專利名稱：帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力設(shè)備制造領(lǐng)域，尤其涉及一種使電力有源濾波裝置實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)、改善電網(wǎng)品質(zhì)的帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著電力電子裝置及其他非線性負(fù)載在電力系統(tǒng)及工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，所帶來的電網(wǎng)中的諧波污染和功率因數(shù)低下問題越來越嚴(yán)重。目前的趨勢是采用APF，即有源電力濾波裝置進(jìn)行諧波抑制，有源電力濾波裝置是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置，它能對(duì)頻率和大小都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無源濾波器的缺點(diǎn)，獲得比無源濾波器更好的特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置。目前大部分傳統(tǒng)的APF的控制方案核心思想是檢測負(fù)載電流，通過檢測提取出基波電流或有功電流，當(dāng)有源濾波器補(bǔ)償諧波時(shí)，將負(fù)載電流與基波電流作差運(yùn)算作為補(bǔ)償電流的參考信號(hào)；當(dāng)濾波器用于同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功時(shí)，將負(fù)載電流和有功電流作差運(yùn)算作為補(bǔ)償電流的參考信號(hào)。然后再實(shí)時(shí)檢測濾波器電流，將補(bǔ)償電流參考值與測量到的濾波器電流相比較，其差信號(hào)通過電流跟蹤控制器(如滯環(huán)控制、三角波脈寬調(diào)制等)來控制APF輸出補(bǔ)償電流。有功電流也作為參考電流的一部分用來補(bǔ)償濾波器的損耗和保持直流電壓穩(wěn)定不變。此種控制方式從控制理論角度上講屬于電流的開環(huán)控制，不管采用哪種濾波算法以及電流跟蹤控制器，都需要采樣負(fù)載電流和濾波器電流以及系統(tǒng)電壓、直流側(cè)電容電壓，基于這種檢測控制方法的有源電力濾波裝置應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛。其特點(diǎn)就是控制策略相對(duì)普遍，易于實(shí)現(xiàn)，但由于采樣電流路數(shù)的增加也增加了檢測單元的數(shù)量。另外一種控制方式就是電源電流的閉環(huán)控制，采用此種方法的控制電路可以省掉負(fù)載電流檢測單元和濾波器電流檢測單元。在保持傳統(tǒng)方法的原有電壓采集通道不變的基礎(chǔ)上，只通過采集電源電流，就可完成對(duì)APF的控制。采用電源電流直接控制的方法可減小控制電路的檢測單元數(shù)量，控制方法相對(duì)簡約。但是也帶來了一些問題1.由于檢測環(huán)節(jié)的延時(shí)以及主電路逆變器的延時(shí)，使得APF對(duì)高次諧波的補(bǔ)償出現(xiàn)誤差，甚至于放大某些高次諧波，因?yàn)閿?shù)字控制器及主電路逆變器的延時(shí)，使采用電源電流的閉環(huán)控制難度增大。2.電源電流直接控制的閉環(huán)系統(tǒng)，省略了提取電源電流中基波(有功)參考電流的運(yùn)算環(huán)節(jié)，對(duì)于電容電壓環(huán)，由于缺少了閉環(huán)內(nèi)的一個(gè)前饋信號(hào)，導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度又不如傳統(tǒng)型控制系統(tǒng)快。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型主要解決原有采用電流開環(huán)控制的有源濾波器控制系統(tǒng)存在采樣電流路數(shù)多、檢測單元數(shù)量多，成本較高的技術(shù)問題，采用電源電流閉環(huán)控制的有源濾波器控制系統(tǒng)存在控制難度大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢的技術(shù)問題；提供一種帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)，其僅采樣電源電流，并增加了負(fù)載容量變化的預(yù)測控制，根據(jù)電容電壓的變化與系統(tǒng)有功電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得到電源有功電流分量幅值的變化，通過對(duì)電源濾波器直流側(cè)電容電壓的采樣計(jì)算，預(yù)測出系統(tǒng)有功電流的變化量，將這一預(yù)測量提前反饋到補(bǔ)償電流控制環(huán)節(jié)，提高APF的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。本實(shí) 用新型的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的本實(shí)用新型包括與供電電網(wǎng)相連接的有源濾波器，所述的有源濾波器的交流側(cè)連接有電源電壓采集模塊和電源電流采集模塊，有源濾波器的直流側(cè)連接有電容電壓采集模塊；所述的電源電壓采集模塊的輸出端，一路經(jīng)正弦運(yùn)算模塊和乘法運(yùn)算模塊的第一輸入端相連，另一路和基波有功電流檢測模塊的第一輸入端相連；所述的電源電流采集模塊的輸出端，一路和所述的基波有功電流檢測模塊的第二輸入端相連，另一路和第二加法運(yùn)算模塊的第一輸入端相連，基波有功電流檢測模塊的輸出端和第一加法運(yùn)算模塊的第一輸入端相連；所述的電容電壓采集模塊的輸出端經(jīng)有功電流變化預(yù)測模塊和所述的乘法運(yùn)算模塊的第二輸入端相連，乘法運(yùn)算模塊的輸出端和第一加法運(yùn)算模塊的第二輸入端相連，第一加法運(yùn)算模塊的輸出端和第二加法運(yùn)算模塊的第二輸入端相連，第二加法運(yùn)算模塊的輸出端和電流控制器的輸入端相連，電流控制器的輸出端和所述的有源濾波器的控制端相連。通過電源電流采集模塊采集電源電流i s，通過電源電壓采集模塊采集電源電壓Us，經(jīng)過基波有功電流檢測模塊的處理，得到電源電流中含有的有功量ilp。通過電容電壓采集模塊檢測直流側(cè)電容電壓Uc，利用電容電壓的平均值與系統(tǒng)中有功電流之間的關(guān)系，通過對(duì)電容電壓的變化情況進(jìn)行跟蹤處理，實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)中有功電流的變化信息，即系統(tǒng)中有功電流分量的幅值。由乘法運(yùn)算模塊將系統(tǒng)有功電流幅值增量Δ Ip與正弦運(yùn)算模塊輸出的和系統(tǒng)電壓同頻同相的單位正弦信號(hào)es相乘，得到有功電流分量Δ ip，再與有功量ilp相加，最終得到補(bǔ)償?shù)闹噶钚盘?hào)is*。將補(bǔ)償?shù)闹噶钚盘?hào)is*與電源電流is的差比較值Δ is作為電流控制器的輸入， 電流控制器產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)作用于有源濾波器主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流。作為優(yōu)選，所述的有功電流變化預(yù)測模塊包括依次相連的低通濾波模塊、離散采樣模塊、預(yù)測處理模塊和信號(hào)變換處理模塊，所述的低通濾波模塊的輸入端和所述的電容電壓采集模塊的輸出端相連，所述的預(yù)測處理模塊上還連接有參考量輸入模塊，所述的信號(hào)變換處理模塊的輸出端和所述的乘法運(yùn)算模塊的第二輸入端相連。電容電壓采集模塊檢測到的直流電容電壓瞬時(shí)值Uc經(jīng)低通濾波模塊處理、離散采樣模塊處理后，再由預(yù)測處理模塊將該信號(hào)與參考量輸入模塊輸出的參考值作比較和處理，獲得電容平均電壓的變化量 Δ Uc,再經(jīng)信號(hào)變換處理模塊的處理，實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)中有功電流的變化信息，即系統(tǒng)中有功電流分量的幅值。獲得的系統(tǒng)有功電流幅值增量Δ Ip輸送給乘法運(yùn)算模塊處理。作為優(yōu)選，所述的有功電流變化預(yù)測模塊包括第三加法運(yùn)算模塊、比例積分控制模塊和第四加法運(yùn)算模塊，第三加法運(yùn)算模塊的第一輸入端和所述的電容電壓采集模塊的輸出端相連，第三加法運(yùn)算模塊的第二輸入端和標(biāo)準(zhǔn)電容電壓輸入模塊相連，第三加法運(yùn)算模塊的輸出端和所述的比例積分控制模塊的輸入端相連，比例積分控制模塊的輸出端和所述的第四加法運(yùn)算模塊的第一輸入端相連，第四加法運(yùn)算模塊的第二輸入端和所述的信號(hào)變換處理模塊的輸出端相連，第四加法運(yùn)算模塊的輸出端和所述的乘法運(yùn)算模塊的第二輸入端相連。直流側(cè)電容電壓與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值作差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到調(diào)節(jié)量Ipi，由第四加法運(yùn)算模塊將調(diào)節(jié)量Ipi和系統(tǒng)中有功電流分量的幅值Δ Isp進(jìn)行相加處理，獲得系統(tǒng)有功電流幅值增量Δ Ip，輸送給乘法運(yùn)算模塊處理。通過PI調(diào)節(jié)以保持電容電壓的穩(wěn)定。[0011 ] 本實(shí)用新型的有益效果 是不僅采樣電源電流，還增加了負(fù)載容量變化的預(yù)測控制，得到電源有功電流分量幅值的變化，通過對(duì)電源濾波器直流側(cè)電容電壓的采樣，預(yù)測出系統(tǒng)有功電流的變化量，將這一預(yù)測量提前反饋到補(bǔ)償電流控制環(huán)節(jié)，同時(shí)保留了傳統(tǒng)APF 中的比例積分控制環(huán)節(jié)、電流控制器，大大提高APF的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，有效改善電網(wǎng)品質(zhì)。

圖1是本實(shí)用新型的一種系統(tǒng)連接框圖。圖2是本實(shí)用新型中有功電流變化預(yù)測模塊的一種連接框圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實(shí)施例1 本實(shí)施例的帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖1所示， 電力系統(tǒng)的供電電網(wǎng)1為負(fù)載3供電，輸電線路上并聯(lián)安裝有有源濾波器2。有源濾波器2 的交流側(cè)連接有電源電壓采集模塊4和電源電流采集模塊5，有源濾波器2的直流側(cè)連接有電容電壓采集模塊8。電源電壓采集模塊2的輸出端，一路經(jīng)正弦運(yùn)算模塊6和乘法運(yùn)算模塊10的第一輸入端相連，另一路和基波有功電流檢測模塊7的第一輸入端相連；電源電流采集模塊5的輸出端，一路和基波有功電流檢測模塊7的第二輸入端相連，另一路和第二加法運(yùn)算模塊12的第一輸入端相連，基波有功電流檢測模塊7的輸出端和第一加法運(yùn)算模塊 11的第一輸入端相連；電容電壓采集模塊8的輸出端經(jīng)有功電流變化預(yù)測模塊9和乘法運(yùn)算模塊10的第二輸入端相連，乘法運(yùn)算模塊10的輸出端和第一加法運(yùn)算模塊11的第二輸入端相連，第一加法運(yùn)算模塊11的輸出端和第二加法運(yùn)算模塊12的第二輸入端相連，第二加法運(yùn)算模塊12的輸出端和電流控制器13的輸入端相連，電流控制器13的輸出端和有源濾波器2的控制端相連。如圖2所示，有功電流變化預(yù)測模塊9包括低通濾波模塊91、離散采樣模塊92、預(yù)測處理模塊93、信號(hào)變換處理模塊94、參考量輸入模塊96和第三加法運(yùn)算模塊97、比例積分控制模塊98和第四加法運(yùn)算模塊95。低通濾波模塊91的輸入端和電容電壓采集模塊8 的輸出端相連，低通濾波模塊91、離散采樣模塊92、預(yù)測處理模塊93、信號(hào)變換處理模塊94 依次相連，參考量輸入模塊96和預(yù)測處理模塊93相連，信號(hào)變換處理模塊94的輸出端和第四加法運(yùn)算模塊95的第二輸入端相連。第三加法運(yùn)算模塊97的第一輸入端也和電容電壓采集模塊8的輸出端相連，第三加法運(yùn)算模塊97的第二輸入端和標(biāo)準(zhǔn)電容電壓輸入模塊 99相連，第三加法運(yùn)算模塊97的輸出端和比例積分控制模塊98的輸入端相連，比例積分控制模塊98的輸出端和第四加法運(yùn)算模塊95的第一輸入端相連。第四加法運(yùn)算模塊95的輸出端作為有功電流變化預(yù)測模塊9的輸出端和乘法運(yùn)算模塊10的第二輸入端相連。通過電源電流采集模塊采集電源電流is，通過電源電壓采集模塊采集電源電壓 Us，經(jīng)過基波有功電流檢測模塊的處理，得到電源電流中含有的有功量ilp。通過電容電壓采集模塊檢測直流側(cè)電容電壓Uc，利用電容電壓的平均值與系統(tǒng)中有功電流之間的關(guān)系， 通過對(duì)電容電壓的變化情況進(jìn)行跟蹤處理，實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)中有功電流的變化信息，即系統(tǒng)中有功電流分量的幅值。由乘法運(yùn)算模塊將系統(tǒng)有功電流幅值增量Δ Ip與正弦運(yùn)算模塊輸出的和系統(tǒng)電壓同頻同相的單位正弦信號(hào)es相乘，得到有功電流分量Δ ip，再與有功量ilp相加，最終得到補(bǔ)償?shù)闹噶钚盘?hào)is*。將補(bǔ)償?shù)闹噶钚盘?hào)is*與電源電流is的差比較值 Δ is作為電流控制器的輸入，電流控制器產(chǎn)生的PWM控制信號(hào)作用于有源濾波器主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流現(xiàn)在對(duì)圖2所示的有功電流變化預(yù)測模塊的內(nèi)部機(jī)理作一詳細(xì)介紹。(一 )首先確定直流側(cè)電容平均電壓與系統(tǒng)基波有功電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系假設(shè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，電容的直流電壓為
Kr ,那么電容器上存儲(chǔ)的能量為(1)負(fù)載容量發(fā)生變化時(shí)，電容器上直流電壓的平均電壓升高(降低)至6 ,則此時(shí)電容器上的能量為Ei =^CcVe2(2)電容器上能量的變化量為LEi = Ec-Ecr= I Ce (Fe2-φ (3)負(fù)載容量的變化時(shí)，一個(gè)周波內(nèi)，電容器吸收或發(fā)出的容量為Δ￡} = J=I^s Αι[ψ T⑷其中Prs為系統(tǒng)電壓有效值，為系統(tǒng)有功電流幅值的變化量。聯(lián)立(3)和(4)式，得出系統(tǒng)電流中有功電流幅值的變化量
Jo C (V2 - F2)Δ/, = . ^ J(5)
2 Us - T從而，此時(shí)系統(tǒng)有功電流分量增量為Ais = Alsp sin M(6)( 二)實(shí)際采樣運(yùn)算及快速響應(yīng)機(jī)理在穩(wěn)態(tài)情況下，逆變器直流電容的平均電壓由PI環(huán)節(jié)保持為一定值，但由于無功功率的流動(dòng)將不可避免地造成逆變器直流電壓的波動(dòng)。在實(shí)際中的電壓采樣是電容平均電壓附近的一系列波動(dòng)值。當(dāng)有源濾波器工作在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其直流側(cè)電容電壓表示為FJfi = Fcr+ν ^r ( (7)其中Kr為平均電壓，F(xiàn)ffCf)為電容電壓脈動(dòng)值。當(dāng)負(fù)載容量發(fā)生變化時(shí)，電容器吸收或輸出有功電流，電容電壓發(fā)生變化，穩(wěn)定時(shí)為 聯(lián)=(8)此時(shí)的電容電壓在平均電壓&附近波動(dòng)，波動(dòng)量％(1) 1 。所以[0040]
權(quán)利要求1.一種帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括與供電電網(wǎng)(1)相連接的有源濾波器(2 )，其特征在于所述的有源濾波器(2 )的交流側(cè)連接有電源電壓采集模塊(4 )和電源電流采集模塊(5)，有源濾波器(2)的直流側(cè)連接有電容電壓采集模塊(8)；所述的電源電壓采集模塊(2)的輸出端，一路經(jīng)正弦運(yùn)算模塊(6)和乘法運(yùn)算模塊(10)的第一輸入端相連，另一路和基波有功電流檢測模塊(7)的第一輸入端相連；所述的電源電流采集模塊(5)的輸出端，一 路和所述的基波有功電流檢測模塊(7)的第二輸入端相連，另一路和第二加法運(yùn)算模塊(12)的第一輸入端相連，基波有功電流檢測模塊(7)的輸出端和第一加法運(yùn)算模塊(11)的第一輸入端相連；所述的電容電壓采集模塊(8)的輸出端經(jīng)有功電流變化預(yù)測模塊(9)和所述的乘法運(yùn)算模塊(10)的第二輸入端相連，乘法運(yùn)算模塊(10)的輸出端和第一加法運(yùn)算模塊(11)的第二輸入端相連，第一加法運(yùn)算模塊(11)的輸出端和第二加法運(yùn)算模塊(12)的第二輸入端相連，第二加法運(yùn)算模塊(12)的輸出端和電流控制器(13) 的輸入端相連，電流控制器(13)的輸出端和所述的有源濾波器(2)的控制端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的有功電流變化預(yù)測模塊(9)包括依次相連的低通濾波模塊(91)、離散采樣模塊(92)、 預(yù)測處理模塊(93)和信號(hào)變換處理模塊(94)，所述的低通濾波模塊(91)的輸入端和所述的電容電壓采集模塊(8)的輸出端相連，所述的預(yù)測處理模塊(93)上還連接有參考量輸入模塊(96)，所述的信號(hào)變換處理模塊(94)的輸出端和所述的乘法運(yùn)算模塊(10)的第二輸入端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的有功電流變化預(yù)測模塊(9)包括第三加法運(yùn)算模塊(97)、比例積分控制模塊(98)和第四加法運(yùn)算模塊(95)，第三加法運(yùn)算模塊(97)的第一輸入端和所述的電容電壓采集模塊 (8 )的輸出端相連，第三加法運(yùn)算模塊(97 )的第二輸入端和標(biāo)準(zhǔn)電容電壓輸入模塊(99 )相連，第三加法運(yùn)算模塊(97)的輸出端和所述的比例積分控制模塊(98)的輸入端相連，比例積分控制模塊(98)的輸出端和所述的第四加法運(yùn)算模塊(95)的第一輸入端相連，第四加法運(yùn)算模塊(95)的第二輸入端和所述的信號(hào)變換處理模塊(94)的輸出端相連，第四加法運(yùn)算模塊(95)的輸出端和所述的乘法運(yùn)算模塊(10)的第二輸入端相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種帶預(yù)測快速響應(yīng)的有源濾波器閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括與供電電網(wǎng)相連接的有源濾波器，有源濾波器的交流側(cè)連接有經(jīng)正弦運(yùn)算模塊和乘法運(yùn)算模塊相連的電源電壓采集模塊及和第二加法運(yùn)算模塊相連的電源電流采集模塊，電源電壓采集模塊、電源電流采集模塊經(jīng)基波有功電流檢測模塊和第一加法運(yùn)算模塊相連。有源濾波器的直流側(cè)連接有和有功電流變化預(yù)測模塊相連的電容電壓采集模塊，有功電流變化預(yù)測模塊經(jīng)乘法運(yùn)算模塊、第一加法運(yùn)算模塊、第二加法運(yùn)算模塊、電流控制器和有源濾波器的控制端相連。本實(shí)用新型通過采樣直流側(cè)電容電壓，預(yù)測出系統(tǒng)有功電流的變化量，提前反饋到補(bǔ)償電流控制環(huán)節(jié)，大大提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，改善電網(wǎng)品質(zhì)。
文檔編號(hào)H02J3/18GK202111474SQ20112018777
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者商少鋒, 汪洪標(biāo), 王璽 申請人:浙江容大電力設(shè)備制造有限公司