基於三環控制的有源電力濾波裝置及三環控制方法
2023-09-11 22:11:45 1
基於三環控制的有源電力濾波裝置及三環控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於三環控制的有源電力濾波裝置，包括系統電源、平波電抗器、三相全橋逆變單元、與三相全橋逆變單元連接的電容、均壓電阻，在系統電源與平波電抗器間連有電壓互感器，電壓互感器輸出端連到主控板系統採樣埠；平波電抗器與三相全橋逆變單元間穿有輸出電流互感器，輸出電流互感器連到主控板的輸出採樣埠；三相全橋逆變單元直流側每一組電容上連有直流電壓互感器，直流電壓互感器連到主控板的直流側採樣埠；主控板絕緣柵雙極型電晶體IGBT驅動信號埠連到絕緣柵雙極型電晶體IGBT驅動電路；負載側穿接負載電流互感器，二次輸出端連到主控板的負載電流採樣埠。具有輸出電壓控制精度高、補償效果好、系統可靠性高的優點。
【專利說明】基於三環控制的有源電力濾波裝置及三環控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基於三環控制的有源電力濾波裝置，尤其涉及一種基於電壓外 環、電流內環和穩定校正環的基於三環控制的有源電力濾波裝置及三環控制方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電力電子技術的發展，各種非線性、衝擊性設備的使用給電網帶來了大量的 諧波汙染，由此帶來功率因數低，諧波汙染嚴重，以及系統損耗加大等一系列問題。隨著電 能質量的惡化，供電電能質量有待於治理和改善。電能質量從普遍意義上講是指供電和用 電質量，包括電壓、電流的穩態及暫態量值的偏差、波形畸變的程度、閃變等對用電設備造 成影響的供電和用電問題。而目前電能質量諧波的汙染越來越嚴重，有些甚至已經造成巨 大的經濟損失。另外電力諧波和電容器之間的作用是相互的，它不僅在電容器中產生額外 的電力損耗，而且可能與電容器一起產生串聯或並聯諧振。在電容器的作用下，諧波電流可 以被放大2?5倍，而在諧振時可達30倍以上。諧振引起的過電壓和過電流會大大增加電 容器的損耗和過熱，這往往導致電容器的損壞。諧波對繼電保護的影響主要表現為使繼電 器動作特性畸變或效果降低，其後果常是保護裝置的拒動或誤動。目前，計量中採用靜電感 應式電能表是按工頻（基波50Hz)純正弦交流額定工況設計製造的。存在電力諧波時，基 波電流和諧波電流都會在電能錶轉盤上產生渦流，因而諧波存在會影響計量的準確性。
[0003] 因此針對電網的諧波汙染的諧波治理產品-有源電力濾波裝置應運而生。目前的 有源電力濾波裝置已經廣泛的應用。APF的運行狀況和補償效果取決於APF本身的控制算 法，傳統的PI控制隨著有源電力濾波裝置的大量使用，其缺陷也開始浮出水面，基於內外 環PI的控制方法對變化的負載跟蹤效果差，輸出相位出現滯後現象，以致電能質量的治理 效果不能達到預期目的，基於三環控制理論的有源電力濾波裝置，採用預見性的重複控制， 對補償輸出有很好的跟蹤特性，補償效果好。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在於克服現有技術中電流內環控制中存在的相位滯後，而提供一種 旨在優化傳統基於電流內環和電壓外環的雙環控制系統的基於三環控制的有源電力濾波 裝置及三環控制方法，在傳統基於電流內環和電壓外環的雙環控制系統的基礎上增加預見 性的重複控制環節，對補償輸出有很好的跟蹤特性，其性能優於傳統的雙環控制。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的： 一種基於三環控制的有源電力濾波裝置，包括系統電源USA、USB、USC，與系統電源 USA、USB、USC的三相輸出端相連接的平波電抗器La、Lb、Lc，與平波電抗器La、Lb、Lc相連 接的由S1、S2、S3、S4、S5、S6六個絕緣柵雙極型電晶體IGBT構成的三相全橋逆變單元、與 三相全橋逆變單元的直流側相連接的兩組串接的電容Cl、C2、在每一組電容上並聯的均壓 電阻R1、R2,其特徵在於： 在系統電源USA、USB、USC與平波電抗器La、Lb、Lc之間連接有電壓互感器，電壓互感 器的輸出端連接到主控板的系統採樣埠； 在平波電抗器La、Lb、Lc與三相全橋逆變單元之間穿有輸出電流互感器，輸出電流互 感器的輸出端連接到主控板的輸出採樣埠； 在三相全橋逆變單元直流側每一組電容上連接有直流電壓互感器，直流電壓互感器的 輸出端連接到主控板的直流側採樣埠； 主控板的絕緣柵雙極型電晶體IGBT驅動埠直接連接到絕緣柵雙極型電晶體IGBT的 驅動電路；另外負載側穿接負載電流互感器，其二次輸出端連接到主控板的負載電流採樣 埠。
[0006] -種所述的基於三環控制的有源電力濾波裝置的三環控制方法，其特徵在於：按 照如下步驟進行的： 步驟1)、將經過電壓互感器檢測三相系統電源USA、USB、USC的電壓值，經過鎖相環PLL 得到電壓相位和進行park變化的C0S和SIN序列； 步驟2)、通過負載電流互感器檢測三相負載電流ILA、ILB、ILC，並根據步驟1中的C0S 和SIN序列經過park變換，包括C32變換和C變換，將三相靜態坐標系下三相負載電流轉換 到兩相旋轉坐標系dq坐標下電流，通過濾除高頻諧波（LPF)得到三相負載基波電流，再根 據步驟1中的C0S和SIN序列經過park反變換，轉換成三相補償目標電流i af, ibf, icf ; 步驟3)、通過輸出電流互感器的LEMA、LEMB、LEMC端檢測輸出電流ΙΟΑ、Ι0Β、I0C，通過 電流內環PI調節得到內環電流控制輸出目標值； 步驟4)、將直流側經過直流採樣互感器得出直流側電壓值UDCA、UDCB，通過求和後並 經過直流電壓外環PI調節得到直流側補償能量目標值； 步驟5)、根據重複控制理論，並根據負載電流的重複出現為依據，經過三相電流補償目 標值iaf，ibf，irf和三相輸出電流ΙΟΑ、Ι0Β、I0C的相位校對，並經過PI控制得到重複控制 目標值；將重複控制目標值與步驟3、步驟4輸出目標值疊加經過SVPWM，SVPWM為空間矢量 PWM調節，生成觸發脈衝序列，經IGBT驅動電路控制絕緣柵雙極型電晶體IGBT導通和關斷， 從而控制變流器輸出達到補償目標值。
[0007] 與現有的有源電力濾波裝置相比，本發明所提出的基於三環控制的有源電力濾波 裝置有如下突出優點： 1) 、通過電壓外環實現了對三相SVPWM變流器直流電壓的控制，保證了直流電壓的穩 定及控制精度，並保持穩定在設定值； 2) 、通過重複電流三環控制實現了輸出電流的相位的預見性控制，提高了補償效果， 減少了因相位問題而產生的幹擾和諧波； 3) 、通過三環控制保證了系統的穩定、精確、高效，避免了因裝置的不穩定而導致的器 件損壞。
[0008] 本發明所提出的基於三環控制的有源電力濾波裝置，具有輸出電壓控制精度高、 補償效果好、系統可靠性高等突出優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發明的結構示意圖。
[0010] 圖2是本發明的三環控制圖。
[0011] 圖3是實例A相電網電流的補償效果圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖與具體實施實例對本發明作進一步詳細描述：本實施實例在以本發 明技術方案為前提下進行實施，給出了實施方式和操作過程，但本發明的保護範圍不限於 下述的實施例。
[0013] 圖1是本發明提出的基於三環控制的有源電力濾波裝置的結構框圖，包括用於三 相SVPWM控制輸出的逆變單元、連接電網側的電感1^、1^、1^、系統電壓互感器、負載電流互 感器、輸出電流互感器、直流採樣互感器、用於三相全橋IGBT的驅動電路以及用於計算和 控制的主控電路。本發明公開了一種基於三環控制的有源電力濾波裝置，從改善傳統有源 電力濾波裝置的補償跟蹤效果角度出發，在常規的有源電力濾波器(APF)的電壓外環和電 流內環的雙環控制算法的基礎上，增設了預見性重複電流控制反饋校正環節。並在設計預 見性重複電流控制反饋校正環節的參數的過程中，採用了提高APF整機補償電流跟蹤速度 的重複PI控制技術，以探求最佳的系統穩定快速跟蹤效果，構成符合系統穩定性要求的預 見性重複電流控制環節，形成了新型的基於電壓外環、電流內環和預見性重複電流控制環 的三環控制的有源電力濾波裝置。
[0014] 如圖1所示，一種基於三環控制的有源電力濾波裝置，包括系統電源USA、USB、 USC，與系統電源USA、USB、USC的三相輸出端相連接的平波電抗器La、Lb、Lc，與平波電抗器 1^、1^、1^相連接的由51、52、53、54、55、56六個絕緣柵雙極型電晶體1681'構成的三相全 橋逆變單元、與三相全橋逆變單元的直流側相連接的兩組串接的電容C1、C2,在每一組電容 上並聯的均壓電阻R1、R2 ; 在系統電源USA、USB、USC與平波電抗器La、Lb、Lc之間連接有系統電壓互感器，電壓 互感器的輸出端連接到主控板的系統電壓採樣埠； 在平波電抗器La、Lb、Lc與三相全橋逆變單元之間穿有輸出電流互感器，輸出電流互 感器的輸出端連接到主控板的輸出電流採樣埠； 在三相全橋逆變單元直流側每一組電容上連接有直流電壓互感器，直流電壓互感器的 輸出端連接到主控板的直流側採樣埠； 主控板的絕緣柵雙極型電晶體IGBT驅動信號埠直接連接到絕緣柵雙極型電晶體 IGBT的驅動電路；另外負載側穿接負載電流互感器，其二次輸出端連接到主控板的負載電 流採樣埠。
[0015] 上面所述的本發明的一種基於三環控制的有源電力濾波裝置包括用於三相SVPWM 的逆變單元、連接電網側的電感為La、Lb、Lc、系統電壓互感器、負載電流互感器、輸出電 流互感器、直流採樣互感器、用於三相全橋IGBT的驅動電路以及用於計算和控制的主控電 路。用於計算和控制的主控電路設置在主控板上。
[0016] 如圖2所示，本發明還公開了一種所述的基於三環控制的有源電力濾波裝置的三 環控制方法，其按照如下步驟進行的： 步驟1)、將經過電壓互感器檢測三相系統電源USA、USB、USC的電壓值，經過鎖相環PLL 得到電壓相位和進行park變化的C0S和SIN序列； 步驟2)、通過負載電流互感器檢測三相負載電流ILA、ILB、ILC，並根據步驟1中的C0S 和SIN序列經過park變換，包括C32變換和C變換，將三相靜態坐標系下三相負載電流轉換 到兩相旋轉坐標系dq坐標下電流，通過濾除高頻諧波（LPF)得到三相負載基波電流，再根 據步驟1中的COS和SIN序列經過park反變換，轉換成三相補償目標電流i af, ibf, icf ; 步驟3)、通過輸出電流互感器的LEMA、LEMB、LEMC端檢測輸出電流IOA、IOB、I0C，通過 電流內環PI調節得到內環電流控制輸出目標值； 步驟4)、將直流側經過直流採樣互感器得出直流側電壓值UDCA、UDCB，通過求和後並 經過直流電壓外環PI調節得到直流側補償能量目標值； 步驟5)、根據重複控制理論，並根據負載電流的重複出現為依據，經過三相電流補償目 標值iaf，ibf，irf和三相輸出電流IOA、IOB、I0C的相位校對，並經過PI控制得到重複控制 目標值；將重複控制目標值與步驟3、步驟4輸出目標值疊加經過SVPWM，SVPWM為空間矢量 PWM調節，生成觸發脈衝序列，經IGBT驅動電路控制絕緣柵雙極型電晶體IGBT導通和關斷， 從而控制變流器輸出達到補償目標值。
[0017] 所述預見性重複電流控制反饋校正環節的參數通過相位匹配的方法優選得到。其 基本思想是假定前一基波周期中出現的畸變將在下一基波周期的同一時間重複出現，控制 器根據每個開關周期給定與反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然後在下一基波周期 同一時間將此信號疊加在原控制信號上，以消除以後各周期中將出現的重複性畸變； 為說明本發明的正確性和可行性，對一臺50A的三相有源濾波裝置運行系統進行了驗 證。參數為：電網電壓為380V，控制輸出直流電壓為750V，開關頻率為20kHz，交流側濾波 器參數為La = 0. 4mH，Lb = 0. 4mH，Lc = 0. 4 mH。附圖3為該實施例的具體實驗波形。
【權利要求】
1. 一種基於三環控制的有源電力濾波裝置，包括系統電源USA、USB、USC、與系統電源 USA、USB、USC的三相輸出端相連接的平波電抗器La、Lb、Lc，與平波電抗器La、Lb、Lc相連 接的是由SI、S2、S3、S4、S5、S6六個絕緣柵雙極型電晶體IGBT構成的三相全橋逆變單元、 與三相全橋逆變單元的直流側相連接的兩組串接的電容Cl、C2、在每一組電容的兩端並接 的均壓電阻R1、R2,其特徵在於： 在系統電源USA、USB、USC與平波電抗器La、Lb、Lc之間連接有電壓互感器，電壓互感 器的輸出端連接到主控板的系統電壓採樣埠； 在平波電抗器La、Lb、Lc與三相全橋逆變單元之間穿有輸出電流互感器，輸出電流互 感器的輸出端連接到主控板的輸出電流採樣埠； 在三相全橋逆變單元直流側每一組電容上連接有直流電壓互感器，直流電壓互感器的 輸出端連接到主控板的直流側電壓採樣埠； 主控板的SVPWM脈衝輸出信號埠直接連接到絕緣柵雙極型電晶體IGBT的驅動電路； 另外負載側穿接負載電流互感器，其二次輸出端連接到主控板的負載電流採樣埠。
2. -種如權利要求1所述的基於三環控制的有源電力濾波裝置的三環控制方法，其特 徵在於：按照如下步驟進行的： 步驟1)、將經過系統電壓互感器檢測得到的三相系統電源USA、USB、USC的電壓值，經 過鎖相環PLL得到電壓相位和進行park變換的COS和SIN序列； 步驟2)、通過負載電流互感器檢測得到三相負載電流ILA、ILB、ILC，並根據步驟1中的 COS和SIN序列經過park變換，包括C32變換和C變換，將三相靜態坐標系下三相負載電流 轉換到兩相旋轉坐標系dq坐標下電流，通過低通濾波（LPF)得到三相負載基波電流，再根 據步驟1中的COS和SIN序列經過park反變換，轉換成三相補償目標電流i af, ibf, icf ; 步驟3)、通過輸出電流互感器的LEMA、LEMB、LEMC端檢測輸出電流IOA、IOB、I0C，通過 電流內環PI調節得到內環電流控制輸出的目標值； 步驟4)、將直流側經過直流採樣互感器得出直流側電壓值UDCA、UDCB，通過求和後並 經過直流電壓外環PI調節得到直流側補償能量的目標值； 步驟5)、根據重複控制理論，並根據負載電流的重複出現為依據，經過三相電流補償目 標值iaf，ibf，irf和三相輸出電流IOA、IOB、I0C的相位校對，並經過PI控制得到重複控制 目標值；將重複控制目標值與步驟3、步驟4的輸出目標值疊加經過SVPWM，SVPWM為空間矢 量PWM調節，生成觸發脈衝序列，經IGBT驅動電路控制絕緣柵雙極型電晶體IGBT導通和關 斷，從而控制逆變單元輸出，達到補償目標值。
【文檔編號】H02J3/01GK104158193SQ201410415363
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月22日 優先權日:2014年8月22日
【發明者】王雷, 關戰偉, 王賀萍 申請人:河南柏特電氣設備有限公司