專利名稱：一種無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電網(wǎng)電能質(zhì)量治理研究領(lǐng)域，涉及一種有源濾波器結(jié)構(gòu)及其控制方法，尤其是一種無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)及其控制方法。
背景技術(shù)：
APF是一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和幅值都變化的諧波和無功進行補償，可以彌補無源濾波器的不足，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的諧波補償裝置。由于其優(yōu)異的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，APF得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。目前有源電力濾波器主要分為以下四大類I)單獨使用的并聯(lián)型和串聯(lián)型有源電力濾波器。電力電子類諧波源根據(jù)其特性分為電壓型諧波源和電流型諧波源，并聯(lián)型濾波器一般適合于電流型諧波源，而串聯(lián)型濾 波器一般適合于電壓型諧波源。單獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器與單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器成對偶關(guān)系，這種濾波器對諧波呈現(xiàn)一個較高阻抗，起到隔離諧波的作用。這種濾波器不能進行無功補償，功能比較單一，保護比較困難，而且一般只適合于電壓型諧波源。2)其他并聯(lián)型有源電力濾波器，主要包括注入式有源電力濾波器、基于單周控制的有源電力濾波器和基于諧波磁通補償?shù)挠性措娏V波器。注入式有源電力濾波器不能動態(tài)補償無功功率，基于單周控制的有源電力濾波器要求電網(wǎng)電壓平衡無畸變，其穩(wěn)定性對參數(shù)選定有嚴(yán)格要求。基于諧波磁通補償?shù)挠性措娏V波器系統(tǒng)的內(nèi)阻抗在很大程度上會影響濾波特性，并且很難嚴(yán)格滿足諧波磁通補償條件。3)混合型有源電力濾波器，主要包括并聯(lián)無源和串聯(lián)有源電力濾波器相結(jié)合的方案、無源和有源電力濾波器串聯(lián)聯(lián)接的方案和基于基波磁通補償?shù)拇?lián)有源電力濾波器。無源與有源電力濾波器串聯(lián)聯(lián)接的方案中將變壓器及逆變器部分移到并聯(lián)無源部分的下面，形成了一種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它跟并聯(lián)無源和串聯(lián)有源電力濾波器相結(jié)合的方案在原理是等效的，其濾波效果也完全一致。這三種方案的優(yōu)點是可以采用較小容量的有源電力濾波器和并聯(lián)無源濾波器相結(jié)合完成大容量的濾波任務(wù)。這三種方案的共同缺點是無源支路較多，且無法動態(tài)補償無功功率。4)統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(UPQC)。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器包含兩個逆變器，一個串聯(lián)在系統(tǒng)中，主要起諧波隔離、電壓調(diào)節(jié)以及補償閃變和不平衡電壓的作用；另一個并聯(lián)在諧波源兩端，主要起補償諧波電流或負(fù)序電流和調(diào)節(jié)兩個逆變器的直流母線電壓的作用，該系統(tǒng)的缺點是結(jié)構(gòu)和控制非常復(fù)雜。以上四類APF適用到不同的工業(yè)現(xiàn)場，互有優(yōu)缺點，但都需要檢測負(fù)載電流或者電源電流。然而有些工業(yè)現(xiàn)場如油田不具備電流檢測的條件，那么以上幾種APF就不能對這些工業(yè)現(xiàn)場進行諧波治理。以下給出檢索的相關(guān)文獻[I]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京機械工業(yè)出版，1998[2]Gyugyi L,Strycula E. Active AC Power Filter[J]. IEEE TransactionsonIndustry Applications,1976, Vol.12,529-535[3]K. M. Smedley, L. Zhou, C. Qiao. Unified constant-frequency integrationcontrol of active power fiIters-steady-state and dynamics[J]. IEEE Transactionson Power Electronics, 2001, 16(3):428-436[4] C. Zhang, Q. Chen, Y. Zhao, D. Li. A novel active power filter forhigh-voltage power distribution systems application[J], IEEE Transactions onPower Delivery,2007, 22(2):911-918 [5]F. Z. Peng, H. Akagi, A. Nabae. A new approach to harmonic compensation inpower system - a combined system of shunt passive and series active filters[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1990，26(6):983-990[6]H. Fujita, H. Akagi. A practical approach to harmonic compensationin power systems — series connection of passive and active filters[J]. IEEETransactions on Industry Applications, 1991，27 (6):1020-1025[7]D. Li, Q. Chen, Z. Jia, C. Zhang. A high-power active filtering systemwith fundamental magnetic flux compensation[J]. IEEE Transactions on PowerDelivery, 2006，21 (2):823-830[8]H. Akagi. New trends in active filters for power conditioning[J]. IEEETransactions on Industry Applications, 1996，32(6):1312-132
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)及其控制方法，其通過檢測公共連接點的電壓提取諧波信號，進而輸出相應(yīng)的諧波電流，具有很好的穩(wěn)態(tài)補償諧波效果和很快的動態(tài)響應(yīng)速度，并且其不需要檢測負(fù)載電流或者電源電流，省去了三個電流互感器。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的這種無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)，包括三相串聯(lián)電抗器、三相LCL接入濾波器和三相IGBT逆變橋；所述的三相串聯(lián)電抗器串聯(lián)接入三相電網(wǎng)中，一端與電網(wǎng)相接，另一端與非線性負(fù)載NL和三相LCL接入濾波器相連，三者形成公共連接點PCC ;所述的三相LCL接入濾波器的其中一端接于電網(wǎng)公共連接點PCC，另一端與三相IGBT逆變橋相連。上述的三相IGBT逆變橋由三相IGBT橋以及連接于三相IGBT橋直流側(cè)的電容構(gòu)成，三相IGBT橋與三相LCL接入濾波器相連。本發(fā)明還提出一種上述無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)的控制方法，具體包括以下步驟I)通過電壓傳感器檢測公共連接點PCC處的電壓；2)對檢測的公共連接點PCC處的電壓進行瞬時無功變換，得到各次諧波的諧波指令；3)通過鎖相環(huán)節(jié)運算得到三相電網(wǎng)電壓相位信息，將直流側(cè)電壓閉環(huán)得到的幅值乘上相位信息得到穩(wěn)壓所需要的電流指令；4)將以上2)和3)得到的諧波指令和電流指令相疊加作為最終的控制指令，控制三相IGBT逆變橋的輸出電流。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，步驟4)中，具體的實現(xiàn)方法是檢測三相IGBT逆變橋輸出電流，并將它與相應(yīng)各相的控制指令做差，差值通過比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后與三角載波比較產(chǎn)生PWM信號，用以驅(qū)動各自模塊的IGBT開關(guān)元件動作。本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明通過檢測公共連接點處的電壓提取諧波信號而不是檢測負(fù)載電流或電源電流得到諧波指令，又檢測公共連接點出的電壓互感器可以由鎖相用的同步變壓完成，從 而省去了三個電流互感器，也使本發(fā)明可以應(yīng)用到負(fù)載電流或電源電流不能被檢測的工業(yè)現(xiàn)場，填補了并聯(lián)型有源濾波器不能應(yīng)用到電流不能被檢測的工業(yè)現(xiàn)場的空白，具有較高的實用價值。此外，通過搭建本發(fā)明的仿真模型，對這種控制方案進行了仿真驗證，證實了該方案的正確性和可靠性。


圖I本發(fā)明所介紹的基于檢測PCC處電壓的無電流檢測的有源濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；圖2本發(fā)明所介紹的基于檢測PCC處電壓提取η’次諧波指令的計算框圖；圖3本發(fā)明所介紹系統(tǒng)的控制框圖；圖4采用本發(fā)明介紹的方案，即圖I所示拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和圖3所示控制思路的系統(tǒng)運行仿真波形；其中，Ca)為負(fù)載電流仿真波形；(b)為經(jīng)本發(fā)明補償過后的電網(wǎng)電流仿真波形；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)描述參見圖1，本發(fā)明的無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)，包括三相串聯(lián)電抗器、三相LCL接入濾波器和三相IGBT逆變橋。其中三相串聯(lián)電抗器串聯(lián)接入三相電網(wǎng)中，一端與電網(wǎng)相接，另一端與非線性負(fù)載NL和三相LCL接入濾波器相連，三者形成公共連接點PCC ;所述的三相LCL接入濾波器的其中一端接于電網(wǎng)公共連接點PCC，另一端與三相IGBT逆變橋相連，其參數(shù)取決于電壓源型PWM變換器的開關(guān)頻率，其作用是把逆變橋接入電網(wǎng)并濾除逆變器開關(guān)次諧波；LCL的諧振頻率一般選為開關(guān)頻率的1/5。三相IGBT逆變橋由三相IGBT橋以及連接于三相IGBT橋直流側(cè)的電容構(gòu)成，通過控制使直流側(cè)電壓穩(wěn)定一個定值，其值一般為2倍于公共連接點電壓，三相IGBT橋根據(jù)驅(qū)動信號開通和關(guān)斷，產(chǎn)生相應(yīng)的電壓，電壓與公共連接點電壓在LCL接入濾波器上產(chǎn)生相應(yīng)的補償電流，達到濾波的目的。三相IGBT橋與三相LCL接入濾波器相連。IGBT的容量由APF的容量決定，直流側(cè)電容的電容值由電網(wǎng)的不平衡度和APF的容量決定的，直流側(cè)電容值越大，直流側(cè)波動越小，補償效果越好，但出于經(jīng)濟性考慮，要選擇一個適中的容值。
本發(fā)明電抗器的電感值根據(jù)電源內(nèi)阻抗的大小選取，電源內(nèi)阻抗較大時可以選取較小的電感值，反之，選擇較大的電感值；電抗器的容量根據(jù)負(fù)載的容量來選擇。本發(fā)明的控制方法為I)通過電壓傳感器檢測公共連接點處的電壓；2)在控制電路板中對檢測的公共連接點處的電壓進行瞬時無功變換，得到各次諧波的諧波指令；3)通過鎖相環(huán)節(jié)運算得到三相電網(wǎng)電壓相位信息，將直流側(cè)電壓閉環(huán)得到的幅值乘上相位信息得到穩(wěn)壓所需要的電流指令；4)將以上2)和3)得到的諧波指令和電流指令相疊加作為最終的控制指令，控制 三相逆變器的輸出電流；具體的實現(xiàn)方法是檢測三相逆變器輸出電流，并將它與相應(yīng)各相的控制指令做差，差值通過比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后與三角載波比較產(chǎn)生PWM信號，用以驅(qū)動各自模塊的IGBT開關(guān)元件動作。以下結(jié)合具體實施方式
和附圖對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明三相電網(wǎng)電壓記為Us ;三相網(wǎng)側(cè)電流記為is，即isa、isb、is。；PCC處電壓為Upcc ;無電流檢測APF輸出的三相補償電流記為ie，S卩iea、ieb、icc ;三相負(fù)載電流記為U即ila、ilb、ilc ；Urf和Udc分別為直流側(cè)電壓給定和直流側(cè)電壓反饋；n和η’為諧波的次數(shù)；h代表諧波。圖2為本發(fā)明中的基于檢測PCC處電壓提取η’次諧波指令的計算框圖。其中
Γι -I -I"
_6] Q= 士 $ 石
O--—
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sin η'ω - cos η1 an,
= 6殼 +1,Λ 二I52，.,.
-cos η! cot -sin η1 ω Q, 二
sni η ω cos η' ω
,/ 1 = 6k-I^k - 1，2,…
cos//W -sin n*oji _通過計算可以得到直流分量為
eP =拉 ’CQS((p ,)
eq_ ―-拉若想使電網(wǎng)η’次諧波電流為零，那么η’次PCC的諧波電壓就應(yīng)該控制為零，即^和&應(yīng)該為零。所以把i和^與給定值零通過PI調(diào)節(jié)器進行閉環(huán)控制，即可產(chǎn)生相應(yīng)的特定次諧波指令電流in, h°圖3是本發(fā)明中的系統(tǒng)的控制框圖。圖中包括諧波電流檢測部分，直流側(cè)電壓控制部分，電流跟蹤控制部分，PWM控制驅(qū)動部分。其中第一部分為本發(fā)明的重點，其他部分為常規(guī)控制方法?，F(xiàn)在對各控制部分分別進行說明。諧波電流檢測部分，如圖2所示主要通過瞬時無功算法從PCC處電壓電壓Upcc檢測出各次諧波電流指令，把需要補償?shù)闹C波電流指令相加就得到總的諧波電流指令 ；
直流側(cè)電壓控制部分，通過電壓閉環(huán)產(chǎn)生基波有功電流指令匕，使有功功率流入逆變器來抵消逆變器的損耗，控制直流側(cè)電壓恒定。電流跟蹤控制部分，通過電流閉環(huán)來控制APF輸出電流跟蹤指令變化；PWM控制驅(qū)動部分，通過SPWM調(diào)制出PWM驅(qū)動逆變器的IGBT，使之產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電流。圖4是本發(fā)明介紹的APF系統(tǒng)仿真波形，其中，(a)為負(fù)載電流仿真波形；(b)為經(jīng)本發(fā)明補償過后的電網(wǎng)電流仿真波形。由圖4 (b)可以看出經(jīng)過本發(fā)明介紹的無電流檢測的APF補償后，電源電流呈現(xiàn)基波正弦，這說明本發(fā)明具有較好的補償負(fù)載諧波電流效果。發(fā)明的結(jié)果
本發(fā)明中給出了一種無電流檢測的APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法，并利用MATLAB中的simulink模塊對該控制方法進行了仿真驗證。從仿真結(jié)果可以看到，該方案能夠很好的補償電網(wǎng)中的諧波電流，相比于其他方案，本發(fā)明節(jié)省了三個電流互感器，可以應(yīng)用在電流不可被檢測的工業(yè)現(xiàn)場，具有一定的應(yīng)用前景。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實施方式
僅限于此，對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所 提交的權(quán)利要求書確定專利保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括三相串聯(lián)電抗器、三相LCL接入濾波器和三相IGBT逆變橋；所述的三相串聯(lián)電抗器串聯(lián)接入三相電網(wǎng)中，一端與電網(wǎng)相接，另一端與非線性負(fù)載NL和三相LCL接入濾波器相連，三者形成公共連接點PCC ;所述的三相LCL接入濾波器的其中一端接于電網(wǎng)公共連接點PCC，另一端與三相IGBT逆變橋相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的三相IGBT逆變橋由三相IGBT橋以及連接于三相IGBT橋直流側(cè)的電容構(gòu)成，三相IGBT橋與三相LCL接入濾波器相連。
3.—種權(quán)利要求I所述無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，包括以下步驟 1)通過電壓傳感器檢測公共連接點PCC處的電壓； 2)對檢測的公共連接點PCC處的電壓進行瞬時無功變換，得到各次諧波的諧波指令； 3)通過鎖相環(huán)節(jié)運算得到三相電網(wǎng)電壓相位信息，將直流側(cè)電壓閉環(huán)得到的幅值乘上相位信息得到穩(wěn)壓所需要的電流指令； 4)將以上2)和3)得到的諧波指令和電流指令相疊加作為最終的控制指令，控制三相IGBT逆變橋的輸出電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)的控制方法，其特征在于，步驟4)中，具體的實現(xiàn)方法是檢測三相IGBT逆變橋輸出電流，并將它與相應(yīng)各相的控制指令做差，差值通過比例積分環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)后與三角載波比較產(chǎn)生PWM信號，用以驅(qū)動各自模塊的IGBT開關(guān)元件動作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無電流檢測的有源濾波器結(jié)構(gòu)及其控制方法。通過利用瞬時無功功率理論從公共連接點處電壓分離出各次諧波信號，經(jīng)過PCC處諧波電壓閉環(huán)控制間接產(chǎn)生諧波指令，而不是從負(fù)載電流或電源電流直接提取諧波指令，因此該APF相比于一般的并聯(lián)型APF節(jié)省了三個電流互感器，具有一定的經(jīng)濟性優(yōu)勢，可以應(yīng)用到負(fù)載電流或電源電流不可被檢測的工業(yè)場合。串聯(lián)電抗器接入電網(wǎng)使較小的諧波電流就在PCC處產(chǎn)生較大的諧波電壓，從而提高諧波信號的檢測精度，使該APF具有較好的補償效果。該APF填補了一般并聯(lián)型APF不能應(yīng)用在負(fù)載電流或電源電流不能被檢測的工業(yè)現(xiàn)場的空白，具有一定實用價值和應(yīng)用前景。
文檔編號H02J3/01GK102723717SQ20121020319
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月19日
發(fā)明者卓放, 孟良, 張艷軍, 易皓, 詹文達, 謝亦豐 申請人:西安交通大學(xué)