CN207559560U

CN207559560U - 基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器

Info

Publication number: CN207559560U
Application number: CN201721729267.XU
Authority: CN
Inventors: 刘骥; 杨蕾; 沈秉楷
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2027-12-13

Abstract

本实用新型涉及一种基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，属于电力电子技术范畴。可以根据运行条件的不同有选择地进行补偿，主要处理小功率负荷。本实用新型由两大部分组成：检测模块及补偿电流发生模块，检测模块包括电网电压检测单元、主电路直流侧电压检测单元及谐波电流检测单元，补偿电流发生模块包括控制单元、驱动单元和主电路三个部分。检测模块的作用是检测出电网电压相位、主电路直流侧电压及负载电流中的谐波电流等分量。补偿电流发生模块的作用是根据检测出来的谐波电流，利用PWM逆变器输出相应的补偿电流。本实用新型将比例积分控制与重复控制相结合,能够改善电流跟踪性能，且对系统谐波具有较好的抑制效果。

Description

基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，属于电力电子技术范畴。

背景技术

自从采用交流电作为电能输送的一种方式起，人们就知道电力系统中的谐波问题，谐波问题已有很长的历史，然而，近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波问题也日益严重，主要有使发电、输电及用电设备产生附加功率，降低效率，增加设备容量；谐波影响电气设备的正常工作，导致继电保护和自动控制装置的误动作；对通信系统产生干扰，使其无法正常工作；谐波会引起公用电网中局部的并联和串联谐振，故谐波问题引发了越来越广泛的关注。

传统的电流控制环，采用比例积分控制，跟踪交流信号时存在静差。基于内模原理的重复控制在特定频率处有无穷大的增益，理论上可以实现无静差跟踪，但也存在动态响应速度慢的缺点。故比例积分控制与重复控制相结合的方法可以有效改善系统的动态响应特性。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器。

本实用新型的目的是通过以下方式实现：

1. 基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，其特征在于：包括检测模块及补偿电流发生模块两大部分，所述的补偿电流发生模块包括控制单元、驱动单元和主电路三个部分,所述的检测模块包括电网电压检测单元、主电路直流侧电压检测单元及谐波电流检测单元，由1组电流霍尔传感器、电压霍尔传感器a、电压霍尔传感器b、过零检测电路及调理电路构成，交流电源与所述的电压霍尔传感器a及过零检测电路连接，非线性负载与所述的电流霍尔传感器连接，所述的电压霍尔传感器b与主电路连接，3组霍尔传感器经调理电路与控制单元连接，所述的主电路连接驱动单元，所述的驱动单元连接控制单元。

2．所述的基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，所述的主电路包括连接交流电源的电感器和单相全桥逆变器，电感器取值介于1.4mH到4.5mH之间，全桥逆变器的开关管选择IGBT。

3.进一步地：基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，所述的谐波电流检测，采用基于三相电路瞬时无功功率理论分析得出的单相电路谐波电流检测方法。控制方法采用比例积分控制与重复控制相结合的改进重复控制方法，所述的控制电路包括TI公司的TMS320F28335及辅助电路。它主要完成电压电流信号的处理、指令电流的计算、低通滤波、比例积分调节和 PWM 波形的生成等主要功能。

4.所述的基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述的驱动单元采用美国 IR 公司生产的 IR2110 驱动芯片。

有益效果：

1. 本实用新型具有高度可控和快速响应的特性，它不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其滤波特性不受系统阻抗的影响，还具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波。单相有源电力滤波器可以根据运行条件的不同有选择地进行补偿，处理小功率负荷逆变器的开关频率可以很高，从而提高整个装置补偿谐波的性能。

2. 本实用新型设计采用基于三相瞬时无功功率理论改进的单相谐波检测方法检测负载电流的谐波，检测方法实质是将待测电流经坐标变换后与同电网电压基波正序分量同频率同相位的正余弦量相乘，使得电流中的基波成分变为一直流量，而谐波分量仍然为交流量，然后通过低通滤波器分离出直流量再经过反变换得到基波量，与原电流相减后得到谐波量。使基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器可以很好地检测负载电流。

3. 本实用新型设计采用改进重复控制的方法，改进重复控制采用比例积分控制与重复控制相结合的方法，输出电流可以很好地跟踪指令信号，并且可以有效改善系统的动态响应特性。

附图说明：

附图1是本实用新型所述的系统整体框图。

附图2是本实用新型所述的单相电路谐波检测方法原理图。

附图3是本实用新型所述的霍尔传感器电气连接示意图。

附图4是本实用新型所述的主电路电路图。

附图5是本实用新型所述控制原理框图。

附图6是本实用新型所述的硬件整体框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。

基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，其特征在于：包括检测模块及补偿电流发生模块两大部分，所述的补偿电流发生模块包括控制单元、驱动单元和主电路三个部分,所述的检测模块包括电网电压检测单元、主电路直流侧电压检测单元及谐波电流检测单元，由1组电流霍尔传感器、电压霍尔传感器a、电压霍尔传感器b、过零检测电路及调理电路构成。如附图1所示。

通过分析瞬时无功功率理论，可知其检测方法实质是将待测电流经坐标变换后与同电网电压基波正序分量同频率同相位的正余弦量相乘，使得电流中的基波成分变为一直流量，而谐波分量仍然为交流量，然后通过低通滤波器分离出直流量再经过反变换得到基波量，与原电流相减后得到谐波量，本实用新型基于这一思想，分析一种适用于单相电路的谐波电流检测方法。

设单相电网电压、负载电流分别为：

(1)

(2)

在上式中为电压有效值，为基波角频率，为谐波次数，为次谐波电流有效值，为次谐波电流的初相位。对负载电流表达式展开为：

(3)

在上式中为谐波分量，，与电网电压同相，为有功电流分量，是与电网电压正交的无功分量。

在此，不用对负载电流构建三相或者正交两相，而是直接对负载电流两端同时乘以，得：

(4)

对负载电流两端同时乘以，得：

(5)

对于式(4)和式(5)，其结果均由交流分量和直流分量组成，其中直流分量均由基波分量与正、余弦相乘后得到，而谐波分量在与正、余弦相乘后仍然为交流分量。观察发现，在式(4)中的直流分量是有功分量幅值的1/2，而在式(5)中的直流分量是无功分量幅值的1/2。将上述两式通过截止频率低于基波频率的低通滤波器后可得到：

(6)

(7)

将上式中的两个直流量通过放大器增大一倍后可得到有功分量和无功分量的幅值，即：

(7)

(8)

若将上式中得到的有功分量和无功分量的幅值再分别乘以、，可得到有功分量和无功分量，即：

(9)

(10)

将有功分量和无功分量相加即可得到基波分量，与检测到的电流相减后即可得到谐波电流信号，即：

(11)

(12)

单相电路谐波检测方法原理图如附图2所示，所示为上述单相电路谐波检测方法原理图，其中LPF为低通滤波器，PLL环节为锁相环，用于捕捉并产生与电压信号同相位的正弦信号。C和是转换矩阵，

。

检测模块包括霍尔电流传感器及调理电路，利用霍尔电流传感器对负载电流、补偿电流进行采集，为将电流信号转换为电压信号，在电路中采用了南京中霍传感器公司生产的型号为TBC05P的霍尔电流传感器，然后送入TMS320F28335的ADC模块转换为数字信号，经DSP计算后得到指令信号和PWM信号。霍尔传感器电气连接示意图如附图3所示。经霍尔电流传感器变换得到的负载电流信号仍是一个交变的信号，而 DSP 片内的 A/D 是单极性的(0—3V)，为了安全、正确、可靠地进行测量电流采样，从传感器输出的电压值须经过调理电路后再输入到DSP。

利用霍尔电压传感器测量主电路电容两端的电压，然后把测量的电压信号送入DSP 进行采样，参与到谐波电流检测环节，形成闭环控制，达到稳定直流侧电容两端电压的目的。

TMS320F28335实现负载侧电流采样、补偿电流采样、直流侧电压采样、电流电压双闭环控制、PWM 波生成等功能。

电压过零检测电路用来检测交流电压信号，根据的过零点，将正弦信号转变成方波信号。文中将正弦信号转换成方波，主要是为了获得与电网电压同步的方波信号，以实现正弦表的准确定位和 A/D 采样准确及时的启动。

驱动芯片采用的是 IR 公司的 IR2110，这款驱动芯片结合了光电隔离体积小的优点和电磁隔离速度快的优点，是一种双通道高压、高速电压型功率开关器件栅极驱动芯片，具有自举浮动电源，驱动电路简单，可用一路电源同时驱动上、下桥臂，是中小功率驱动装置的首选。驱动电路经电平转换后的控制信号进入 IR2110。

所述的主电路由一个单相全桥逆变器、储能电容以及交流侧的滤波电感L组成，需要对4个开关的导通和关断进行实时控制，从而达到补偿的目的．开关管采用IGBT，将开关管分为两组，S1和S4驱动信号相同，S2和S3驱动信号相同，每个桥臂上的2个开关的状态互补，两组开关管在调制频率下由占空比控制轮流导通。主电路电路图如附图4所示。

有源电力滤波器补偿信号的控制一般采用跟踪型 PWM控制方式，其中三角比较方式是目前最常用的控制方法之一。该方法电路实现简单，精度较高且动态响应快，具有理论成熟、实现简单、应用实例典型等优点，

重复控制是基于内模原理的一种控制方法，它对前一个周期的误差信号进行采集，然后在下个周期输出，并将误差累加，直至为零，最终实现无静差跟踪，但重复控制动态响应差，在控制系统中加入比例积分控制可提高动态响应特性。改进的重复控制输出电流可以很好地跟踪指令信号，并且可以有效改善系统的动态响应特性。控制框图如附图5所示。

本实用新型所述的硬件整体框图如附图6所示。

通过以上描述可知，本实用新型的有源滤波器，同时通过霍尔电压传感器检测电源电压，经过过零检测电路后进入DSP处理器进行软件锁相，得到源电压相位信号，用于对电流传感器检测到的负载电流进行变换，变换得来的谐波电流作为指令电流，再送入电流控制器中。电流控制器要求具有很高的电流跟踪速度，对变化较大的负载电流进行补偿，在此，采用比例积分控制与重复控制相结合的控制策略，具有比例积分控制的快速动态响应，同时重复控制克服了采用比例积分控制对谐波电流存在稳态误差缺陷，使得电流控制器能够快速、无稳态误差地跟踪负载电流。同时，利用霍尔电压传感器对有源滤波器直流侧电容电压进行实时检测，经过电压调理电路，进入DSP处理器，计算出直流侧电容电压值与直流侧电压给定值的差值，进行比例积分调节，从而保持有源滤波器直流侧电压的稳定。

Claims

1.基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，其特征在于：包括检测模块及补偿电流发生模块两大部分，所述的补偿电流发生模块包括控制单元、驱动单元和主电路三个部分,所述的检测模块包括电网电压检测单元、主电路直流侧电压检测单元及谐波电流检测单元，由1组电流霍尔传感器、电压霍尔传感器a、电压霍尔传感器b、过零检测电路及调理电路构成，交流电源与所述的电压霍尔传感器a及过零检测电路连接，非线性负载与所述的电流霍尔传感器连接，所述的电压霍尔传感器b与主电路连接，3组霍尔传感器经调理电路与控制单元连接，所述的主电路连接驱动单元，所述的驱动单元连接控制单元。

2.根据权利要求1所述的基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述的主电路由连接交流电源的电感器和单相全桥逆变器组成，电感器取值介于1.4mH到4.5mH之间，全桥逆变器的开关管选用IGBT。

3.根据权利要求1所述的基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述的控制单元由TI公司的TMS320F28335及辅助电路组成。

4.根据权利要求1所述的基于改进重复控制的单相并联型有源电力滤波器，其特征在于：所述的驱动单元采用美国 IR 公司生产的 IR2110 驱动芯片。