一種採用負載電壓前饋控制的有源電力濾波器的製作方法

2023-06-02 01:03:46

專利名稱：一種採用負載電壓前饋控制的有源電力濾波器的製作方法
技術領域：
本發明涉及有源電力濾波器的控制方法優化，尤其是採用電網電流直接控制為主控制策略的有源電力濾波器動態性能優化控制方法。
背景技術：
電力電子技術的飛速發展，不僅促進了電力電子裝置的迅速普及，同時也加重了電網的諧波汙染，使得電網的安全穩定運行存在威脅。近年來逐漸增多的變頻器、開關電源、UPS等裝置都是典型的非線性諧波源，其包含了豐富的諧波成分，傳統的LC無源濾波器對這類非線性諧波源的補償效果十分有限。有源電力濾波器(Active Power Filter7APF) 可以有效補償諧波，在目前和未來都將是提高電網供電質量的先進主流方法之一。傳統的有源電力濾波器系統需要檢測負載電流中的諧波和無功分量作為補償電流的基準信號，補償精度在很大程度上依賴於諧波檢測算法的快速性和準確性。但是諧波檢測算法一般均較為複雜，運算量較大，因此使得系統的成本較高。近年來，不需要諧波檢測算法的無諧波檢測控制方式得到廣泛研究，其中電網電流直接控制策略由於具有控制簡單，易於實現，穩態性能出色等特點，而成為一種較有商業前途的控制策略，其系統框圖如圖I所示。電網電流直接控制利用APF直流側電壓環輸出作為電網電流基準幅值信號，其雖然穩態性能優良，硬體成本低，但是電壓環較差的動態特性使得電網電流基準的建立速度較慢，從而影響實際電網電流的響應速度，系統的動態性能較差，這成為其大規模商業應用的瓶頸。因此，如何改善採用電網電流直接控制的有源濾波器動態性能對降低有源濾波器成本，提高有源濾波器商業認可度十分重要。

發明內容
發明目的本發明的目的在於以採用電網電流直接控制的有源濾波系統為對象，針對電網電流直接控制動態性能較差的特點，提出基於負載電壓前饋補償的改進型控制方法。通過對電網電流基準的幅值信號在暫態時的補償措施，使得該有源濾波系統具有出色的動態性能，同時繼承電網電流直接控制良好的穩態補償特性。技術方案本發明採用基於負載電壓前饋補償的方法提高系統動態性能。系統包括交流電網、帶LC輸出濾波器的二極體整流橋負載、基於高頻開關PWM控制的APF主電路、APF系統控制電路、用於電流檢測的電流變送器、用於電壓檢測的電壓變送器，其特徵在於系統採用電網電流直接控制作為有源濾波系統的主控制策略，利用負載突變時的負載電壓擾動對電網電流幅值基準進行前饋補償，以此來提高系統的動態性能，其中電網電流的相位基準利用鎖相環對電網電壓進行鎖相獲得；電網電流的幅值基準有兩部分組成=APF直流側電壓環輸出，負載電壓前饋補償輸出，兩者通過加權值的方式疊加得到電網電流的幅值基準。APF直流側電壓環輸出通過將APF直流側電壓基準值和實際值之間的誤差送入電壓調節器獲得；負載電壓前饋補償輸出由APF直流側電壓環輸出和負載電壓擾動量相加獲得，負載電壓擾動量利用將採樣得到的負載側輸出電容上的負載電壓與負載電壓給定值作比較，誤差經過PI調節器以及低通濾波器獲得。將電網電流的幅值基準和電網電流的相位基準相乘得到電網電流基準。將電網電流基準和實際電網電流送入電流控制環節，使得實際的電網電流跟蹤電網電流基準變化，從而達到APF的補償目的。本發明的控制方法簡單有效，相比於只採用電網電流直接控制的有源濾波系統，無需增加過多運算電路，即可獲得較高的動態性能，同時保留出色的靜態性能。相對於採用諧波檢測算法的傳統有源濾波系統，動、靜態補償性能基本相同，但控制更為簡單，成本得以降低。在設計控制器參數時，負載電壓前饋環節中的負載電壓參考值、低通濾波器的參數以及加權疊加時的權值對於系統的控制目標有較大影響，因此必須進行精心設計與調試。採用該項技術可以有效降低有源濾波系統的成本，同時保證出色的補償性能。本發明適用於以MOSFET、IGBT等半導體器件為功率開關，採用各種形式PWM控制 主電路的有源電力濾波器，用於高性能電網電能質量控制系統。


圖I是只採用電網電流直接控制的有源電力濾波器結構示意圖。圖2是本發明的採用負載電壓前饋控制的有源電力濾波器結構示意圖。圖中標號1-交流電網，2-帶LC輸出濾波器的二極體不控整流橋非線性負載，3-APF主電路，4-控制電路，5-電網電流變送器，6-電網電壓變送器，7-負載電壓變送器，8-APF直流側電壓變送器。圖3是本發明應用於220V/50HZ電網時，與只採用電網電流直接控制的有源濾波系統的效果對比仿真波形，分別為電網電流幅值基準對比和電網電流對比。圖中編號a的波形為只採用電網電流直接控制的有源濾波系統的仿真效果，編號b的波形為本發明的仿
真效果。圖4是本發明應用於220V/50HZ電網時，負載電壓、負載電壓擾動量、APF直流側電壓環輸出、負載電壓前饋補償輸出以及電網電流幅值基準的仿真波形。
具體實施方案下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述附圖2是本發明的一種採用負載電壓前饋控制的有源電力濾波器結構示意圖。系統包括交流電網I、帶LC輸出濾波器的二極體整流橋負載2、基於高頻開關PWM控制的APF主電路3、APF系統控制電路4、用於電網電流檢測的電流變送器CT5、用於電網電壓檢測的電壓變送器PT16、用於負載電壓檢測的電壓變送器PT27、用於APF直流側電壓檢測的電壓變送器PT38，系統採用電網電流直接控制作為有源濾波系統的主控制策略，利用負載突變時的負載電壓擾動對電網電流幅值基準進行前饋補償，以此來提高系統的動態性能，其中電網電流的相位基準es利用鎖相環PLL對電網電壓us進行鎖相獲得；電網電流的幅值基準
有兩部分組成APF直流側電壓環輸出ΙΛ負載電壓前饋補償輸出12%兩者通過加權值的方式疊加得到電網電流的幅值基準ΙΛ APF直流側電壓環輸出I1*通過將APF直流側電壓基準值Vref和實際值Vd。之間的誤差送入電壓調節器獲得；負載電壓前饋補償輸出I/由APF直流側電壓環輸出I1*和負載電壓擾動量Λ u。。相加獲得，負載電壓擾動量Λ u。。利用將採樣得到的負載側輸出電容C。上的負載電壓uo與負載電壓給定值作比較，誤差經過PI調節器以及低通濾波器LPF獲得。將電網電流的幅值基準I:和電網電流的相位基準es相乘得到電網電流基準is'將電網電流基準i/和實際電網電流is送入電流控制環節，使得實際的電網電流is跟蹤電網電流基準i/變化，從而達到APF的補償目的。本發明在電網電流的幅值基準(Im*)的合成環節中對APF直流側電壓環輸出(I1*)
和負載電壓前饋補償輸出(I/)應用了加權的疊加方式，其表達式可表示為
h+加權處理的作用是 I)降低電壓環輸出成分I1*在實際的電網電流幅值基準Ini*中所佔的比重，從而減弱APF直流側電壓環對系統動態性能的影響；2)減小由於本方法的使用而產生的穩態誤差，使得穩態時電網電流的控制較為精確。本發明的控制方法實質上是一種分狀態的控制方法。當系統處於穩態時，電網電流基準幅值只由APF直流側電壓環作用，此時系統的控制仍為電網電流直接控制；當系統進入動態情況時，電網電流基準幅值由APF直流側電壓環輸出和負載電壓前饋補償量共同作用，這個時候系統的控制是複合控制方式。在MATLAB軟體環境下，對本發明建立了仿真模型並進行了動、靜態情況下的波形分析。附圖3為應用於220V/50HZ電網時，本發明與只採用電網電流直接控制的有源濾波系統的效果對比仿真波形，分別為電網電流幅值基準對比和電網電流對比。通過仿真發現本發明的控制方法具有良好的動、靜態諧波補償特性，經過負載電壓前饋補償後，電網電流基準幅值在系統進入動態情況時能快速響應負載的變化，進而使得電網電流在較短的時間內完成了暫態變化過程，時間不足兩個周期。附圖4為本發明應用於220V/50HZ電網時，負載電壓、負載電壓擾動量、APF直流側電壓環輸出、負載電壓前饋補償輸出以及電網電流幅值基準的仿真波形。仿真結果表明本發明能夠較好彌補電網電流直接控制動態性能較差的不足，使系統具有良好的動、靜態諧波補償性能。上述實施例用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種採用負載電壓前饋控制的有源電力濾波器，包括交流電網、帶LC輸出濾波器的二極體整流橋負載、基於高頻開關PWM控制的APF主電路、APF系統控制電路、用於電流檢測的電流變送器CT、用於電壓檢測的電壓變送器PT，其特徵在於系統採用電網電流直接控制作為有源濾波系統的主控制策略，利用負載突變時的負載電壓擾動對電網電流幅值基準進行前饋補償，以此來提高系統的動態性能，其中電網電流的相位基準(es)利用鎖相環PLL對電網電壓(us)進行鎖相獲得；電網電流的幅值基準有兩部分組成APF直流側電壓環輸出(V)，負載電壓前饋補償輸出(I/)，兩者通過加權值的方式疊加得到電網電流的幅值基準(Im)。APF直流側電壓環輸出(I1*)通過將APF直流側電壓基準值(Vref)和實際值(Vdc)之間的誤差送入電壓調節器獲得；負載電壓前饋補償輸出(I/)由APF直流側電壓環輸出(I1*)和負載電壓擾動量(Au。。)相加獲得，負載電壓擾動量(Au。。)利用將採樣得到的負載側輸出電容(C。)上的負載電壓(U。)與負載電壓給定值(uOTef)作比較，誤差經過PI調節器以及低通濾波器LPF獲得。將電網電流的幅值基準(Ij)和電網電流的相位基準(es)相乘得到電網電流基準(is*)。將電網電流基準(is*)和實際電網電流(is)送入電流控制環節，使得實際的電網電流(is)跟蹤電網電流基準(is*)變化，從而達到APF的補償目的。
全文摘要
本發明公開了一種採用負載電壓前饋控制的有源電力濾波器系統。該系統包括交流電網、帶LC輸出濾波器的二極體整流橋負載、有源電力濾波器主電路、控制電路以及電流電壓檢測電路。該系統採用電網電流直接控制作為有源濾波器主控制策略，利用負載突變時的負載電壓擾動對電網電流幅值基準進行前饋補償，以此來提高系統的動態性能，彌補只採用電網電流直接控制時系統動態性能較差的不足，使系統具有優異的動、靜態補償性能。本發明與傳統的有源電力濾波系統相比具有控制簡單，成本較低，補償性能優良等特性。
文檔編號H02J3/01GK102856905SQ20121038222
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月11日 優先權日2012年10月11日
發明者陳仲, 汪昌友, 陳淼 申請人:南京航空航天大學