CN205429733U - 基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统，包括有源滤波系统，有源滤波系统由连接电抗器和三电平三桥臂逆变器串联组成，有源滤波系统并联接入公共电网；空间矢量脉宽调制器分别与电流控制器Ⅰ和电流控制器Ⅱ相连接，电流控制器Ⅰ分别与电压控制器、谐波检测器、旋转坐标变换器相连接，电流控制器Ⅱ分别与谐波检测器、旋转坐标变换器相连接；磁链计算器与并联在三相电源与谐波源负载之间的磁链定向角器相连。利用虚拟磁链来获取电网电压的相位和频率信息，最终实现谐波和无功电流的检测，采用类似于交流电机磁链观测的方法通过电流和重构电压来观测这个虚拟电网磁链，从而避免了电网电压畸变对电网电压定向的影响。

Description

基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统

技术领域

本实用新型涉及有源电力滤波器，具体涉及一种基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统。

背景技术

传统的电网电压定向谐波电流检测方法，首先通过电压传感器和AD采样电路获得和电网电压同步的离散化数字信号，在经过软件锁相环得到电网电压的相位和频率，然后利用上述过程中所获取的相位和频率信息进行谐波电流的检测。由于锁相环的存在，其鉴相的准确度对检测结果存在很大的影响，显然在电网电压存在畸变的情况下由于锁相环自身的工作原理必然无法获得准确的相位。而采用虚拟磁链定向的谐波电流检测方法在电网电压畸变时受电网条件影响较小。

在基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法中，其前提条件是知道电压合成空间矢量的相位和频率信息。虽然通过锁相环可以得到与电网电压同频同相的单位正余弦信号，但这全部是基于电网电压平衡或理想状态下所获得的结论，当电网电压波动较严重或者出现不平衡时，均会使电压频率偏离50Hz并在其左右变化，而锁相环正是通过自身的压控振荡器发出一个和输入信号同频的正弦信号来锁定输入信号的相位，因此电网电压频率波动会使锁相环无法准确地进行相位跟踪处于失锁状态，从而无法准确地进行谐波和无功电流的检测。在虚拟磁链定向系统中，通过对磁链的观测实现矢量定向，磁链是电网电压的积分，根据对于积分器的分析，积分环节带有低通滤波器的特性，系统中的谐波在经过纯积分器后，K次谐波电压的幅值以基波的K倍衰减，对于高次谐波有一定的滤除作用，因此虚拟磁链定向角的观测在电网电压不稳定时，对干扰有良好的抑制作用。

发明内容

根据现有技术的不足，提供一种基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统，该系统结构简单，避免了电网电压畸变对电网电压定向的影响。

本实用新型按以下技术方案实现：

一种基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统，包括有源滤波系统，还包括磁链计算器、磁链定向角器、电压控制器、电流控制器Ⅰ、电流控制器Ⅱ、谐波检测器、旋转坐标变换器及空间矢量脉宽调制器；所述有源滤波系统由连接电抗器和三电平三桥臂逆变器串联组成，所述有源滤波系统并联接入公共电网；所述空间矢量脉宽调制器分别与电流控制器Ⅰ和电流控制器Ⅱ相连接，所述电流控制器Ⅰ分别与电压控制器、谐波检测器、旋转坐标变换器相连接，所述电流控制器Ⅱ分别与谐波检测器、旋转坐标变换器相连接；所述磁链计算器与并联在三相电源与谐波源负载之间的磁链定向角器相连。

所述三电平三桥臂逆变器包括三个桥臂，每一个桥臂由四个开关管组成，上下两桥臂中点之间反并联两个箝位二极管。

本实用新型有益效果：

本实用新型中的三电平三桥臂逆变器中的每个桥臂可输出3种开关状态，因此，3桥臂共可得到27个基本电压空间矢量，其中又可分为长矢量，中矢量，短矢量和零矢量，合理选择这四种矢量组合，可以使变流器输出期望的反谐波电流，达到滤除电网谐波的目的；利用虚拟磁链来获取电网电压的相位和频率信息，最终实现谐波和无功电流的检测，采用类似于交流电机磁链观测的方法通过电流和重构电压来观测这个虚拟电网磁链，从而避免了电网电压畸变对电网电压定向的影响。

附图说明

图1为按照本实用新型的双闭环控制系统的一优选实施例电路原理图；

图2为三相电压型有源电力滤波器主电路；

图3为三相变频器供电的感应电机主电路；

图中：1—三相电源，2—谐波源负载，3—连接电抗器，4—三电平三桥臂逆变器，5—磁链计算器，6—磁链定向角器，7—电压控制器，8—电流控制器Ⅰ，9—电流控制器Ⅱ，10—谐波检测器，11—旋转坐标变换器，12—空间矢量脉宽调制器，41—开关管，42—箝位二极管。

具体实施方式

以下结合附图，通过具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例一：

如图1所示，一种基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统，包括有源滤波系统，还包括磁链计算器5、磁链定向角器6、电压控制器7、电流控制器Ⅰ8、电流控制器Ⅱ9、谐波检测器10、旋转坐标变换器11，空间矢量脉宽调制器12；有源滤波系统由连接电抗器3和三电平三桥臂逆变器4串联组成，有源滤波系统并联接入公共电网；空间矢量脉宽调制器12分别与电流控制器Ⅰ8和电流控制器Ⅱ9相连接，电流控制器Ⅰ8分别与电压控制器7、谐波检测器10、旋转坐标变换器11相连接，电流控制器Ⅱ9分别与谐波检测器10、旋转坐标变换器11相连接；磁链计算器5与并联在三相电源1与谐波源负载2之间的磁链定向角器6相连。三电平三桥臂逆变器4包括三个桥臂，每一个桥臂由四个开关管41组成，上下两桥臂中点之间反并联两个箝位二极管42。每个桥臂可输出3种开关状态，因此，3桥臂共可得到27个基本电压空间矢量，其中又可分为长矢量，中矢量，短矢量和零矢量，合理选择这四种矢量组合，可以使变流器输出期望的反谐波电流，达到滤除电网谐波的目的；利用虚拟磁链来获取电网电压的相位和频率信息，最终实现谐波和无功电流的检测，采用类似于交流电机磁链观测的方法通过电流和重构电压来观测这个虚拟电网磁链，从而避免了电网电压畸变对电网电压定向的影响。

工作原理：

传统的电网电压定向谐波电流检测方法，首先通过电压传感器和AD采样电路获得和电网电压同步的离散化数字信号，在经过软件锁相环得到电网电压的相位和频率，然后利用上述过程中所获取的相位和频率信息进行谐波电流的检测。由于锁相环的存在，其鉴相的准确度对检测结果存在很大的影响，显然在电网电压存在畸变的情况下由于锁相环自身的工作原理必然无法获得准确的相位。而采用虚拟磁链定向的谐波电流检测方法在电网电压畸变时受电网条件影响较小。

在基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法中，其前提条件是知道电压合成空间矢量的相位和频率信息。虽然通过锁相环可以得到与电网电压同频同相的单位正余弦信号，但这全部是基于电网电压平衡或理想状态下所获得的结论，当电网电压波动较严重或者出现不平衡时，均会使电压频率偏离50Hz并在其左右变化，而锁相环正是通过自身的压控振荡器发出一个和输入信号同频的正弦信号来锁定输入信号的相位，因此电网电压频率波动会使锁相环无法准确地进行相位跟踪处于失锁状态，从而无法准确地进行谐波和无功电流的检测。在虚拟磁链定向系统中，通过对磁链的观测实现矢量定向，磁链是电网电压的积分，根据对于积分器的分析，积分环节带有低通滤波器的特性，系统中的谐波在经过纯积分器后，K次谐波电压的幅值以基波的K倍衰减，对于高次谐波有一定的滤除作用，因此虚拟磁链定向角的观测在电网电压不稳定时，对干扰有良好的抑制作用。

有源滤波系统中的虚拟电网磁链概念是从电机中的磁链控制得到的。图2是三相电压型有源电力滤波器的主电路,其中L、R分别是公共电网等效系统阻抗，u_sa、u_sb、u_sc分别是三相电网电压。图3是一台由三相变频器供电的感应电机，其中L、R分别是定子绕组的漏感与电阻，e_a、e_b、e_c分别是电机三相定子绕组的感应电势。比较两图不难发现二者在主电路拓扑结构和工作原理上具有很大的相似性，三相电压型有源电力滤波器中的电网电压可以等效为感应电机的气隙磁场在定子绕组中产生的感应电动势,进线电抗器的阻抗等效于电机定子绕组的漏阻抗。在感应电机的矢量控制中，为了将电流中的励磁分量和转矩分量进行独立控制简化控制模型，通常采用磁链作为定向矢量进行控制；而磁链无法直接通过测量获得，一般是利用电流和重构电压等信号通过电压或电流磁链观测器的方法获得磁链矢量。通过对感应矢量控制的分析，可以将感应电机矢量控制中磁链观测的思想用在三相电压型有源电力滤波器中，可以将电网电压看成是一个虚拟的磁链微分量，电网电压和虚拟出来的磁链相位上存在固定的数量关系，从而可以利用虚拟磁链来获取电网电压的相位和频率信息，最终实现谐波和无功电流的检测。采用类似于交流电机磁链观测的方法通过电流和重构电压来观测这个虚拟电网磁链，从而避免了电网电压畸变对电网电压定向的影响。

基于三相电压型有源滤波器与三相交流变频调速电机定子电路的相似性，有源电力滤波器同样可以构造一个虚拟电网磁链,用虚拟磁链定向来获得电网电压相位和频率的信息。在虚拟磁链定向有源滤波系统中，通过观测电网虚拟磁链可以获得磁链定向角，磁链角滞后电压矢量角90°，这样不需要锁相环可以获得与电网电压同相位的正弦余弦信号，从而实现对电网电压相角的准确观测。

观测出电网虚拟磁链矢量ψ的空间位置角θ是实现无锁相环控制的核心。

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}/\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2}\\ \cos \mathrm{\θ}={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}/\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2}\end{array}\right.---\left(a\right)$

根据式(a)，对θ的观测就转化为对虚拟磁链在αβ坐标系中α、β分量的估算。根据磁链与电压的关系可以计算出αβ坐标系中电网侧的磁链为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\∫e_{\mathrm{\α}}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\∫e_{\mathrm{\β}}dt\end{array}\right.---\left(b\right)$

其中e_a，e_β为三相电网电压的α、β分量，ψ_α,ψ_β分别为虚拟电网磁链的α、β分量。

由式(b)，虚拟磁链α、β分量可以通过分别对有源电力滤波器交流侧电压α、β分量的积分获得。然而由于积分初值的问题，在计算虚拟磁链时采用纯积分环节作为磁链观测器时容易引入初值偏差，最终使得虚拟磁链定向产生偏差。另外一方面，单一的积分器无法抑制输入信号中直流分量，即使很小的直流分量也会导致积分器的饱和。因此，虚拟磁链算法的关键问题所在就是解决积分初值和直流分量问题带来的偏差影响，以达到准确观测磁链的目的。

Claims (2)

1.一种基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统，包括有源滤波系统，其特征在于：还包括磁链计算器、磁链定向角器、电压控制器、电流控制器Ⅰ、电流控制器Ⅱ、谐波检测器、旋转坐标变换器及空间矢量脉宽调制器；

所述有源滤波系统由连接电抗器和三电平三桥臂逆变器串联组成，所述有源滤波系统并联接入公共电网；

所述空间矢量脉宽调制器分别与电流控制器Ⅰ和电流控制器Ⅱ相连接，所述电流控制器Ⅰ分别与电压控制器、谐波检测器、旋转坐标变换器相连接，所述电流控制器Ⅱ分别与谐波检测器、旋转坐标变换器相连接；

所述磁链计算器与并联在三相电源与谐波源负载之间的磁链定向角器相连。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟磁链的三电平有源电力滤波器双闭环控制系统，其特征在于：所述三电平三桥臂逆变器包括三个桥臂，每一个桥臂由四个开关管组成，上下两桥臂中点之间反并联两个箝位二极管。