专利名称：交错单周控制补偿电流发生器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于对电力系统中的谐波电流和无功电流进行主动跟踪补 偿的交错单周控制补偿电流发生器。
背景技术：
采用现代电力电子技术对电力系统中的谐波电流和无功电流进行主动补偿，是近 年来发展起来的柔性输电技术(FACTS)和用户电力技术(D-FACTS)中的重要内容。例如并 联有源电力滤波器(APF)和静止同步补偿器(STATC0M)等，都属于采用现代电力电子技术 制造的补偿电流发生器。为了取得高效率、高速度的补偿效果，这类补偿电流发生器常采用滞环跟踪方法 或PWM方法对其中的逆变桥进行调制驱动，以产生所需的快速变化的高强度补偿电流。滞 环跟踪调制方法电流跟踪速度最快，且电流跟踪精度高，但存在载波频率不确定的缺点；采 用三角波进行调制的线性PWM方法载波频率固定，但电流跟踪速度较低，跟踪误差较大。单周控制是近年来电力电子技术领域中日益受到重视的一种新型控制方法。单周 控制是一种非线性控制法，其基本思想是控制开关占空比，在每个周期内使逆变器开关变 量的平均值与控制参考值相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。单周控制具有反 应快、控制精度高、控制电路简单、控制性能对系统参数变化不敏感等优点，在开关电源变 换器中有很多应用。关于单周控制方法在并联有源电力滤波器等补偿电流发生器中的应 用，已有大量研究文献，但几乎所有文献所涉及的有源电力滤波器单周控制方法，其控制目 标都是基于以下控制方程(李承.基于单周控制理论的有源电力滤波器与动态电压恢复器 研究.博士学位论文，华中科技大学，2005)
2 Cdr- vc{t) dt = Re-is + i;c(t) 1 Jo或Re · is = (2d-l) · vc (t) = Vs (t)其中T是开关周期，d是开关占空比，Re等效负载电阻，“是补偿后的电源电流， vc(t)是电容器电压，vs(t)是交流电源电压。按此控制方程实施控制的效果是补偿后，电源电流is与电源电压Vs (t)成正比， 系统等效为一个功率因数为1的纯电阻民。然而，在实际应用中对补偿效果的要求是多样化的，往往要求补偿电流发生器能 够完全跟踪指令电流产生所需补偿电流，而不是简单地把被补偿系统的功率因数补偿为1。 上述控制方程的控制目标过于单一，不能满足多样化的实际补偿需求；同时，采用上述控制 方程时，如果电源电压波形存在畸变，则补偿后的电流波形也会发生同样畸变；而且由于 控制方程中的参考值RJs中包含补偿电流中的纹波电流，当纹波电流较大时会显著影响控 制精度。文献[庄华等.基于ipiq法和单周控制的三相有源电力滤波器.电气应用，2006，25(11) :47-51]研究了控制目标是仅对系统中谐波分量进行补偿的有源电力滤波器单周 控制方法，其控制方程为 ι rdT- J isdt = h- (iLf - is)其中T是开关周期，d是开关占空比，“是补偿后的电源电流，h是放大倍数，iLf 是负载电流的基波分量。该方法可以避免有源电力滤波器补偿基波无功电流，但对控制目标多样性的改善 有限；而且由于方程右边的参考值中仍然包含补偿电流中的纹波电流，当纹波电流较大时 同样会显著影响控制精度。该文献指出，h越大电源电流is越接近参考值，但h很大时上述 控制方程可改写为
ι ι rdT(iu-is)= — - J is dt 0这实际是对is峰值的控制，而非对is的单周期平均值的控制，由于is中不可避免 地包含有补偿电流的纹波分量，必然导致is的单周期平均值偏离参考值。文献[雷鹏等.ipiq检测法的单周控制三电平有源电力滤波器.高电压技术， 2007,33(11) =143-149]研究了采用单周控制方法实现电流跟踪控制，其控制方程为
1 fdT- ic dt = ire{ 1 Jo其中T是开关周期，d是开关占空比，ic是补偿电流，iref是参考电流。然而，由于并联有源电力滤波器等补偿电流发生器均以电流连续模式工作，在每 个开关周期T内的(l-d)T时段内，补偿电流i。并不恒等于0，也是电流单周期平均值的组 成部分；上述控制方程左侧的算式仅在ο-dT时段内对i。积分，因而不能正确计算补偿电流 Ic的单周期平均值。在上述控制方程得到满足时，补偿电流i。的单周期平均值还与被补偿 电力线路电压瞬时值以及i。的变化趋势等因素有关，并不能被唯一确定，导致该方法的电 流跟踪误差太大，不能满足实用要求。综上所述，公知的用于并联有源电力滤波器等补偿电流发生器的单周控制方法存 在以下不足1)控制目标过于单一，不能满足多样化的实际补偿需求；2)如果电源电压波形存在畸变，则补偿后的电流波形也会发生同样畸变；3)补偿电流中的高频纹波分量会显著影响控制精度；4)采用单周控制方法进行电流跟踪控制的探索，控制方程不正确，控制效果差，不 能满足实用要求。
实用新型内容本实用新型的目的就是为解决上述问题，提供一种适用于并联有源电力滤波器等 补偿电流发生器的，能够实现高速度、高精度电流跟踪控制的交错单周控制补偿电流发生器。为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案一种交错单周控制补偿电流发生器，它包括三相逆变桥I和三相逆变桥II，两者具有公共的直流母线；在直流母线两极之间接有储能电容器组；所述三相逆变桥I和三相 逆变桥II的逆变输出端分别与三相电感器I和三相电感器II的输入端连接；三相电感器 I和三相电感器II的输出端相互并联后接三相被补偿电力线路L1、L2和L3 ；所述三相逆变 桥I和三相逆变桥II中各逆变桥臂的控制输入端则分别与各自的脉冲驱动装置连接；各脉冲驱动装置分别与相应的电流检测单元I和电流检测单元II的输出端连接， 电流检测单元I和电流检测单元II的输入端与各自的电流互感器组I和电流互感器组II 的二次侧连接；电流互感器组I和电流互感器组II的一次侧分别串联在三相逆变桥I和三 相逆变桥II的逆变输出回路中；各脉冲驱动装置还与同步脉冲发生单元连接；各脉冲驱动装置的输入端还分别与电压参数运算单元和指令电流运算单元的输 出端连接；电压参数运算单元的输入端与交流电压检测单元的输出端连接，指令电流运算 单元的输入端则分别与交流电压检测单元的输出端、电流检测单元III的输出端和直流电 压检测单元的输出端连接；交流电压检测单元的输入端分别接三相被补偿电力线路Li、L2 和L3，它的中线输入端接被补偿电力线路的中线N ；电流检测单元III的输入端与电流互 感器组III的二次侧连接；电流互感器组III的一次侧串联在被补偿电力线路L1、L2和L3 中；直流电压检测单元的三个输入端分别接直流母线的两极和中线N。所述脉冲驱动装置有两组，它们的结构完全相同与三相逆变桥I对应的一组包 括驱动单元1-111，驱动单元I-III分别与相应的驱动脉冲生成单元I-III连接；与三相逆 变桥II对应的一组包括驱动单元IV-VI，驱动单元IV-VI分别与相应的驱动脉冲生成单元 IV-VI连接；驱动单元I-VI的各驱动脉冲输入端分别接驱动脉冲生成单元I-VI的各输出端； 驱动脉冲生成单元I-III的各输入端①分别接电流检测单元I的三个输出端，驱动脉冲生 成单元IV-VI的各输入端①分别接电流检测单元II的三个输出端；驱动脉冲生成单元I、 IV的各输入端②相互连接在一起并与指令电流运算单元的输出端G1连接，其各输入端③ 相互连接在一起并与电压参数运算单元的输出端V1连接；驱动脉冲生成单元II、V的各输 入端②相互连接在一起并与指令电流运算单元的输出端G2连接，其各输入端③相互连接 在一起并与电压参数运算单元的输出端V2连接；驱动脉冲生成单元III、VI的各输入端② 相互连接在一起并与指令电流运算单元的输出端^3连接，其各输入端③相互连接在一起 并与电压参数运算单元的输出端V3连接；驱动脉冲生成单元I-III的各输入端④相互连接 在一起并与同步脉冲发生单元的输出端P1连接，驱动脉冲生成单元IV-VI的各输入端④相 互连接在一起并与同步脉冲发生单元的输出端P2连接。所述驱动脉冲生成单元I-VI具有相同的内部结构，每个驱动脉冲生成单元均由 减法运算单元I、基准电压单元I、比例运算单元I、加法运算单元I、加法运算单元II、电阻 器I、电容器I、复位开关、RS触发器、比较器、减法运算单元II、运算放大器、电阻器II、电 容器II构成；其中，减法运算单元I的“+”输入端接所述驱动脉冲生成单元的输入端①，其 “-”输入端接所述驱动脉冲生成单元的输入端②，其输出端接比例运算单元I的输入端；加 法运算单元I的一个输入端接比例运算单元I的输出端，其另一个输入端接基准电压单元 I的输出端，其输出端接加法运算单元II的一个输入端；加法运算单元II的输出端串联电 阻器I后接电容器I的一个引出端，电容器I的另一个引出端接电位参考点；电阻器I与电容器I的连接点同时还与加法运算单元II的另一个输入端以及比较器的“ + ”输入端连 接；比较器的“_”输入端接减法运算单元II的输出端，其输出端接RS触发器的R触发端； RS触发器的S触发端接所述驱动脉冲生成单元的输入端④，其输出端Q接所述驱动脉冲生 成单元的输出端，其输出端ζ接复位开关的控制端；复位开关的两极与电容器I并联；减法 运算单元II的“+”输入端接所述驱动脉冲生成单元的输入端③，其“_”输入端接运算放大 器的输出端；电阻器II跨接在运算放大器的输出端与“_”输入端之间，电容器II的一端接 运算放大器的“_”输入端，另一端接所述驱动脉冲生成单元的输入端②；运算放大器的“+” 输入端接电位参考点。其中的电压参数运算单元由加法运算单元III-V、比例运算单元II-IV、基准电压 单元II构成；其中，加法运算单元III-V的各输出端分别接所述电压参数运算单元的输出 端Vl、V2和V3，其各一个输入端分别接比例运算单元II-IV的各输出端，其各另一输入端相 互连接在一起，并与基准电压单元II的输出端连接；比例运算单元II-IV的各输入端分别 接所述电压参数运算单元的输入端UpU2和u3。所述储能电容器组由两只电容器串联构成，其串联连接点与被补偿电力线路的中 线N连接。所述交错单周控制补偿电流发生器的控制方法，其特征是，它的步骤为(1)由直流电压检测单元、交流电压检测单元、电流检测单元III分别测得直流母 线电压信号、三相交流电压信号和三相被补偿电流信号，并将其送入指令电流运算单元，由 指令电流运算单元采用公知技术计算求出三相补偿电流的指令电流信号Gp ☆和G，并 按所述连接关系将其分别送入驱动脉冲生成单元I-VI。(2)由电压参数运算单元根据三相交流电压信号U1、U2和u3，按照下式计算得出对 应的电压参数信号Vl、V2和v3:V1 = ki · Ui+0. 5V2 = ki · u2+0. 5V3 = ki · u3+0. 5其中^ = 1/Vdc, Vdc是直流母线电压设定值；按所述连接关系将Vl、V2和V3分别送入驱动脉冲生成单元I-VI。(3)由电流检测单元I分别测得三相逆变桥I的三相输出电流信号i。n、i。12、icl3 ； 由电流检测单元II分别测得三相逆变桥II的三相输出电流信号i。21、i。22、i。23 ；按所述连接 关系将各输出电流信号分别送入驱动脉冲生成单元I-VI。(4)由同步脉冲发生单元产生两组同步脉冲信号P1和P2A1与P2具有相同的周期 T，但P2较P1滞后T/2 ；按所述连接关系将P1和P2分别送入驱动脉冲生成单元I-VI。(5)驱动脉冲生成单元I-III在同步脉冲信号P1的同步控制下分别按以下控制方 程产生单周控制驱动脉冲
权利要求1.一种交错单周控制补偿电流发生器，其特征是，它包括三相逆变桥1( 和三相逆变 桥II (3)，两者具有公共的直流母线；在直流母线两极之间接有储能电容器组(1)；所述三 相逆变桥1( 和三相逆变桥11(3)的逆变输出端分别与三相电感器1(6)和三相电感器 11(7)的输入端连接；三相电感器I (6)和三相电感器II (7)的输出端相互并联后接三相被 补偿电力线路Li、L2和L3 ；所述三相逆变桥I (2)和三相逆变桥II (3)中各逆变桥臂的控 制输入端则分别与各自的脉冲驱动装置连接；各脉冲驱动装置分别与相应的电流检测单元I 04)和电流检测单元11 的输出端 连接，电流检测单元I 04)和电流检测单元II (25)的输入端与各自的电流互感器组I (4) 和电流互感器组II 的二次侧连接；电流互感器组I (4)和电流互感器组II 的一次侧 分别串联在三相逆变桥1( 和三相逆变桥II (3)的逆变输出回路中；各脉冲驱动装置还与同步脉冲发生单元OO)连接；各脉冲驱动装置的输入端还分别与电压参数运算单元和指令电流运算单元02) 的输出端连接；电压参数运算单元的输入端与交流电压检测单元06)的输出端连接， 指令电流运算单元0 的输入端则分别与交流电压检测单元06)的输出端、电流检测单 元111(27)的输出端和直流电压检测单元03)的输出端连接；交流电压检测单元06)的 输入端分别接三相被补偿电力线路L1、L2和L3，它的中线输入端接被补偿电力线路的中线 N;电流检测单元III (27)的输入端与电流互感器组111( )的二次侧连接；电流互感器组 111(28)的一次侧串联在被补偿电力线路Li、L2和L3中；直流电压检测单元的三个 输入端分别接直流母线的两极和中线N。
2.如权利要求1所述的交错单周控制补偿电流发生器，其特征是，所述脉冲驱动装置 有两组，它们的结构完全相同与三相逆变桥1(2)对应的一组包括驱动单元I-III (8、9、 10)，驱动单元I-III (8、9、10)分别与相应的驱动脉冲生成单元I-III (14、15、16)连接；与 三相逆变桥II (3)对应的一组包括驱动单元IV-VI (11、12、13)，驱动单元IV-VI (11、12、13) 分别与相应的驱动脉冲生成单元IV-VI (17、18、19)连接；驱动单元I-VI (8-13)的各驱动脉冲输入端分别接驱动脉冲生成单元I-VI (14-19)的 各输出端；驱动脉冲生成单元I-III (14-16)的各输入端①分别接电流检测单元I 04)的 三个输出端，驱动脉冲生成单元IV-VI (17-19)的各输入端①分别接电流检测单元IK25) 的三个输出端；驱动脉冲生成单元I、IV(14、17)的各输入端②相互连接在一起并与指令 电流运算单元0 的输出端G1连接，其各输入端③相互连接在一起并与电压参数运算单 元的输出端V1连接；驱动脉冲生成单元II、V(15、18)的各输入端②相互连接在一起 并与指令电流运算单元0 的输出端G2连接，其各输入端③相互连接在一起并与电压参 数运算单元的输出端V2连接；驱动脉冲生成单元III、VI (16、19)的各输入端②相互 连接在一起并与指令电流运算单元0 的输出端G3连接，其各输入端③相互连接在一起 并与电压参数运算单元的输出端V3连接；驱动脉冲生成单元I-III (14-16)的各输 入端④相互连接在一起并与同步脉冲发生单元00)的输出端P1连接，驱动脉冲生成单元 IV-VI (17-19)的各输入端④相互连接在一起并与同步脉冲发生单元00)的输出端P2连 接。
3.如权利要求1所述交错单周控制补偿电流发生器，其特征是，所述驱动脉冲生成单 元I-VI (14-19)具有相同的内部结构，每个驱动脉冲生成单元均由减法运算单元1(四)、基准电压单元I (30)、比例运算单元I (31)、加法运算单元I (32)、加法运算单元II (33)、 电阻器I (34)、电容器I (35)、复位开关(36)、RS触发器(37)、比较器(38)、减法运算单元 II (39)、运算放大器(40)、电阻器II (41)、电容器II (42)构成；其中，减法运算单元I (29) 的“ + ”输入端接所述驱动脉冲生成单元的输入端①，其“_”输入端接所述驱动脉冲生成单 元的输入端②，其输出端接比例运算单元1(31)的输入端；加法运算单元I (3 的一个输 入端接比例运算单元I (31)的输出端，其另一个输入端接基准电压单元I (30)的输出端，其 输出端接加法运算单元II (3 的一个输入端；加法运算单元II (3 的输出端串联电阻器 1(34)后接电容器1(35)的一个引出端，电容器I (35)的另一个引出端接电位参考点；电阻 器I (34)与电容器1(35)的连接点同时还与加法运算单元11(33)的另一个输入端以及比 较器(38)的“ + ”输入端连接；比较器(38)的“_”输入端接减法运算单元II (39)的输出 端，其输出端接RS触发器(37)的R触发端；RS触发器(37)的S触发端接所述驱动脉冲生 成单元的输入端④，其输出端Q接所述驱动脉冲生成单元的输出端，其输出端ζ接复位开关 (36)的控制端；复位开关(36)的两极与电容器1(35)并联；减法运算单元II (39)的“ + ” 输入端接所述驱动脉冲生成单元的输入端③，其“_”输入端接运算放大器GO)的输出端； 电阻器IK41)跨接在运算放大器^))的输出端与“_”输入端之间，电容器IK42)的一端 接运算放大器GO)的“_”输入端，另一端接所述驱动脉冲生成单元的输入端②；运算放大 器GO)的“ + ”输入端接电位参考点。
4.如权利要求1所述交错单周控制补偿电流发生器，其特征是，其中的电压参数运 算单元由加法运算单元III-V03-45)、比例运算单元II-IV06-48)、基准电压单元 11(49)构成；其中，加法运算单元111-^43-4 的各输出端分别接所述电压参数运算单元 (21)的输出端力、力和％，其各一个输入端分别接比例运算单元II-IV(46-48)的各输出端， 其各另一输入端相互连接在一起，并与基准电压单元Π 09)的输出端连接；比例运算单元 II-IV(46-48)的各输入端分别接所述电压参数运算单元的输入端ui、u2*u3。
5.如权利要求1所述交错单周控制补偿电流发生器，其特征是，所述储能电容器组(1) 由两只电容器串联构成，其串联连接点与被补偿电力线路的中线N连接。
专利摘要本实用新型涉及一种交错单周控制补偿电流发生器。它具有电流跟踪误差小、跟踪速度快、开关频率固定等优点，并通过纹波交错对消方式显著降低输出补偿电流的纹波分量。它包括三相逆变桥I和三相逆变桥II，两者输出端分别串联电流互感器组I和电流互感器组II，然后分别与三相电感器I和三相电感器II连接；三相电感器I和三相电感器II的输出端并联后接三相被补偿电力线路；所述两三相逆变桥分别与各自的脉冲驱动装置连接，各脉冲驱动装置分别与相应的电流检测单元I和电流检测单元II、同步脉冲发生单元、电压参数运算单元和指令电流运算单元连接，各电流检测单元与各自的电流互感器组连接，两运算单元与对应的检测单元连接。
文档编号H02J3/18GK201846078SQ20102055668
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月11日 优先权日2010年10月11日
发明者李建明, 王德涛, 鞠洪兵 申请人:山东山大华天科技股份有限公司