專(zhuān)利名稱(chēng)：有源電力濾波器與并聯(lián)電容器混合補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電能質(zhì)量治理的應(yīng)用范疇，具體涉及一種并聯(lián)型有源電力濾波器和并聯(lián)電容器組成的混合型補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)電能質(zhì)量要求的提高，并聯(lián)型有源電力濾波器以其優(yōu)越的電能質(zhì)量治理性能受到人們的廣泛關(guān)注，并正在逐步走向?qū)嵱没?。同時(shí)我國(guó)低壓配電系統(tǒng)中一般都采用并聯(lián)電容器來(lái)進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。實(shí)際系統(tǒng)中，由于無(wú)功電容器安裝組數(shù)較多，且位置分散靈活，將并聯(lián)型有源電力濾波器用于系統(tǒng)后，當(dāng)并聯(lián)型有源電力濾波器使用檢測(cè)負(fù)載電流的控制方法時(shí)，其檢測(cè)到的負(fù)載電流將不可避免的包含并聯(lián)電容器的電流，此時(shí)混合補(bǔ)償系統(tǒng)存在穩(wěn)定性和諧波抑制效果之間的矛盾。根據(jù)申請(qǐng)人所進(jìn)行的資料檢索，截止目前為止，針對(duì)這種情況現(xiàn)有技術(shù)中還沒(méi)有提出較為實(shí)用可靠的方法，目前研究基本只是通過(guò)多套互感器檢測(cè)到的電流矢量相減得出有源濾波裝置應(yīng)發(fā)出的電流，而此方法在電容器組數(shù)較多且安裝位置分散的場(chǎng)合并不適用。
以下給出檢索的相關(guān)文獻(xiàn)[1]秦杰，王大為，有源濾波器與無(wú)功補(bǔ)償裝置并聯(lián)使用技術(shù)，電氣技術(shù)，2006年第8期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種并聯(lián)型有源電力濾波器和并聯(lián)電容器組成的混合型補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方法，以提高并聯(lián)型有源電力濾波器和并聯(lián)電容器組成的混合補(bǔ)償系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性及補(bǔ)償效果。
為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案
一種并聯(lián)型有源電力濾波器和并聯(lián)電容器組成的混合型補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，當(dāng)并聯(lián)型有源電力濾波器所檢測(cè)的負(fù)載電流中包含并聯(lián)電容器的電流時(shí)，并聯(lián)型有源電力濾波器同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流中的諧波成分；其中，檢測(cè)負(fù)載電流用于控制有源電力濾波器輸出所需補(bǔ)償?shù)闹C波；檢測(cè)電網(wǎng)電壓可把有源電力濾波器等效控制為一個(gè)諧波電阻，該諧波電阻在諧波頻段上阻值為一個(gè)定值，在基波頻段上阻值無(wú)窮大，從而起到抑制系統(tǒng)諧振、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用；將兩部分指令疊加后控制有源電力濾波器輸出，即可實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和補(bǔ)償效果。
本發(fā)明的方法可以同時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓，簡(jiǎn)單可靠且不需增加額外的硬件成本，可使系統(tǒng)變的穩(wěn)定，并具有理想的補(bǔ)償效果。
本發(fā)明的方法相對(duì)于傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源電力濾波器控制方法，該方法僅增加了電網(wǎng)電壓諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)。由于裝置本身的鎖相環(huán)節(jié)中就需要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)，因此該方法不需要增加任何硬件，只需要在軟件中加入電網(wǎng)電壓諧波檢測(cè)算法即可。本發(fā)明將大大推動(dòng)有源電力濾波技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2并聯(lián)型有源電力濾波器新型控制方法示意圖；圖3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖4檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用傳統(tǒng)控制方法下系統(tǒng)仿真波形；圖5檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用本發(fā)明提出的控制方法下系統(tǒng)仿真波形；圖6檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用傳統(tǒng)控制方法下系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形；圖7檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用本發(fā)明提出的控制方法下系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形；以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
并聯(lián)型有源電力濾波器和并聯(lián)電容器組成的混合型補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方法，當(dāng)并聯(lián)型有源電力濾波器所檢測(cè)的負(fù)載電流中包含并聯(lián)電容器的電流時(shí)，并聯(lián)型有源電力濾波器同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流(包含或不包含電容器電流均適用)，檢測(cè)負(fù)載電流用于控制有源電力濾波器輸出所需補(bǔ)償?shù)闹C波；檢測(cè)電網(wǎng)電壓可把有源電力濾波器等效控制為一個(gè)諧波電阻(在諧波頻段上阻值為一定值，在基波頻段上阻值無(wú)窮大)，從而起到抑制系統(tǒng)諧振、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。將兩部分指令相疊加，即可實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和補(bǔ)償效果的目的。
應(yīng)用本發(fā)明方法的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，并聯(lián)型有源電力濾波器包括主電路和控制電路兩部分。其中，主電路由同步變壓器(400/5)、進(jìn)線(xiàn)電抗器、IGBT構(gòu)成的變流器以及其他輔助設(shè)備等組成；控制電路由電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、指令生成環(huán)節(jié)、電流跟蹤控制環(huán)節(jié)以及直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等組成。圖中is表示電網(wǎng)電流，ZS表示電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗，ea、eb、ec表示a、b、c三相的電網(wǎng)電壓，iL表示負(fù)載電流(包括無(wú)功補(bǔ)償電容器組電流)，ic表示有源電力濾波器的輸出電流，Lr表示有源電力濾波器的連接電抗器，if表示有源電力濾波器的反饋電流，idc表示有源電力濾波器的直流側(cè)電流，Vc表示有源電力濾波器直流側(cè)電壓，uref表示有源電力濾波器直流側(cè)電壓給定參考值，ich*表示諧波指令，icf*表示用于直流側(cè)控制的基波指令，ic*表示合成后的有源電力濾波器指令，ePLL表示由鎖相環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電壓同步信號(hào)。
電網(wǎng)電壓的諧波檢測(cè)與負(fù)載電流的諧波檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方式完全相同，首先通過(guò)A/D對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后在DSP中對(duì)采樣得到的信號(hào)進(jìn)行DFT分析，得到其中的50Hz基波分量，然后通過(guò)減法運(yùn)算將該基波分量從采樣得到的信號(hào)中剔除，即可得到信號(hào)中的諧波分量，最后通過(guò)D/A將其轉(zhuǎn)化為模擬量作為電流跟蹤控制的指令信號(hào)中的諧波指令部分。
與傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源電力濾波器一樣，有源電力濾波器通過(guò)連接電抗器Lr以并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)；同步變壓器(400/5)用于檢測(cè)電網(wǎng)電壓，其輸出信號(hào)可用于鎖相環(huán)節(jié)和諧波電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)的輸入；指令生成環(huán)節(jié)對(duì)檢測(cè)到的負(fù)載電流(包括電容器的電流)和電網(wǎng)電壓進(jìn)行分析，提取其中的諧波分量，該部分是由DSP數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的；直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)用于調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓，通常為PI調(diào)節(jié)器，其輸入量為直流側(cè)電壓參考值和通過(guò)傳感器檢測(cè)到的直流側(cè)電壓實(shí)際值之差，該部分也是由DSP數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的；指令生成環(huán)節(jié)和直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)所得指令之和作為電流跟蹤控制環(huán)節(jié)的給定，該給定與有源電力濾波器輸出電流的反饋值做差后，所得到信號(hào)再與三角波進(jìn)行比較得到PWM信號(hào)，該部分是由模擬電路實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明中提出的新型控制方法示意圖見(jiàn)圖2。圖中icl表示檢測(cè)得到的負(fù)載電流中的諧波分量，icl*表示負(fù)載諧波電流對(duì)應(yīng)的指令分量，ush表示檢測(cè)得到的電網(wǎng)電壓中的諧波分量，icv*表示電網(wǎng)諧波電壓對(duì)的應(yīng)指令分量，Kid表示電流通道系數(shù)，Kv表示電壓通道系數(shù)，ic*表示合成后的有源電力濾波器指令。
檢測(cè)負(fù)載電流(包括電容器電流)中的諧波分量icl，并作為有源電力濾波器輸出電流控制量之一來(lái)控制其輸出對(duì)應(yīng)的電流icl*=Kid·icl]]>，此分量用于系統(tǒng)諧波電流的補(bǔ)償；檢測(cè)電網(wǎng)電壓中的諧波分量ush，并作為有源電力濾波器輸出電流控制量之一來(lái)控制其輸出對(duì)應(yīng)的電流icv*=Kv·ush]]>，此分量可等效為給有源電力濾波器并聯(lián)一個(gè)諧波頻段上阻值為1/Kv，而基波頻段上阻值無(wú)窮大的電阻，從而改變了系統(tǒng)阻抗，起到抑制系統(tǒng)諧振、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。
圖3為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中應(yīng)用了新型控制方法時(shí)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中i1a、i1b、i1c表示a、b、c三相的負(fù)載電流，ea、eb、ec表示a、b、c三相的電網(wǎng)電壓，cosωt、sinωt表示由鎖相環(huán)節(jié)得到的電網(wǎng)電壓同步信號(hào)，ucf、ucr分別表示有源電力濾波器直流側(cè)電壓反饋值和給定值，PI表示用于直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器，iac*、ibc*、icc*表示有源電力濾波器三相指令信號(hào)，iac、ibc、icc表示有源電力濾波器三相反饋信號(hào)。其中鎖相環(huán)用于得到與電網(wǎng)電壓正序分量同相的同步信號(hào)；諧波檢測(cè)I為負(fù)載諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)；諧波檢測(cè)II為電網(wǎng)諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)；低通濾波器用于濾除由于開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作在電網(wǎng)電壓檢測(cè)中引入的高頻分量，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用的是數(shù)字實(shí)現(xiàn)的20階FIR濾波器，轉(zhuǎn)折頻率為5kHz。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)及其數(shù)字濾波器通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)，而電流跟蹤控制通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)。
圖4為檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用傳統(tǒng)控制方法下系統(tǒng)仿真波形，可以看出此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)不穩(wěn)定了。
圖5為檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用本發(fā)明提出的控制方法(即同時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流和電源電壓來(lái)控制有源電力濾波器輸出電流的控制方案)時(shí)的仿真波形，由圖可以看出采用新的控制方案可以使系統(tǒng)變的穩(wěn)定，并且有理想的諧波補(bǔ)償效果。
圖6為檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用傳統(tǒng)控制方法下系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形，圖中，US200V/div，IS30A/div，IL30A/div，IC30A/div，t10ms/div，其中US表示電網(wǎng)電壓，IS表示電網(wǎng)電流，IL表示負(fù)載電流，IC表示有源濾波器輸出電流?？梢钥闯龊头抡娼Y(jié)果相同，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)不穩(wěn)定了。
圖7為檢測(cè)電流包括電容器電流時(shí)采用采用本發(fā)明提出的控制方法下系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形，圖中，US200V/div，IS30A/div，IL30A/div，IC30A/div，t10ms/div，可以看出采用新的控制方案可以使原來(lái)不穩(wěn)定的混合補(bǔ)償系統(tǒng)變得穩(wěn)定，同時(shí)有良好的諧波抑制效果，和仿真結(jié)果一致。
由仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用同時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流和電源電壓來(lái)控制有源電力濾波器輸出電流的控制方案，可以實(shí)現(xiàn)提高混合補(bǔ)償系統(tǒng)的系統(tǒng)穩(wěn)定性及補(bǔ)償效果的目的。
權(quán)利要求
1.一種并聯(lián)型有源電力濾波器和并聯(lián)電容器組成的混合型補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方法，其特征在于當(dāng)并聯(lián)型有源電力濾波器所檢測(cè)的負(fù)載電流中包含并聯(lián)電容器的電流時(shí)，并聯(lián)型有源電力濾波器同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流中的諧波成分；其中，檢測(cè)負(fù)載電流用于控制有源電力濾波器輸出所需補(bǔ)償?shù)闹C波；檢測(cè)電網(wǎng)電壓可把有源電力濾波器等效控制為一個(gè)諧波電阻，該諧波電阻在諧波頻段上阻值為一個(gè)定值，在基波頻段上阻值無(wú)窮大，從而起到抑制系統(tǒng)諧振、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用；將兩部分指令疊加后控制有源電力濾波器輸出，即可實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和補(bǔ)償效果。
全文摘要
本發(fā)明涉及并聯(lián)型有源電力濾波器和并聯(lián)電容器組成的混合型補(bǔ)償系統(tǒng)的控制方法。當(dāng)并聯(lián)型有源電力濾波器所檢測(cè)的負(fù)載電流中含并聯(lián)電容器的電流時(shí)，并聯(lián)型有源電力濾波器同時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流中的諧波成分；其中，檢測(cè)負(fù)載電流用于控制有源電力濾波器輸出所需補(bǔ)償?shù)闹C波；檢測(cè)電網(wǎng)電壓把有源電力濾波器等效控制為一個(gè)諧波電阻，其在諧波頻段上阻值為定值，在基波頻段上阻值無(wú)窮大，從而起到抑制系統(tǒng)諧振、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用；將兩部分指令疊加后控制有源電力濾波器輸出，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和補(bǔ)償效果。該方法僅增加了電網(wǎng)電壓諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)，不增加任何硬件，只在軟件中加入電網(wǎng)電壓諧波檢測(cè)算法，可大大推動(dòng)有源電力濾波技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。
文檔編號(hào)H02J3/18GK1996698SQ20061010520
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者吳隆輝, 卓放, 張鵬博, 李暉, 王兆安, 文博 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)