本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域,主要指有源電力濾波器，更確切的說(shuō)是指采用新型電流控制器的高運(yùn)行效率，高精確度的改進(jìn)有源電力濾波器。

背景技術(shù)：

70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也在日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)對(duì)諧波問(wèn)題給予了充分的關(guān)注。

有源電力濾波器作為解決電網(wǎng)諧波問(wèn)題、改善電網(wǎng)質(zhì)量的一種行之有效的方案，在全世界各國(guó)得到了廣泛的運(yùn)用。這種思想最先由B.M.Bird和J.F.Marsh于1969年在其論文中提出，該文指出可以將三次諧波電流注入到電網(wǎng)中以達(dá)到改善交流電網(wǎng)中電流的波形的目的。隨后于1976美國(guó)西屋公司的E.C.Strycula與L.Gyugui以PWM技術(shù)為基礎(chǔ)，在理論上證明了電力有源濾波器可以作為一個(gè)理想的諧波源，同時(shí)也在文中提出了有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。但是直到以日本著名學(xué)者H.Akagi提出的三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的諧波檢測(cè)算法得到實(shí)際的應(yīng)用以后，有源電力濾波器才真正意義上在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛運(yùn)用。

傳統(tǒng)的有源電力濾波器，需要用到負(fù)載測(cè)電流互感器，諧波檢測(cè)模塊，電流控制器，有源電力濾波器輸出電流檢測(cè)模塊，濾波電流發(fā)生器，直流側(cè)電壓控制器模塊。其中，負(fù)載測(cè)電流互感器采集負(fù)載電流信號(hào)，與濾波器的輸出電流信號(hào)以及直流側(cè)電壓信號(hào)一起作為電流控制器的輸入，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算信息量較大，對(duì)補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)和DSP主芯片的計(jì)算速度等，都有比較高的要求，此外，對(duì)于檢測(cè)負(fù)載電流的控制方法，即指令電流運(yùn)算電路的輸入信號(hào)來(lái)自負(fù)載電流，這的是一種最基本的控制方式，在這種控制方式中，補(bǔ)償電流能夠較好的跟蹤指令電流，但是，在主電路電力半導(dǎo)體器件高頻通斷的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生其工作頻率附近一些次數(shù)很高的諧波電流，這些電流被放大后流入電網(wǎng)，從而使得電源電流中包含這些諧波成分，使得有源電力濾波器的補(bǔ)償特性變差，因此，這就有必要對(duì)現(xiàn)有的控制策略及控制器進(jìn)行改進(jìn)。

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，由于在對(duì)稱(chēng)的三相電網(wǎng)中偶次諧波因?qū)ΨQ(chēng)被抵消，奇次諧波成為主要的諧波危害源，其中由其以5次，7次諧波的含量為主，其含量可以達(dá)到總諧波的45％甚至80％，另外的6n±1次諧波也嚴(yán)重危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行。目前，有源電力濾波器APF主要的研究熱點(diǎn)與關(guān)注點(diǎn)基本上都集中在了：結(jié)構(gòu)選型的對(duì)比、諧波提取算法的改進(jìn)以及控制策略的優(yōu)化三個(gè)方面。本發(fā)明采用一種新型的電流控制器，優(yōu)化了APF性能，設(shè)計(jì)了一種全新的有源電力濾波器，在工業(yè)生產(chǎn)中6n±1次諧波含量的較高的場(chǎng)合，補(bǔ)償效果尤為明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種采用新型電流控制器的有源電力濾波器，采用的技術(shù)方案如下：

一種采用新型電流控制器的有源電力濾波器，包括電網(wǎng)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，電壓控制環(huán)節(jié)，電流控制器，驅(qū)動(dòng)模塊，基于NPC逆變器的主電路；

所述電網(wǎng)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)采樣三相電流信號(hào)，通過(guò)一組電流互感器采集電網(wǎng)電流信號(hào)i_s,abc，經(jīng)過(guò)Clark/Park變換后，獲得處于同步坐標(biāo)系的電流信號(hào)i_s,dq，同時(shí)通過(guò)加入電壓相位信號(hào)θ_s使得采集到的信號(hào)與電網(wǎng)電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步，之后將所得的處于同步坐標(biāo)系的參考電流信號(hào)加入電流控制器的輸入端；

電壓控制環(huán)節(jié)的負(fù)責(zé)保持變流器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，通過(guò)采集電容電壓實(shí)際電壓信號(hào)V_dc與參考電壓進(jìn)行對(duì)比，將所得到的對(duì)比差值通過(guò)一個(gè)PI控制器調(diào)節(jié)，使得實(shí)際電壓信號(hào)V_dc快速接近參考電壓信號(hào)并將所得的差值信號(hào)加入電流控制器的輸入端口，以構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)電壓控制回路；

所述電流控制器負(fù)責(zé)處理經(jīng)過(guò)所述電流檢測(cè)環(huán)節(jié)后的電流信號(hào)，包括一個(gè)PI控制器和一個(gè)矢量PI控制器；所述PI控制器傳遞函數(shù)為所述矢量PI控制器的傳遞函數(shù)為其中h代表諧波次數(shù)，K_ph是可變?cè)鲆嫦禂?shù)，其取值影響到控制的控制性能，K_rh是諧振增益，并且其中R_F，L_F分別為APF輸出濾波器的等效阻抗值。信號(hào)經(jīng)PI控制器和矢量PI控制器同時(shí)作用后，產(chǎn)生參考電壓信號(hào)利用其與電網(wǎng)電壓信號(hào)產(chǎn)生的差值作為所述驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)；

所述驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)所述基于NPC逆變器的主電路；

所述基于NPC逆變器的主電路采用中性點(diǎn)箝位式三電平逆變器，其產(chǎn)生的補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出濾波器并入電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

進(jìn)一步，所述基于NPC逆變器的主電路由12個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管組成，每相橋臂上下各有兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管并且反并聯(lián)二極管，直流側(cè)是由兩個(gè)直流電容構(gòu)成，這兩個(gè)直流電容給出了中性點(diǎn)Z，連接到中性點(diǎn)的二極管D_Z1和D_Z2為箝位二極管，當(dāng)S₂和S₃導(dǎo)通時(shí)，該逆變器輸出端A通過(guò)其中一個(gè)箝位二極管連接到中性點(diǎn)。

進(jìn)一步，所述驅(qū)動(dòng)模塊采用SVPWM空間矢量調(diào)制技術(shù)得到占空比信號(hào)。

進(jìn)一步，所述K_ph＝0.5。

進(jìn)一步，所述直流電容上的電壓E設(shè)為直流總電壓的一半。

進(jìn)一步，所述電流控制器能夠應(yīng)用在靜止無(wú)功發(fā)生器SVG諧波處理裝置中。

本發(fā)明的有益效果：

1、所提出的新型電流控制器能夠?qū)崿F(xiàn)解耦控制，并且在不需要延遲補(bǔ)償?shù)那闆r下，實(shí)現(xiàn)異常電流峰值的消除，對(duì)APF的運(yùn)行穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)沒(méi)有任何影響，同時(shí)減少了諧波電流產(chǎn)生的無(wú)功功率，保證了電網(wǎng)測(cè)側(cè)的單位功率因數(shù)運(yùn)行

2、所提出的系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)，采用雙閉環(huán)控制，即電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)控制，電壓外環(huán)通過(guò)一個(gè)PI控制器保證了直流測(cè)電壓的穩(wěn)定性，使得APF能夠在負(fù)載波動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行；電流內(nèi)環(huán)通過(guò)新型電流控制器，在基參考系中調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流。

3、所提出的新型電流控制器無(wú)需負(fù)載電流測(cè)量模塊，無(wú)需諧波電流檢測(cè)模塊，同時(shí)省略了參考濾波電流發(fā)生器和濾波電流控制部分，簡(jiǎn)化了控制策略，使得有源電力濾波器的補(bǔ)償性能不再受到諧波跟蹤過(guò)程的影響，從而提高了精確度，使得諧波補(bǔ)償效果得到顯著提高。

4、本發(fā)明的改進(jìn)，使得提出的采用新型電流控制器的APF補(bǔ)償效率得到提升，同時(shí)縮減整體系統(tǒng)成本，并且其補(bǔ)償效果大大高于基于傳統(tǒng)電流控制器的APF。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明提出的采用新型電流控制器的APF結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明提出的中性點(diǎn)箝位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；

圖3本發(fā)明提出的新型電流控制器的原理框圖；

圖4本發(fā)明提出的采用新型電流控制器的APF系統(tǒng)框圖；

圖5未投入本發(fā)明APF之前的三相電源電流波形；

圖6投入本發(fā)明APF之后的三相電源電流波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所示，本發(fā)明有源電力濾波器包含了電網(wǎng)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，電壓控制環(huán)節(jié)，電流控制器，驅(qū)動(dòng)模塊，基于NPC逆變器的主電路，其中：

電網(wǎng)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)采樣三相電流信號(hào)，通過(guò)一組電流互感器采集電網(wǎng)電流信號(hào)i_s,abc，經(jīng)過(guò)Clark/Park變換后，獲得處于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流信號(hào)i_s,dq，同時(shí)通過(guò)加入電壓相位信號(hào)θ_s使得采集到的信號(hào)與電網(wǎng)電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步，之后將所得的處于同步坐標(biāo)系的參考電流信號(hào)加入電流控制器的輸入端。

電壓控制環(huán)節(jié)的主要作用是保持變流器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，通過(guò)采集電容電壓實(shí)際電壓信號(hào)V_dc與參考電壓進(jìn)行對(duì)比，利用PI調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，將此處所得到的差值通過(guò)一個(gè)PI控制器調(diào)節(jié)，以達(dá)到減小電壓波動(dòng)，同時(shí)使得實(shí)際電壓信號(hào)快速接近參考電壓信號(hào)的目的。同樣的，所得的差值信號(hào)也加入電流控制器的輸入端口，以構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)電壓控制回路。

電流控制器是本發(fā)明的核心部分，它是針對(duì)電網(wǎng)中的某一類(lèi)特征諧波提出的，因而同樣可以應(yīng)用到靜止無(wú)功發(fā)生器SVG等諧波處理裝置中。電流控制器主要負(fù)責(zé)處理電網(wǎng)電流檢測(cè)環(huán)節(jié)所得的電流信號(hào)，其原理框圖如圖3所示。圖中的的輸入信號(hào)分別為電流參考信號(hào)來(lái)自電網(wǎng)的電流信號(hào)i_s,dq，令使得電流控制能夠產(chǎn)生足夠的無(wú)功電流以抵消電網(wǎng)中的無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)消除無(wú)功的作用。電流控制器主要由一個(gè)PI控制器和一個(gè)矢量PI控制器組成，其中PI控制器傳遞函數(shù)為K_P1為基波比例放大系數(shù)，K_i1為基波積分系數(shù)；PI控制器的作用是加快控制器的響應(yīng)速度，減少控制器的響應(yīng)時(shí)間。矢量PI控制器利用一系列諧振控制器的級(jí)聯(lián)，達(dá)到在基參考坐標(biāo)系下用一個(gè)諧振控制器控制一對(duì)諧波電流的目的，其傳遞函數(shù)為其中h代表諧波次數(shù)，K_ph是可變?cè)鲆嫦禂?shù)，其取值影響到控制的控制性能，K_rh是諧振增益；并且其中R_F，L_F分別為APF輸出濾波器的等效阻抗值，這樣取值可以消除耦合，減少異常的尖峰電壓。在這里取K_ph＝0.5，此時(shí)矢量PI控制器能夠達(dá)到一個(gè)最佳的穩(wěn)態(tài)效果，類(lèi)似于諧振控制器，在每個(gè)h次諧波處，都會(huì)有一個(gè)增益，本發(fā)明的電流控制器能夠達(dá)到單位增益，是普通的比例諧振控制器所達(dá)不到的，傳統(tǒng)的比例諧振控制器極易發(fā)生超調(diào)，導(dǎo)致對(duì)所需要補(bǔ)償?shù)闹C波產(chǎn)生過(guò)大的增益，導(dǎo)致補(bǔ)償效果變差。由PI控制器和矢量PI控制器同時(shí)作用后，產(chǎn)生參考電壓信號(hào)利用其與電網(wǎng)電壓信號(hào)產(chǎn)生的差值作為驅(qū)動(dòng)模塊的輸入信號(hào)。

所述驅(qū)動(dòng)模塊采用SVPWM空間矢量調(diào)制技術(shù)得到占空比信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)APF主電路中的IGBT開(kāi)關(guān)管，產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)后經(jīng)過(guò)輸出濾波器并入電網(wǎng)中，最終實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償目的

所述基于NPC逆變器的主電路為中性點(diǎn)箝位式三電平逆變器，如圖2所示，直流側(cè)為一個(gè)大電容，主電路拓?fù)溆?2個(gè)IGBT組成，每相橋臂有上下各有兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管并且反并聯(lián)二極管，直流側(cè)是由兩個(gè)直流電容構(gòu)成，這兩個(gè)直流電容給出了中性點(diǎn)Z，連接到中點(diǎn)的二極管D_Z1和D_Z2為箝位二極管，該電路拓?fù)湎鄬?duì)于兩電平逆變器其具有開(kāi)關(guān)頻率高、器件承受電壓低、輸出電壓波形好、輸出諧波小等優(yōu)點(diǎn)。

圖4為本發(fā)明提出的基于新型電流控制器的APF總框圖，包含了Clark/Park變換模塊，電流互感器，新型電流控制器，PI模塊，鎖相環(huán)和帶通濾波器模塊，SVPWM模塊，NPC逆變器模塊。對(duì)于新型電流控制器的輸入信號(hào)(電源基波電流差值和無(wú)功電流)，分別采用電流互感器采集電源電流信號(hào)，后經(jīng)Clark/Park變換模塊得到電源電流在dq坐標(biāo)下的電流，同時(shí)通過(guò)另一個(gè)Clark/Park變換模塊采集電流電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)一個(gè)在基波頻率處諧振的帶通濾波器過(guò)濾掉諧波，帶通濾波器的輸出作為鎖相環(huán)輸入，以此得到θ_s。以上環(huán)節(jié)得了新型電流控制器所需要的電流電壓參考信號(hào)，最后通過(guò)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)形成兩個(gè)閉環(huán)，達(dá)到簡(jiǎn)化系統(tǒng)控制策略，提高APF補(bǔ)償性能的效果。

圖5和圖6分別示出了未采用本發(fā)明APF之前的三相電源電流波形和采用本發(fā)明APF之后的三相電源電流波形。對(duì)比看出，采用本發(fā)明的APF之后，諧波得到明顯抑制，補(bǔ)償效果很好。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。