母线，采样电路(2)的输入端分别与滤波器主电路(1)、电网侧电路连接，用于采集电流、电压的采样值，其特征在于：所述控制电路(3)包括谐波及无功检测电路(5)、均压电路(6)、电流控制电路(7)以及PWM逻辑电路(8)；其中谐波及无功检测电路(5)的输入端、均压电路(6)的第一输入端、电流控制电路(7)的第一输入端分别与采样电路(2)的输出端连接；谐波及无功检测电路(5)的输出端分别与均压电路(6)的第二输入端、电流控制电路(7)的第二输入端连接，均压电路(6)的输出端与电流控制电路(7)的第三输入端连接，电流控制电路(7)的输出端依次连接PWM逻辑电路(8)、隔离驱动电路(4)后与滤波器主电路(1)连接。

2.根据权利要求1所述的基于滞环控制的有源电力滤波器，其特征在于：所述滤波器主电路(1)包括第一电感L₁、第二电感L₂、第一MOS管S₁、第二MOS管S₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电容C₁、第二电容C₂；其中第一电感L₁的一端与第二电感L₂的一端连接作为滤波器主电路(1)的输入端，第一电感L₁的另一端分别与第一MOS管S₁的源极、第一二极管D₁的阴极相连接，第二电感L₂的另一端分别与第二MOS管S₂的漏极、第二二极管D₂的阳极连接；所述第一电容C₁的一端、第二电容C₂的一端相互连接作为滤波器主电路(1)的输出端；所述第一电容C₁的另一端、第一MOS管S₁的漏极、第二二极管D₂的阴极相连接，所述第二电容C₂的另一端、第二MOS管S₂的源极、第一二极管D₁的阳极相连接；

所述采样电路(2)包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2、电网电压采样VT1、第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂电压采样VT3；其中负载电流采样CT1、电网电压采样VT1的采样值输入谐波及无功检测电路(5)，第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂的采样值分别同时输入谐波及无功检测电路(5)、均压电路(6)；补偿电流采样CT2的采样值输入电流控制电路(7)。

3.根据权利要求2所述的基于滞环控制的有源电力滤波器，其特征在于：所述谐波及无功检测电路(5)中包括第一减法器(B₁)、第二减法器(B₂)、锁相环(PLL)、电压调节器(PI₁)、乘法器(M)；其中所述电网电压采样VT1的采样值V_S经锁相环(PLL)后输入乘法器(M)的第一输入端，所述第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂电压采样VT3的采样值分别输入第一减法器(B₁)的负输入端，直流侧电压参考值(V_ref)输入第一减法器(B₁)的正输入端，第一减法器(B₁)的输出端经过电压调节器(PI₁)后接入乘法器(M)的第二输入端；乘法器(M)的输出端与负载电流采样CT1的采样值分别输入第二减法器(B₂)的正负输入端，第二减法器(B₂)的输出端即为谐波及无功检测电路(5)的输出端。

4.根据权利要求2所述的基于滞环控制的有源电力滤波器，其特征在于：所述均压电路(6)包括第三减法器(B₃)、均压调节器(PI₂)、第四减法器(B₄)；其中所述第一电容C₁电压采样VT2、第二电容C₂电压采样VT3的采样值分别输入第三减法器(B₃)的正负输入端，第三减法器(B₃)的输出端连接均压调节器(PI₂)的输入端，均压调节器(PI₂)的输出端连接第四减法器(B₄)的负输入端，谐波及无功检测电路(5)的输出端连接第四减法器(B₄)的正输入端，第四减法器(B₄)的输出端即为均压电路(6)的输出端。

5.根据权利要求2所述的基于滞环控制的有源电力滤波器，其特征在于：所述电流控制电路(7)包括第五减法器(B₅)、电流调节器(P)、滞环比较器(J₁)、过零比较器(J₂)；其中所述补偿电流采样CT2的采样值、谐波及无功检测电路(5)输出端分别接入第五减法器(B₅)的正负输入端，第五减法器(B₅)的输出端依次连接电流调节器(P)、滞环比较器(J₁)，滞环比较器(J₁)的输出端作为电流控制电路(7)的第一输出端；所述均压电路(6)的输出端连接过零比较器(J₂)的正输入端，过零比较器(J₂)的输出端为电流控制电路(7)的第二输出端。

6.根据权利要求1所述的基于滞环控制的有源电力滤波器，其特征在于：所述PWM逻辑电路(8)包括第一反相器(F₁)、第二反相器(F₂)、第一逻辑与门(Y₁)、第二逻辑与门(Y₂)；其中电流控制电路(7)的第一输出端分别连接第一反相器(F₁)的输入端、第二逻辑与门(Y₂)的第一输入端；电流控制电路(7)的第二输出端分别连接第二反相器(F₂)的输入端、第二逻辑与门的第二输入端；第一反相器(F₁)、第二反相器(F₂)的输出端分别连接第一逻辑与门(Y₁)的输入端；第一逻辑与门(Y₁)、第二逻辑与门(Y₂)的输出端分别为PWM逻辑电路(8)两路输出端。

7.根据权利要求6所述的基于滞环控制的有源电力滤波器，其特征在于：所述PWM逻辑电路(8)的两路输出端分别输出两路PWM控制信号至驱动电路(4)，驱动电路(4)分别输出开关管驱动信号至滤波器主电路(1)中的第一MOS管S₁、第二MOS管S₂的栅极。

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