基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置及三環(huán)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置，包括系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)采樣端口；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采樣端口；三相全橋逆變單元直流側(cè)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(cè)采樣端口；主控板絕緣柵雙極型晶體管IGBT驅(qū)動(dòng)信號端口連到絕緣柵雙極型晶體管IGBT驅(qū)動(dòng)電路；負(fù)載側(cè)穿接負(fù)載電流互感器，二次輸出端連到主控板的負(fù)載電流采樣端口。具有輸出電壓控制精度高、補(bǔ)償效果好、系統(tǒng)可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置及三環(huán)控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置，尤其涉及一種基于電壓外 環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和穩(wěn)定校正環(huán)的基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置及三環(huán)控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種非線性、沖擊性設(shè)備的使用給電網(wǎng)帶來了大量的 諧波污染，由此帶來功率因數(shù)低，諧波污染嚴(yán)重，以及系統(tǒng)損耗加大等一系列問題。隨著電 能質(zhì)量的惡化，供電電能質(zhì)量有待于治理和改善。電能質(zhì)量從普遍意義上講是指供電和用 電質(zhì)量，包括電壓、電流的穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)量值的偏差、波形畸變的程度、閃變等對用電設(shè)備造 成影響的供電和用電問題。而目前電能質(zhì)量諧波的污染越來越嚴(yán)重，有些甚至已經(jīng)造成巨 大的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)生額外 的電力損耗，而且可能與電容器一起產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)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(shí)可達(dá)30倍以上。諧振引起的過電壓和過電流會(huì)大大增加電 容器的損耗和過熱，這往往導(dǎo)致電容器的損壞。諧波對繼電保護(hù)的影響主要表現(xiàn)為使繼電 器動(dòng)作特性畸變或效果降低，其后果常是保護(hù)裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)。目前，計(jì)量中采用靜電感 應(yīng)式電能表是按工頻（基波50Hz)純正弦交流額定工況設(shè)計(jì)制造的。存在電力諧波時(shí)，基 波電流和諧波電流都會(huì)在電能表轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生渦流，因而諧波存在會(huì)影響計(jì)量的準(zhǔn)確性。
[0003] 因此針對電網(wǎng)的諧波污染的諧波治理產(chǎn)品-有源電力濾波裝置應(yīng)運(yùn)而生。目前的 有源電力濾波裝置已經(jīng)廣泛的應(yīng)用。APF的運(yùn)行狀況和補(bǔ)償效果取決于APF本身的控制算 法，傳統(tǒng)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，基于內(nèi)外 環(huán)PI的控制方法對變化的負(fù)載跟蹤效果差，輸出相位出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，以致電能質(zhì)量的治理 效果不能達(dá)到預(yù)期目的，基于三環(huán)控制理論的有源電力濾波裝置，采用預(yù)見性的重復(fù)控制， 對補(bǔ)償輸出有很好的跟蹤特性，補(bǔ)償效果好。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中電流內(nèi)環(huán)控制中存在的相位滯后，而提供一種 旨在優(yōu)化傳統(tǒng)基于電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)的基于三環(huán)控制的有源電力濾波 裝置及三環(huán)控制方法，在傳統(tǒng)基于電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加預(yù)見 性的重復(fù)控制環(huán)節(jié)，對補(bǔ)償輸出有很好的跟蹤特性，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的雙環(huán)控制。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的： 一種基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置，包括系統(tǒng)電源USA、USB、USC，與系統(tǒng)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(gè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT構(gòu)成的三相全橋逆變單元、與 三相全橋逆變單元的直流側(cè)相連接的兩組串接的電容Cl、C2、在每一組電容上并聯(lián)的均壓 電阻R1、R2,其特征在于： 在系統(tǒng)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(tǒng)采樣端口； 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采樣端口； 在三相全橋逆變單元直流側(cè)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(cè)采樣端口； 主控板的絕緣柵雙極型晶體管IGBT驅(qū)動(dòng)端口直接連接到絕緣柵雙極型晶體管IGBT的 驅(qū)動(dòng)電路；另外負(fù)載側(cè)穿接負(fù)載電流互感器，其二次輸出端連接到主控板的負(fù)載電流采樣 端口。
[0006] -種所述的基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置的三環(huán)控制方法，其特征在于：按 照如下步驟進(jìn)行的： 步驟1)、將經(jīng)過電壓互感器檢測三相系統(tǒng)電源USA、USB、USC的電壓值，經(jīng)過鎖相環(huán)PLL 得到電壓相位和進(jìn)行park變化的C0S和SIN序列； 步驟2)、通過負(fù)載電流互感器檢測三相負(fù)載電流ILA、ILB、ILC，并根據(jù)步驟1中的C0S 和SIN序列經(jīng)過park變換，包括C32變換和C變換，將三相靜態(tài)坐標(biāo)系下三相負(fù)載電流轉(zhuǎn)換 到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq坐標(biāo)下電流，通過濾除高頻諧波（LPF)得到三相負(fù)載基波電流，再根 據(jù)步驟1中的C0S和SIN序列經(jīng)過park反變換，轉(zhuǎn)換成三相補(bǔ)償目標(biāo)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(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)得到內(nèi)環(huán)電流控制輸出目標(biāo)值； 步驟4)、將直流側(cè)經(jīng)過直流采樣互感器得出直流側(cè)電壓值UDCA、UDCB，通過求和后并 經(jīng)過直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)得到直流側(cè)補(bǔ)償能量目標(biāo)值； 步驟5)、根據(jù)重復(fù)控制理論，并根據(jù)負(fù)載電流的重復(fù)出現(xiàn)為依據(jù)，經(jīng)過三相電流補(bǔ)償目 標(biāo)值iaf，ibf，irf和三相輸出電流ΙΟΑ、Ι0Β、I0C的相位校對，并經(jīng)過PI控制得到重復(fù)控制 目標(biāo)值；將重復(fù)控制目標(biāo)值與步驟3、步驟4輸出目標(biāo)值疊加經(jīng)過SVPWM，SVPWM為空間矢量 PWM調(diào)節(jié)，生成觸發(fā)脈沖序列，經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷， 從而控制變流器輸出達(dá)到補(bǔ)償目標(biāo)值。
[0007] 與現(xiàn)有的有源電力濾波裝置相比，本發(fā)明所提出的基于三環(huán)控制的有源電力濾波 裝置有如下突出優(yōu)點(diǎn)： 1) 、通過電壓外環(huán)實(shí)現(xiàn)了對三相SVPWM變流器直流電壓的控制，保證了直流電壓的穩(wěn) 定及控制精度，并保持穩(wěn)定在設(shè)定值； 2) 、通過重復(fù)電流三環(huán)控制實(shí)現(xiàn)了輸出電流的相位的預(yù)見性控制，提高了補(bǔ)償效果， 減少了因相位問題而產(chǎn)生的干擾和諧波； 3) 、通過三環(huán)控制保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、精確、高效，避免了因裝置的不穩(wěn)定而導(dǎo)致的器 件損壞。
[0008] 本發(fā)明所提出的基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置，具有輸出電壓控制精度高、 補(bǔ)償效果好、系統(tǒng)可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明的三環(huán)控制圖。
[0011] 圖3是實(shí)例A相電網(wǎng)電流的補(bǔ)償效果圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施實(shí)例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：本實(shí)施實(shí)例在以本發(fā) 明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了實(shí)施方式和操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。
[0013] 圖1是本發(fā)明提出的基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置的結(jié)構(gòu)框圖，包括用于三 相SVPWM控制輸出的逆變單元、連接電網(wǎng)側(cè)的電感1^、1^、1^、系統(tǒng)電壓互感器、負(fù)載電流互 感器、輸出電流互感器、直流采樣互感器、用于三相全橋IGBT的驅(qū)動(dòng)電路以及用于計(jì)算和 控制的主控電路。本發(fā)明公開了一種基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置，從改善傳統(tǒng)有源 電力濾波裝置的補(bǔ)償跟蹤效果角度出發(fā)，在常規(guī)的有源電力濾波器(APF)的電壓外環(huán)和電 流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制算法的基礎(chǔ)上，增設(shè)了預(yù)見性重復(fù)電流控制反饋校正環(huán)節(jié)。并在設(shè)計(jì)預(yù) 見性重復(fù)電流控制反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)的過程中，采用了提高APF整機(jī)補(bǔ)償電流跟蹤速度 的重復(fù)PI控制技術(shù)，以探求最佳的系統(tǒng)穩(wěn)定快速跟蹤效果，構(gòu)成符合系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的預(yù) 見性重復(fù)電流控制環(huán)節(jié)，形成了新型的基于電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和預(yù)見性重復(fù)電流控制環(huán) 的三環(huán)控制的有源電力濾波裝置。
[0014] 如圖1所示，一種基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置，包括系統(tǒng)電源USA、USB、 USC，與系統(tǒng)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(gè)絕緣柵雙極型晶體管1681'構(gòu)成的三相全 橋逆變單元、與三相全橋逆變單元的直流側(cè)相連接的兩組串接的電容C1、C2,在每一組電容 上并聯(lián)的均壓電阻R1、R2 ; 在系統(tǒng)電源USA、USB、USC與平波電抗器La、Lb、Lc之間連接有系統(tǒng)電壓互感器，電壓 互感器的輸出端連接到主控板的系統(tǒng)電壓采樣端口； 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采樣端口； 在三相全橋逆變單元直流側(cè)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(cè)采樣端口； 主控板的絕緣柵雙極型晶體管IGBT驅(qū)動(dòng)信號端口直接連接到絕緣柵雙極型晶體管 IGBT的驅(qū)動(dòng)電路；另外負(fù)載側(cè)穿接負(fù)載電流互感器，其二次輸出端連接到主控板的負(fù)載電 流采樣端口。
[0015] 上面所述的本發(fā)明的一種基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置包括用于三相SVPWM 的逆變單元、連接電網(wǎng)側(cè)的電感為La、Lb、Lc、系統(tǒng)電壓互感器、負(fù)載電流互感器、輸出電 流互感器、直流采樣互感器、用于三相全橋IGBT的驅(qū)動(dòng)電路以及用于計(jì)算和控制的主控電 路。用于計(jì)算和控制的主控電路設(shè)置在主控板上。
[0016] 如圖2所示，本發(fā)明還公開了一種所述的基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置的三 環(huán)控制方法，其按照如下步驟進(jìn)行的： 步驟1)、將經(jīng)過電壓互感器檢測三相系統(tǒng)電源USA、USB、USC的電壓值，經(jīng)過鎖相環(huán)PLL 得到電壓相位和進(jìn)行park變化的C0S和SIN序列； 步驟2)、通過負(fù)載電流互感器檢測三相負(fù)載電流ILA、ILB、ILC，并根據(jù)步驟1中的C0S 和SIN序列經(jīng)過park變換，包括C32變換和C變換，將三相靜態(tài)坐標(biāo)系下三相負(fù)載電流轉(zhuǎn)換 到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq坐標(biāo)下電流，通過濾除高頻諧波（LPF)得到三相負(fù)載基波電流，再根 據(jù)步驟1中的COS和SIN序列經(jīng)過park反變換，轉(zhuǎn)換成三相補(bǔ)償目標(biāo)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(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)得到內(nèi)環(huán)電流控制輸出目標(biāo)值； 步驟4)、將直流側(cè)經(jīng)過直流采樣互感器得出直流側(cè)電壓值UDCA、UDCB，通過求和后并 經(jīng)過直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)得到直流側(cè)補(bǔ)償能量目標(biāo)值； 步驟5)、根據(jù)重復(fù)控制理論，并根據(jù)負(fù)載電流的重復(fù)出現(xiàn)為依據(jù)，經(jīng)過三相電流補(bǔ)償目 標(biāo)值iaf，ibf，irf和三相輸出電流IOA、IOB、I0C的相位校對，并經(jīng)過PI控制得到重復(fù)控制 目標(biāo)值；將重復(fù)控制目標(biāo)值與步驟3、步驟4輸出目標(biāo)值疊加經(jīng)過SVPWM，SVPWM為空間矢量 PWM調(diào)節(jié)，生成觸發(fā)脈沖序列，經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷， 從而控制變流器輸出達(dá)到補(bǔ)償目標(biāo)值。
[0017] 所述預(yù)見性重復(fù)電流控制反饋校正環(huán)節(jié)的參數(shù)通過相位匹配的方法優(yōu)選得到。其 基本思想是假定前一基波周期中出現(xiàn)的畸變將在下一基波周期的同一時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)，控制 器根據(jù)每個(gè)開關(guān)周期給定與反饋信號的誤差來確定所需的校正信號，然后在下一基波周期 同一時(shí)間將此信號疊加在原控制信號上，以消除以后各周期中將出現(xiàn)的重復(fù)性畸變； 為說明本發(fā)明的正確性和可行性，對一臺50A的三相有源濾波裝置運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn) 證。參數(shù)為：電網(wǎng)電壓為380V，控制輸出直流電壓為750V，開關(guān)頻率為20kHz，交流側(cè)濾波 器參數(shù)為La = 0. 4mH，Lb = 0. 4mH，Lc = 0. 4 mH。附圖3為該實(shí)施例的具體實(shí)驗(yàn)波形。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置，包括系統(tǒng)電源USA、USB、USC、與系統(tǒng)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(gè)絕緣柵雙極型晶體管IGBT構(gòu)成的三相全橋逆變單元、 與三相全橋逆變單元的直流側(cè)相連接的兩組串接的電容Cl、C2、在每一組電容的兩端并接 的均壓電阻R1、R2,其特征在于： 在系統(tǒng)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(tǒng)電壓采樣端口； 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采樣端口； 在三相全橋逆變單元直流側(cè)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(cè)電壓采樣端口； 主控板的SVPWM脈沖輸出信號端口直接連接到絕緣柵雙極型晶體管IGBT的驅(qū)動(dòng)電路； 另外負(fù)載側(cè)穿接負(fù)載電流互感器，其二次輸出端連接到主控板的負(fù)載電流采樣端口。
2. -種如權(quán)利要求1所述的基于三環(huán)控制的有源電力濾波裝置的三環(huán)控制方法，其特 征在于：按照如下步驟進(jìn)行的： 步驟1)、將經(jīng)過系統(tǒng)電壓互感器檢測得到的三相系統(tǒng)電源USA、USB、USC的電壓值，經(jīng) 過鎖相環(huán)PLL得到電壓相位和進(jìn)行park變換的COS和SIN序列； 步驟2)、通過負(fù)載電流互感器檢測得到三相負(fù)載電流ILA、ILB、ILC，并根據(jù)步驟1中的 COS和SIN序列經(jīng)過park變換，包括C32變換和C變換，將三相靜態(tài)坐標(biāo)系下三相負(fù)載電流 轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq坐標(biāo)下電流，通過低通濾波（LPF)得到三相負(fù)載基波電流，再根 據(jù)步驟1中的COS和SIN序列經(jīng)過park反變換，轉(zhuǎn)換成三相補(bǔ)償目標(biāo)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(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)得到內(nèi)環(huán)電流控制輸出的目標(biāo)值； 步驟4)、將直流側(cè)經(jīng)過直流采樣互感器得出直流側(cè)電壓值UDCA、UDCB，通過求和后并 經(jīng)過直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)得到直流側(cè)補(bǔ)償能量的目標(biāo)值； 步驟5)、根據(jù)重復(fù)控制理論，并根據(jù)負(fù)載電流的重復(fù)出現(xiàn)為依據(jù)，經(jīng)過三相電流補(bǔ)償目 標(biāo)值iaf，ibf，irf和三相輸出電流IOA、IOB、I0C的相位校對，并經(jīng)過PI控制得到重復(fù)控制 目標(biāo)值；將重復(fù)控制目標(biāo)值與步驟3、步驟4的輸出目標(biāo)值疊加經(jīng)過SVPWM，SVPWM為空間矢 量PWM調(diào)節(jié)，生成觸發(fā)脈沖序列，經(jīng)IGBT驅(qū)動(dòng)電路控制絕緣柵雙極型晶體管IGBT導(dǎo)通和關(guān) 斷，從而控制逆變單元輸出，達(dá)到補(bǔ)償目標(biāo)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(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】王雷, 關(guān)戰(zhàn)偉, 王賀萍 申請人:河南柏特電氣設(shè)備有限公司