交錯單周控制補償電流發生器的製作方法

2023-08-06 06:33:01

專利名稱：交錯單周控制補償電流發生器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於對電力系統中的諧波電流和無功電流進行主動跟蹤補 償的交錯單周控制補償電流發生器。
背景技術：
採用現代電力電子技術對電力系統中的諧波電流和無功電流進行主動補償，是近 年來發展起來的柔性輸電技術(FACTS)和用戶電力技術(D-FACTS)中的重要內容。例如並 聯有源電力濾波器(APF)和靜止同步補償器(STATC0M)等，都屬於採用現代電力電子技術 製造的補償電流發生器。為了取得高效率、高速度的補償效果，這類補償電流發生器常採用滯環跟蹤方法 或PWM方法對其中的逆變橋進行調製驅動，以產生所需的快速變化的高強度補償電流。滯 環跟蹤調製方法電流跟蹤速度最快，且電流跟蹤精度高，但存在載波頻率不確定的缺點；採 用三角波進行調製的線性PWM方法載波頻率固定，但電流跟蹤速度較低，跟蹤誤差較大。單周控制是近年來電力電子技術領域中日益受到重視的一種新型控制方法。單周 控制是一種非線性控制法，其基本思想是控制開關佔空比，在每個周期內使逆變器開關變 量的平均值與控制參考值相等或成一定比例，從而消除穩態和瞬態誤差。單周控制具有反 應快、控制精度高、控制電路簡單、控制性能對系統參數變化不敏感等優點，在開關電源變 換器中有很多應用。關於單周控制方法在並聯有源電力濾波器等補償電流發生器中的應 用，已有大量研究文獻，但幾乎所有文獻所涉及的有源電力濾波器單周控制方法，其控制目 標都是基於以下控制方程(李承.基於單周控制理論的有源電力濾波器與動態電壓恢復器 研究.博士學位論文，華中科技大學，2005)
2 Cdr- vc{t) dt = Re-is + i;c(t) 1 Jo或Re · is = (2d-l) · vc (t) = Vs (t)其中T是開關周期，d是開關佔空比，Re等效負載電阻，「是補償後的電源電流， vc(t)是電容器電壓，vs(t)是交流電源電壓。按此控制方程實施控制的效果是補償後，電源電流is與電源電壓Vs (t)成正比， 系統等效為一個功率因數為1的純電阻民。然而，在實際應用中對補償效果的要求是多樣化的，往往要求補償電流發生器能 夠完全跟蹤指令電流產生所需補償電流，而不是簡單地把被補償系統的功率因數補償為1。 上述控制方程的控制目標過於單一，不能滿足多樣化的實際補償需求；同時，採用上述控制 方程時，如果電源電壓波形存在畸變，則補償後的電流波形也會發生同樣畸變；而且由於 控制方程中的參考值RJs中包含補償電流中的紋波電流，當紋波電流較大時會顯著影響控 制精度。文獻[莊華等.基於ipiq法和單周控制的三相有源電力濾波器.電氣應用，2006，25(11) :47-51]研究了控制目標是僅對系統中諧波分量進行補償的有源電力濾波器單周 控制方法，其控制方程為 ι rdT- J isdt = h- (iLf - is)其中T是開關周期，d是開關佔空比，「是補償後的電源電流，h是放大倍數，iLf 是負載電流的基波分量。該方法可以避免有源電力濾波器補償基波無功電流，但對控制目標多樣性的改善 有限；而且由於方程右邊的參考值中仍然包含補償電流中的紋波電流，當紋波電流較大時 同樣會顯著影響控制精度。該文獻指出，h越大電源電流is越接近參考值，但h很大時上述 控制方程可改寫為
ι ι rdT(iu-is)= — - J is dt 0這實際是對is峰值的控制，而非對is的單周期平均值的控制，由於is中不可避免 地包含有補償電流的紋波分量，必然導致is的單周期平均值偏離參考值。文獻[雷鵬等.ipiq檢測法的單周控制三電平有源電力濾波器.高電壓技術， 2007,33(11) =143-149]研究了採用單周控制方法實現電流跟蹤控制，其控制方程為
1 fdT- ic dt = ire{ 1 Jo其中T是開關周期，d是開關佔空比，ic是補償電流，iref是參考電流。然而，由於並聯有源電力濾波器等補償電流發生器均以電流連續模式工作，在每 個開關周期T內的(l-d)T時段內，補償電流i。並不恆等於0，也是電流單周期平均值的組 成部分；上述控制方程左側的算式僅在ο-dT時段內對i。積分，因而不能正確計算補償電流 Ic的單周期平均值。在上述控制方程得到滿足時，補償電流i。的單周期平均值還與被補償 電力線路電壓瞬時值以及i。的變化趨勢等因素有關，並不能被唯一確定，導致該方法的電 流跟蹤誤差太大，不能滿足實用要求。綜上所述，公知的用於並聯有源電力濾波器等補償電流發生器的單周控制方法存 在以下不足1)控制目標過於單一，不能滿足多樣化的實際補償需求；2)如果電源電壓波形存在畸變，則補償後的電流波形也會發生同樣畸變；3)補償電流中的高頻紋波分量會顯著影響控制精度；4)採用單周控制方法進行電流跟蹤控制的探索，控制方程不正確，控制效果差，不 能滿足實用要求。

實用新型內容本實用新型的目的就是為解決上述問題，提供一種適用於並聯有源電力濾波器等 補償電流發生器的，能夠實現高速度、高精度電流跟蹤控制的交錯單周控制補償電流發生器。為實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案一種交錯單周控制補償電流發生器，它包括三相逆變橋I和三相逆變橋II，兩者具有公共的直流母線；在直流母線兩極之間接有儲能電容器組；所述三相逆變橋I和三相 逆變橋II的逆變輸出端分別與三相電感器I和三相電感器II的輸入端連接；三相電感器 I和三相電感器II的輸出端相互並聯後接三相被補償電力線路L1、L2和L3 ；所述三相逆變 橋I和三相逆變橋II中各逆變橋臂的控制輸入端則分別與各自的脈衝驅動裝置連接；各脈衝驅動裝置分別與相應的電流檢測單元I和電流檢測單元II的輸出端連接， 電流檢測單元I和電流檢測單元II的輸入端與各自的電流互感器組I和電流互感器組II 的二次側連接；電流互感器組I和電流互感器組II的一次側分別串聯在三相逆變橋I和三 相逆變橋II的逆變輸出迴路中；各脈衝驅動裝置還與同步脈衝發生單元連接；各脈衝驅動裝置的輸入端還分別與電壓參數運算單元和指令電流運算單元的輸 出端連接；電壓參數運算單元的輸入端與交流電壓檢測單元的輸出端連接，指令電流運算 單元的輸入端則分別與交流電壓檢測單元的輸出端、電流檢測單元III的輸出端和直流電 壓檢測單元的輸出端連接；交流電壓檢測單元的輸入端分別接三相被補償電力線路Li、L2 和L3，它的中線輸入端接被補償電力線路的中線N ；電流檢測單元III的輸入端與電流互 感器組III的二次側連接；電流互感器組III的一次側串聯在被補償電力線路L1、L2和L3 中；直流電壓檢測單元的三個輸入端分別接直流母線的兩極和中線N。所述脈衝驅動裝置有兩組，它們的結構完全相同與三相逆變橋I對應的一組包 括驅動單元1-111，驅動單元I-III分別與相應的驅動脈衝生成單元I-III連接；與三相逆 變橋II對應的一組包括驅動單元IV-VI，驅動單元IV-VI分別與相應的驅動脈衝生成單元 IV-VI連接；驅動單元I-VI的各驅動脈衝輸入端分別接驅動脈衝生成單元I-VI的各輸出端； 驅動脈衝生成單元I-III的各輸入端①分別接電流檢測單元I的三個輸出端，驅動脈衝生 成單元IV-VI的各輸入端①分別接電流檢測單元II的三個輸出端；驅動脈衝生成單元I、 IV的各輸入端②相互連接在一起並與指令電流運算單元的輸出端G1連接，其各輸入端③ 相互連接在一起並與電壓參數運算單元的輸出端V1連接；驅動脈衝生成單元II、V的各輸 入端②相互連接在一起並與指令電流運算單元的輸出端G2連接，其各輸入端③相互連接 在一起並與電壓參數運算單元的輸出端V2連接；驅動脈衝生成單元III、VI的各輸入端② 相互連接在一起並與指令電流運算單元的輸出端^3連接，其各輸入端③相互連接在一起 並與電壓參數運算單元的輸出端V3連接；驅動脈衝生成單元I-III的各輸入端④相互連接 在一起並與同步脈衝發生單元的輸出端P1連接，驅動脈衝生成單元IV-VI的各輸入端④相 互連接在一起並與同步脈衝發生單元的輸出端P2連接。所述驅動脈衝生成單元I-VI具有相同的內部結構，每個驅動脈衝生成單元均由 減法運算單元I、基準電壓單元I、比例運算單元I、加法運算單元I、加法運算單元II、電阻 器I、電容器I、復位開關、RS觸發器、比較器、減法運算單元II、運算放大器、電阻器II、電 容器II構成；其中，減法運算單元I的「+」輸入端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端①，其 「-」輸入端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端②，其輸出端接比例運算單元I的輸入端；加 法運算單元I的一個輸入端接比例運算單元I的輸出端，其另一個輸入端接基準電壓單元 I的輸出端，其輸出端接加法運算單元II的一個輸入端；加法運算單元II的輸出端串聯電 阻器I後接電容器I的一個引出端，電容器I的另一個引出端接電位參考點；電阻器I與電容器I的連接點同時還與加法運算單元II的另一個輸入端以及比較器的「 + 」輸入端連 接；比較器的「_」輸入端接減法運算單元II的輸出端，其輸出端接RS觸發器的R觸發端； RS觸發器的S觸發端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端④，其輸出端Q接所述驅動脈衝生 成單元的輸出端，其輸出端ζ接復位開關的控制端；復位開關的兩極與電容器I並聯；減法 運算單元II的「+」輸入端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端③，其「_」輸入端接運算放大 器的輸出端；電阻器II跨接在運算放大器的輸出端與「_」輸入端之間，電容器II的一端接 運算放大器的「_」輸入端，另一端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端②；運算放大器的「+」 輸入端接電位參考點。其中的電壓參數運算單元由加法運算單元III-V、比例運算單元II-IV、基準電壓 單元II構成；其中，加法運算單元III-V的各輸出端分別接所述電壓參數運算單元的輸出 端Vl、V2和V3，其各一個輸入端分別接比例運算單元II-IV的各輸出端，其各另一輸入端相 互連接在一起，並與基準電壓單元II的輸出端連接；比例運算單元II-IV的各輸入端分別 接所述電壓參數運算單元的輸入端UpU2和u3。所述儲能電容器組由兩隻電容器串聯構成，其串聯連接點與被補償電力線路的中 線N連接。所述交錯單周控制補償電流發生器的控制方法，其特徵是，它的步驟為(1)由直流電壓檢測單元、交流電壓檢測單元、電流檢測單元III分別測得直流母 線電壓信號、三相交流電壓信號和三相被補償電流信號，並將其送入指令電流運算單元，由 指令電流運算單元採用公知技術計算求出三相補償電流的指令電流信號Gp ☆和G，並 按所述連接關係將其分別送入驅動脈衝生成單元I-VI。(2)由電壓參數運算單元根據三相交流電壓信號U1、U2和u3，按照下式計算得出對 應的電壓參數信號Vl、V2和v3:V1 = ki · Ui+0. 5V2 = ki · u2+0. 5V3 = ki · u3+0. 5其中^ = 1/Vdc, Vdc是直流母線電壓設定值；按所述連接關係將Vl、V2和V3分別送入驅動脈衝生成單元I-VI。(3)由電流檢測單元I分別測得三相逆變橋I的三相輸出電流信號i。n、i。12、icl3 ； 由電流檢測單元II分別測得三相逆變橋II的三相輸出電流信號i。21、i。22、i。23 ；按所述連接 關係將各輸出電流信號分別送入驅動脈衝生成單元I-VI。(4)由同步脈衝發生單元產生兩組同步脈衝信號P1和P2A1與P2具有相同的周期 T，但P2較P1滯後T/2 ；按所述連接關係將P1和P2分別送入驅動脈衝生成單元I-VI。(5)驅動脈衝生成單元I-III在同步脈衝信號P1的同步控制下分別按以下控制方 程產生單周控制驅動脈衝
權利要求1.一種交錯單周控制補償電流發生器，其特徵是，它包括三相逆變橋1( 和三相逆變 橋II (3)，兩者具有公共的直流母線；在直流母線兩極之間接有儲能電容器組(1)；所述三 相逆變橋1( 和三相逆變橋11(3)的逆變輸出端分別與三相電感器1(6)和三相電感器 11(7)的輸入端連接；三相電感器I (6)和三相電感器II (7)的輸出端相互並聯後接三相被 補償電力線路Li、L2和L3 ；所述三相逆變橋I (2)和三相逆變橋II (3)中各逆變橋臂的控 制輸入端則分別與各自的脈衝驅動裝置連接；各脈衝驅動裝置分別與相應的電流檢測單元I 04)和電流檢測單元11 的輸出端 連接，電流檢測單元I 04)和電流檢測單元II (25)的輸入端與各自的電流互感器組I (4) 和電流互感器組II 的二次側連接；電流互感器組I (4)和電流互感器組II 的一次側 分別串聯在三相逆變橋1( 和三相逆變橋II (3)的逆變輸出迴路中；各脈衝驅動裝置還與同步脈衝發生單元OO)連接；各脈衝驅動裝置的輸入端還分別與電壓參數運算單元和指令電流運算單元02) 的輸出端連接；電壓參數運算單元的輸入端與交流電壓檢測單元06)的輸出端連接， 指令電流運算單元0 的輸入端則分別與交流電壓檢測單元06)的輸出端、電流檢測單 元111(27)的輸出端和直流電壓檢測單元03)的輸出端連接；交流電壓檢測單元06)的 輸入端分別接三相被補償電力線路L1、L2和L3，它的中線輸入端接被補償電力線路的中線 N;電流檢測單元III (27)的輸入端與電流互感器組111( )的二次側連接；電流互感器組 111(28)的一次側串聯在被補償電力線路Li、L2和L3中；直流電壓檢測單元的三個 輸入端分別接直流母線的兩極和中線N。
2.如權利要求1所述的交錯單周控制補償電流發生器，其特徵是，所述脈衝驅動裝置 有兩組，它們的結構完全相同與三相逆變橋1(2)對應的一組包括驅動單元I-III (8、9、 10)，驅動單元I-III (8、9、10)分別與相應的驅動脈衝生成單元I-III (14、15、16)連接；與 三相逆變橋II (3)對應的一組包括驅動單元IV-VI (11、12、13)，驅動單元IV-VI (11、12、13) 分別與相應的驅動脈衝生成單元IV-VI (17、18、19)連接；驅動單元I-VI (8-13)的各驅動脈衝輸入端分別接驅動脈衝生成單元I-VI (14-19)的 各輸出端；驅動脈衝生成單元I-III (14-16)的各輸入端①分別接電流檢測單元I 04)的 三個輸出端，驅動脈衝生成單元IV-VI (17-19)的各輸入端①分別接電流檢測單元IK25) 的三個輸出端；驅動脈衝生成單元I、IV(14、17)的各輸入端②相互連接在一起並與指令 電流運算單元0 的輸出端G1連接，其各輸入端③相互連接在一起並與電壓參數運算單 元的輸出端V1連接；驅動脈衝生成單元II、V(15、18)的各輸入端②相互連接在一起 並與指令電流運算單元0 的輸出端G2連接，其各輸入端③相互連接在一起並與電壓參 數運算單元的輸出端V2連接；驅動脈衝生成單元III、VI (16、19)的各輸入端②相互 連接在一起並與指令電流運算單元0 的輸出端G3連接，其各輸入端③相互連接在一起 並與電壓參數運算單元的輸出端V3連接；驅動脈衝生成單元I-III (14-16)的各輸 入端④相互連接在一起並與同步脈衝發生單元00)的輸出端P1連接，驅動脈衝生成單元 IV-VI (17-19)的各輸入端④相互連接在一起並與同步脈衝發生單元00)的輸出端P2連 接。
3.如權利要求1所述交錯單周控制補償電流發生器，其特徵是，所述驅動脈衝生成單 元I-VI (14-19)具有相同的內部結構，每個驅動脈衝生成單元均由減法運算單元1(四)、基準電壓單元I (30)、比例運算單元I (31)、加法運算單元I (32)、加法運算單元II (33)、 電阻器I (34)、電容器I (35)、復位開關(36)、RS觸發器(37)、比較器(38)、減法運算單元 II (39)、運算放大器(40)、電阻器II (41)、電容器II (42)構成；其中，減法運算單元I (29) 的「 + 」輸入端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端①，其「_」輸入端接所述驅動脈衝生成單 元的輸入端②，其輸出端接比例運算單元1(31)的輸入端；加法運算單元I (3 的一個輸 入端接比例運算單元I (31)的輸出端，其另一個輸入端接基準電壓單元I (30)的輸出端，其 輸出端接加法運算單元II (3 的一個輸入端；加法運算單元II (3 的輸出端串聯電阻器 1(34)後接電容器1(35)的一個引出端，電容器I (35)的另一個引出端接電位參考點；電阻 器I (34)與電容器1(35)的連接點同時還與加法運算單元11(33)的另一個輸入端以及比 較器(38)的「 + 」輸入端連接；比較器(38)的「_」輸入端接減法運算單元II (39)的輸出 端，其輸出端接RS觸發器(37)的R觸發端；RS觸發器(37)的S觸發端接所述驅動脈衝生 成單元的輸入端④，其輸出端Q接所述驅動脈衝生成單元的輸出端，其輸出端ζ接復位開關 (36)的控制端；復位開關(36)的兩極與電容器1(35)並聯；減法運算單元II (39)的「 + 」 輸入端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端③，其「_」輸入端接運算放大器GO)的輸出端； 電阻器IK41)跨接在運算放大器^))的輸出端與「_」輸入端之間，電容器IK42)的一端 接運算放大器GO)的「_」輸入端，另一端接所述驅動脈衝生成單元的輸入端②；運算放大 器GO)的「 + 」輸入端接電位參考點。
4.如權利要求1所述交錯單周控制補償電流發生器，其特徵是，其中的電壓參數運 算單元由加法運算單元III-V03-45)、比例運算單元II-IV06-48)、基準電壓單元 11(49)構成；其中，加法運算單元111-^43-4 的各輸出端分別接所述電壓參數運算單元 (21)的輸出端力、力和％，其各一個輸入端分別接比例運算單元II-IV(46-48)的各輸出端， 其各另一輸入端相互連接在一起，並與基準電壓單元Π 09)的輸出端連接；比例運算單元 II-IV(46-48)的各輸入端分別接所述電壓參數運算單元的輸入端ui、u2*u3。
5.如權利要求1所述交錯單周控制補償電流發生器，其特徵是，所述儲能電容器組(1) 由兩隻電容器串聯構成，其串聯連接點與被補償電力線路的中線N連接。
專利摘要本實用新型涉及一種交錯單周控制補償電流發生器。它具有電流跟蹤誤差小、跟蹤速度快、開關頻率固定等優點，並通過紋波交錯對消方式顯著降低輸出補償電流的紋波分量。它包括三相逆變橋I和三相逆變橋II，兩者輸出端分別串聯電流互感器組I和電流互感器組II，然後分別與三相電感器I和三相電感器II連接；三相電感器I和三相電感器II的輸出端並聯後接三相被補償電力線路；所述兩三相逆變橋分別與各自的脈衝驅動裝置連接，各脈衝驅動裝置分別與相應的電流檢測單元I和電流檢測單元II、同步脈衝發生單元、電壓參數運算單元和指令電流運算單元連接，各電流檢測單元與各自的電流互感器組連接，兩運算單元與對應的檢測單元連接。
文檔編號H02J3/18GK201846078SQ20102055668
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月11日 優先權日2010年10月11日
發明者李建明, 王德濤, 鞠洪兵 申請人:山東山大華天科技股份有限公司