基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有源濾波系統(tǒng)，有源濾波系統(tǒng)由連接電抗器和三電平三橋臂逆變器串聯(lián)組成，有源濾波系統(tǒng)并聯(lián)接入公共電網(wǎng)；空間矢量脈寬調(diào)制器分別與電流控制器Ⅰ和電流控制器Ⅱ相連接，電流控制器Ⅰ分別與電壓控制器、諧波檢測(cè)器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器相連接，電流控制器Ⅱ分別與諧波檢測(cè)器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器相連接；磁鏈計(jì)算器與并聯(lián)在三相電源與諧波源負(fù)載之間的磁鏈定向角器相連。利用虛擬磁鏈來(lái)獲取電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，最終實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)，采用類似于交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法通過(guò)電流和重構(gòu)電壓來(lái)觀測(cè)這個(gè)虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免了電網(wǎng)電壓畸變對(duì)電網(wǎng)電壓定向的影響。
【專利說(shuō)明】
基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及有源電力濾波器，具體設(shè)及一種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力 濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向諧波電流檢測(cè)方法，首先通過(guò)電壓傳感器和AD采樣電路獲得 和電網(wǎng)電壓同步的離散化數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)軟件鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓的相位和頻率，然后 利用上述過(guò)程中所獲取的相位和頻率信息進(jìn)行諧波電流的檢測(cè)。由于鎖相環(huán)的存在，其鑒 相的準(zhǔn)確度對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在很大的影響，顯然在電網(wǎng)電壓存在崎變的情況下由于鎖相環(huán)自 身的工作原理必然無(wú)法獲得準(zhǔn)確的相位。而采用虛擬磁鏈定向的諧波電流檢測(cè)方法在電網(wǎng) 電壓崎變時(shí)受電網(wǎng)條件影響較小。
[0003] 在基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法中，其前提條件是知道電壓合成空 間矢量的相位和頻率信息。雖然通過(guò)鎖相環(huán)可W得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正余弦信 號(hào)，但運(yùn)全部是基于電網(wǎng)電壓平衡或理想狀態(tài)下所獲得的結(jié)論，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較嚴(yán)重或 者出現(xiàn)不平衡時(shí)，均會(huì)使電壓頻率偏離50化并在其左右變化，而鎖相環(huán)正是通過(guò)自身的壓 控振蕩器發(fā)出一個(gè)和輸入信號(hào)同頻的正弦信號(hào)來(lái)鎖定輸入信號(hào)的相位，因此電網(wǎng)電壓頻率 波動(dòng)會(huì)使鎖相環(huán)無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行相位跟蹤處于失鎖狀態(tài)，從而無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行諧波和無(wú)功 電流的檢測(cè)。在虛擬磁鏈定向系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)磁鏈的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)矢量定向，磁鏈?zhǔn)请娋W(wǎng)電壓的 積分，根據(jù)對(duì)于積分器的分析，積分環(huán)節(jié)帶有低通濾波器的特性，系統(tǒng)中的諧波在經(jīng)過(guò)純積 分器后，Κ次諧波電壓的幅值W基波的Κ倍衰減，對(duì)于高次諧波有一定的濾除作用，因此虛擬 磁鏈定向角的觀測(cè)在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，對(duì)干擾有良好的抑制作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控 制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，避免了電網(wǎng)電壓崎變對(duì)電網(wǎng)電壓定向的影響。
[0005] 本實(shí)用新型按W下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有源濾波系 統(tǒng)，還包括磁鏈計(jì)算器、磁鏈定向角器、電壓控制器、電流控制器I、電流控制器Π 、諧波檢測(cè) 器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器及空間矢量脈寬調(diào)制器;所述有源濾波系統(tǒng)由連接電抗器和Ξ電平Ξ 橋臂逆變器串聯(lián)組成，所述有源濾波系統(tǒng)并聯(lián)接入公共電網(wǎng)；所述空間矢量脈寬調(diào)制器分 別與電流控制器I和電流控制器Π 相連接，所述電流控制器I分別與電壓控制器、諧波檢測(cè) 器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器相連接，所述電流控制器Π 分別與諧波檢測(cè)器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器相連 接;所述磁鏈計(jì)算器與并聯(lián)在Ξ相電源與諧波源負(fù)載之間的磁鏈定向角器相連。
[0007] 所述Ξ電平Ξ橋臂逆變器包括Ξ個(gè)橋臂，每一個(gè)橋臂由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，上下兩 橋臂中點(diǎn)之間反并聯(lián)兩個(gè)巧位二極管。
[000引本實(shí)用新型有益效果：
[0009] 本實(shí)用新型中的Ξ電平Ξ橋臂逆變器中的每個(gè)橋臂可輸出3種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此，3 橋臂共可得到27個(gè)基本電壓空間矢量，其中又可分為長(zhǎng)矢量，中矢量，短矢量和零矢量，合 理選擇運(yùn)四種矢量組合，可W使變流器輸出期望的反諧波電流，達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波的目的； 利用虛擬磁鏈來(lái)獲取電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，最終實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)，采用 類似于交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法通過(guò)電流和重構(gòu)電壓來(lái)觀測(cè)運(yùn)個(gè)虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免 了電網(wǎng)電壓崎變對(duì)電網(wǎng)電壓定向的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1為按照本實(shí)用新型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的一優(yōu)選實(shí)施例電路原理圖；
[0011] 圖2為Ξ相電壓型有源電力濾波器主電路；
[0012] 圖3為Ξ相變頻器供電的感應(yīng)電機(jī)主電路；
[0013] 圖中：1-Ξ相電源，2-諧波源負(fù)載，3-連接電抗器，4-Ξ電平Ξ橋臂逆變器， 5-磁鏈計(jì)算器，6-磁鏈定向角器，7-電壓控制器，8-電流控制器I，9-電流控制器Π ， 10-諧波檢測(cè)器，11-旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器，12-空間矢量脈寬調(diào)制器，41-開(kāi)關(guān)管，42-巧位 二極管。
【具體實(shí)施方式】
[0014] W下結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[001引實(shí)施例一；
[0016] 如圖1所示，一種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有 源濾波系統(tǒng)，還包括磁鏈計(jì)算器5、磁鏈定向角器6、電壓控制器7、電流控制器18、電流控制 器Π 9、諧波檢測(cè)器10、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器11，空間矢量脈寬調(diào)制器12;有源濾波系統(tǒng)由連接電 抗器3和Ξ電平Ξ橋臂逆變器4串聯(lián)組成，有源濾波系統(tǒng)并聯(lián)接入公共電網(wǎng)；空間矢量脈寬 調(diào)制器12分別與電流控制器18和電流控制器Π 9相連接，電流控制器18分別與電壓控制器 7、諧波檢測(cè)器10、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器11相連接，電流控制器Π 9分別與諧波檢測(cè)器10、旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)變換器11相連接;磁鏈計(jì)算器5與并聯(lián)在Ξ相電源1與諧波源負(fù)載2之間的磁鏈定向角器6 相連。Ξ電平Ξ橋臂逆變器4包括Ξ個(gè)橋臂，每一個(gè)橋臂由四個(gè)開(kāi)關(guān)管41組成，上下兩橋臂 中點(diǎn)之間反并聯(lián)兩個(gè)巧位二極管42。每個(gè)橋臂可輸出巧中開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此，3橋臂共可得到27 個(gè)基本電壓空間矢量，其中又可分為長(zhǎng)矢量，中矢量，短矢量和零矢量，合理選擇運(yùn)四種矢 量組合，可W使變流器輸出期望的反諧波電流，達(dá)到濾除電網(wǎng)諧波的目的；利用虛擬磁鏈來(lái) 獲取電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，最終實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)，采用類似于交流電機(jī) 磁鏈觀測(cè)的方法通過(guò)電流和重構(gòu)電壓來(lái)觀測(cè)運(yùn)個(gè)虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免了電網(wǎng)電壓崎變 對(duì)電網(wǎng)電壓定向的影響。
[0017] 工作原理；
[0018] 傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向諧波電流檢測(cè)方法，首先通過(guò)電壓傳感器和AD采樣電路獲得 和電網(wǎng)電壓同步的離散化數(shù)字信號(hào)，在經(jīng)過(guò)軟件鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓的相位和頻率，然后 利用上述過(guò)程中所獲取的相位和頻率信息進(jìn)行諧波電流的檢測(cè)。由于鎖相環(huán)的存在，其鑒 相的準(zhǔn)確度對(duì)檢測(cè)結(jié)果存在很大的影響，顯然在電網(wǎng)電壓存在崎變的情況下由于鎖相環(huán)自 身的工作原理必然無(wú)法獲得準(zhǔn)確的相位。而采用虛擬磁鏈定向的諧波電流檢測(cè)方法在電網(wǎng) 電壓崎變時(shí)受電網(wǎng)條件影響較小。
[0019] 在基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法中，其前提條件是知道電壓合成空 間矢量的相位和頻率信息。雖然通過(guò)鎖相環(huán)可W得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正余弦信 號(hào)，但運(yùn)全部是基于電網(wǎng)電壓平衡或理想狀態(tài)下所獲得的結(jié)論，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較嚴(yán)重或 者出現(xiàn)不平衡時(shí)，均會(huì)使電壓頻率偏離50化并在其左右變化，而鎖相環(huán)正是通過(guò)自身的壓 控振蕩器發(fā)出一個(gè)和輸入信號(hào)同頻的正弦信號(hào)來(lái)鎖定輸入信號(hào)的相位，因此電網(wǎng)電壓頻率 波動(dòng)會(huì)使鎖相環(huán)無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行相位跟蹤處于失鎖狀態(tài)，從而無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行諧波和無(wú)功 電流的檢測(cè)。在虛擬磁鏈定向系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)磁鏈的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)矢量定向，磁鏈?zhǔn)请娋W(wǎng)電壓的 積分，根據(jù)對(duì)于積分器的分析，積分環(huán)節(jié)帶有低通濾波器的特性，系統(tǒng)中的諧波在經(jīng)過(guò)純積 分器后，K次諧波電壓的幅值W基波的K倍衰減，對(duì)于高次諧波有一定的濾除作用，因此虛擬 磁鏈定向角的觀測(cè)在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，對(duì)干擾有良好的抑制作用。
[0020] 有源濾波系統(tǒng)中的虛擬電網(wǎng)磁鏈概念是從電機(jī)中的磁鏈控制得到的。圖2是Ξ相 電壓型有源電力濾波器的主電路，其中L、R分別是公共電網(wǎng)等效系統(tǒng)阻抗，Usa、Usb、Usc分別 是Ξ相電網(wǎng)電壓。圖3是一臺(tái)由Ξ相變頻器供電的感應(yīng)電機(jī)，其中L、R分別是定子繞組的漏 感與電阻，ea、eb、ec分別是電機(jī)Ξ相定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)。比較兩圖不難發(fā)現(xiàn)二者在主電路 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理上具有很大的相似性，Ξ相電壓型有源電力濾波器中的電網(wǎng)電壓可W 等效為感應(yīng)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)線電抗器的阻抗等效于電 機(jī)定子繞組的漏阻抗。在感應(yīng)電機(jī)的矢量控制中，為了將電流中的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn) 行獨(dú)立控制簡(jiǎn)化控制模型，通常采用磁鏈作為定向矢量進(jìn)行控制；而磁鏈無(wú)法直接通過(guò)測(cè) 量獲得，一般是利用電流和重構(gòu)電壓等信號(hào)通過(guò)電壓或電流磁鏈觀測(cè)器的方法獲得磁鏈?zhǔn)?量。通過(guò)對(duì)感應(yīng)矢量控制的分析，可W將感應(yīng)電機(jī)矢量控制中磁鏈觀測(cè)的思想用在Ξ相電 壓型有源電力濾波器中，可W將電網(wǎng)電壓看成是一個(gè)虛擬的磁鏈微分量，電網(wǎng)電壓和虛擬 出來(lái)的磁鏈相位上存在固定的數(shù)量關(guān)系，從而可W利用虛擬磁鏈來(lái)獲取電網(wǎng)電壓的相位和 頻率信息，最終實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)。采用類似于交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)的方法通過(guò)電 流和重構(gòu)電壓來(lái)觀測(cè)運(yùn)個(gè)虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免了電網(wǎng)電壓崎變對(duì)電網(wǎng)電壓定向的影 響。
[0021] 基于Ξ相電壓型有源濾波器與Ξ相交流變頻調(diào)速電機(jī)定子電路的相似性，有源電 力濾波器同樣可W構(gòu)造一個(gè)虛擬電網(wǎng)磁鏈，用虛擬磁鏈定向來(lái)獲得電網(wǎng)電壓相位和頻率的 信息。在虛擬磁鏈定向有源濾波系統(tǒng)中，通過(guò)觀測(cè)電網(wǎng)虛擬磁鏈可W獲得磁鏈定向角，磁鏈 角滯后電壓矢量角90°，運(yùn)樣不需要鎖相環(huán)可W獲得與電網(wǎng)電壓同相位的正弦余弦信號(hào)，從 而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓相角的準(zhǔn)確觀測(cè)。
[0022] 觀測(cè)出電網(wǎng)虛擬磁鏈?zhǔn)噶喀档目臻g位置角Θ是實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖相環(huán)控制的核屯、。
[0023]
(站
[0024] 根據(jù)式(a),對(duì)Θ的觀測(cè)就轉(zhuǎn)化為對(duì)虛擬磁鏈在αβ坐標(biāo)系中α、β分量的估算。根據(jù)磁 鏈與電壓的關(guān)系擇成可W計(jì)算出郵坐標(biāo)系中電網(wǎng)側(cè)的磁鏈為
[0025]
肋：
[0026] 其中ea，ee為Ξ相電網(wǎng)電壓的α、β分量，如，化分別為虛擬電網(wǎng)磁鏈的α、β分量。
[0027] 由式(b)，虛擬磁鏈α、β分量可W通過(guò)分別對(duì)有源電力濾波器交流側(cè)電壓α、β分量 的積分獲得。然而由于積分初值的問(wèn)題，在計(jì)算虛擬磁鏈時(shí)采用純積分環(huán)節(jié)作為磁鏈觀測(cè) 器時(shí)容易引入初值偏差，最終使得虛擬磁鏈定向產(chǎn)生偏差。另外一方面，單一的積分器無(wú)法 抑制輸入信號(hào)中直流分量，即使很小的直流分量也會(huì)導(dǎo)致積分器的飽和。因此，虛擬磁鏈算 法的關(guān)鍵問(wèn)題所在就是解決積分初值和直流分量問(wèn)題帶來(lái)的偏差影響，W達(dá)到準(zhǔn)確觀測(cè)磁 鏈的目的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有源濾波系統(tǒng)， 其特征在于:還包括磁鏈計(jì)算器、磁鏈定向角器、電壓控制器、電流控制器I、電流控制器Π 、 諧波檢測(cè)器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器及空間矢量脈寬調(diào)制器； 所述有源濾波系統(tǒng)由連接電抗器和三電平三橋臂逆變器串聯(lián)組成，所述有源濾波系統(tǒng) 并聯(lián)接入公共電網(wǎng)； 所述空間矢量脈寬調(diào)制器分別與電流控制器I和電流控制器π相連接，所述電流控制 器I分別與電壓控制器、諧波檢測(cè)器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器相連接，所述電流控制器Π 分別與諧 波檢測(cè)器、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換器相連接； 所述磁鏈計(jì)算器與并聯(lián)在三相電源與諧波源負(fù)載之間的磁鏈定向角器相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其 特征在于:所述三電平三橋臂逆變器包括三個(gè)橋臂，每一個(gè)橋臂由四個(gè)開(kāi)關(guān)管組成，上下兩 橋臂中點(diǎn)之間反并聯(lián)兩個(gè)箝位二極管。
【文檔編號(hào)】H02J3/01GK205429733SQ201620284840
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】王峰, 張旭隆, 邵曉根, 曹言敬, 于蕾
【申請(qǐng)人】徐州工程學(xué)院