专利名称：基于幅频压缩调制spwm控制技术在电力有源滤波中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及到无源滤波器领域，尤其涉及到一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用。
背景技术：
随着现代化工、民用电的高速发展，电能源已经成为目前人类最重要的能源之一； 非线性负荷的普遍应用，大量谐波注入电网，用户负载的非线性、冲击性、不平衡的用电特性，致使电网系统电能质量不断恶化。其变频器和逆变器等设备是工业调速、传动、控制等领域中应用较为广泛的高效率设备，由于变频器、逆变器等设备逆变电路的开关特性，对电网系统来说，其属于一个典型的非线性负载。当电网系统电流流经这种类型的负载时，与所加的电压不呈线性关系， 就形成非正弦电流，从而产生谐波。因此，以变频器等设备为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍。随着变、配电技术的不断发展，谐波已经给供用电系统带来的诸多负面问题，采用谐波治理是目前各重点用户以及供电子系统所要考虑的重点问题之一；谐波的治理措施一般分为无源和有源两类型1、发展状况在我国工、民电器设备技术的不断提高和相应的一些高技术国外公司在我国内地投资办厂，电能源的质量问题已经影响到正常的工业技术发展；一些高端精加工产业领域，需要安全、稳定、可靠以及高质量的“精细”电源，我国原有的开放式管理造成的“粗电” 电源已经不能满足现有工业企业以及人们日常生活的应用与发展。无源滤波器主要适用于非频繁变化下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。以前传统的方式多都选用无源滤波器，无源滤波器出现最早，具有结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，至今在大多场合仍是谐波抑制的主要手段。有源滤波器，目前国内外也有多种类型，有源滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器(APF)理论在20世纪 60年代形成，后来大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制(SPWM)控制技术的进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器得以迅速发展。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流频谱，以抵消原线路谐波源所产生的谐波，从而使电网电流只含有基波分量。其中核心部分是谐波电流发生器与控制系统，即其工作靠数字信号处理 (DSP)技术控制快速绝缘双极晶体管(IGBT)来完成。2、应用情况以及技术缺陷和存在的问题无源滤波器主要缺点，这种装置主要是轻易过载，在过载时会被烧损，可能造成功率因数过补偿；另外，无源滤波器不能受控，因此随着时间的推移，配件老化或电网负载的变动，会使谐振频率发生改变，滤波效果下降；无源滤波器只能滤除固定的某一种谐波成份 (如有的滤波器只能滤除三次或五次谐波)，实时跟踪性差。有源滤波器与无源滤波器相比较，谐波综合治理效果要好，其主要可以同时滤除多次及高次谐波，也不会引起系统谐振，但是该产品挂网运行的稳定性、成熟性、可靠性是目前该产品在行业内出现的主要突出问题，同样产品的价位也相对高出很多；目前的有源滤波器均以低压为主，高压有源滤波器技术已经成熟，但是实际应用安全系数很低。基于现有无源滤波器的不足之处，本发明人研制了本发明一种“基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用”。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足所要解决的技术问题是提供一种智能分布式高压无功补偿监控装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用，其由信号监测处理器单元、幅频压缩调制算法SPWM技术的数据处理控制器单元、多电平逆变主回路、耦合电抗器、接入控制主开关、隔离断开关部分组成。并联型有源电力滤波器的主要功能是根据非线性负荷的谐波电流，产生相应的补偿电流，防止谐波电流流入电力系统造成污染。目前大多有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部数据处理器DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过 SPWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器目前主要有两种控制方法， 即电流跟踪控制与电压控制；电流跟踪控制方法的优点是非常简单，实现起来容易，对并联型有源电力滤波器的参数及结构的依赖性小；但电流跟踪控制方法要达到很的跟踪效果， 通常需要较高的开关频率，这样会使有源电力滤波器的损耗增大，对器件的要求提高。对于电压控制型的有源电力滤波器，其输出电流的变化要通过改变电压来实现， 用于有源电力滤波器的电压控制方法很多，如空间矢量PWM控制、预估电流PWM控制、无差拍PWM控制、自适应PWM控制、磁通轨道PWM控制、模糊逻辑SPWM控制以及神经网络SPWM 控制等；这类控制方法的好处是物理概念清晰，可以采用较低的开关频率达到滞环比较控制同样的控制效果；但基于电压控制型的有源滤波国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法；但是基于这方面技术的产品始终没有从实验室走向市场；究其原因，是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本高，也缺少更好的实现手段。1、基于幅频压缩调制算法将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合的SPWM控制信号处理单元的实现基于幅频压缩调制算法SPWM技术将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合的 SPWM控制信号单元由电压控制和电流跟踪两部分组成，电压控制部分完成电压补偿算法和控制信号的合成功能，电流跟踪控制部分完成对负载谐波电流和无功补偿算法和控制信号的合成功能，两类信号最终合成IGBT驱动的PWM信号；
a)直流侧电压控制功能的实现电压控制部分采用幅频压缩算法SPWM控制技术，该控制部分主要由有功电流移相单元、幅频压缩处理单元等部分组成，装置的逆变主回路IGBT器件属于非线性器件，所以信号调制不能采用传统的线性调制原理实现，因为电压控制是属于有源滤波装置向系统吸收功率储存能量，在系统需要时释放能量；而电流补偿控制是属于有源滤波装置向系统发送电流；幅频压缩处理单元属于对调制信号的非线性处理单元，调制压缩系数也是属于非线性指数，非线性调制指数与IGBT信号放大系统成反指数关系，目的是要求IGBT的最终信号放大数据与实际成线性关系；b)负载无功和谐波电流跟踪补偿功能的实现电流控制部分采用线性控制原理，该控制部分主要由谐波电流以及有功FFT检测单元、补偿信号滤波单元等部分组成，属于谐波补偿的电流控制要求对负载谐波电流有响应快的跟踪能力，补偿电流与负载变化电流必须成线性关系，该信号处理单元的电流控制部分采用线性信号控制原理，，因为电压控制是属于有源滤波装置向系统大部分时间吸收功率，而电流补偿控制是属于有源滤波装置向系统发送一组与负载电流大小相等方向相反的电流值，补偿负载产生的非有益谐波电流值；同样，有源滤波装置实现无功补偿是当系统需要无功时，装置向系统发送无功电流，补偿负载需要的无功能量；2、基于多电平驱动技术的电力有源滤波装置的设计基于多电平驱动技术的电力有源滤波装置主要由信号监测处理器单元、幅频压缩调制算法SPWM技术的数据处理控制器单元、多电平逆变主回路、耦合电抗器、接入控制主开关、隔离断开关等部分组成。a)装置的低纹波电流实现纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。新技术的应用避免了一般有源电力滤波器单一电流模式控制技术，采用幅频压缩调制算法SPWM使将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合，该装置属于电流、电压复合控制的电压源逆变器。滤波器的纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。本装置采用幅频压缩调制算法SPWM解决了直流侧母线电压波动量的问题，直流侧母线电压波动量小，有利于大大提高有源电力滤波器电流响应速度能力，达到低纹波电流的补偿效果；本装置采用多电平逆变技术，多电平变流器能够输出正母线电压、负母线电压以及零电压(简称Ρ、Ν、0)， 一般情况下输出电压在P-0、O-N之间跳变，也就是说多电平的电压跳变幅度为直流母线电压的一半，避免了一般滤波器P-N级电压跳变幅度带来的较高的纹波电流；b)多电平控制技术应用的实现多电平技术应用于有源电力滤波器领域，在国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，多电平有源电力滤波器始终没有从实验室走向市场。究其原因是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本过高。幅频压缩调制算法SPWM使将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合，数据处理器计算工作量大大减少，使整个驱动控制环节简单，低成本、低功耗的多电平技术逆变技术容易在电力有源滤波中应用；a)降低损耗，提高效率的实现基于电流跟踪控制方法的电力有源滤波装置要达到比较好的电流补偿跟踪效果，通常需要较高的开关频率，这样会使有源电力滤波器的损耗增大，对器件的要求也提高了 ； 电压控制型逆变器构成的有源电力滤波器，其输出电流的变化要通过改变电压来实现。幅频压缩调制算法SPWM是电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合的设计；电流跟踪控制技术比较简单，对外界参数依赖性小，本方案的幅频压缩调制算法电压控制技术有效弥补了单一追求高的开关频率来达到补偿效果，处理器运算量小，控制方法简单，多电平逆变控制技术容易实现。多电平控制技术可以输出正、负、零等三种电压差，单在计算纹波电流时，只需按直流母线电压的一半计算；由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、 相同纹波电流要求的前提下，多电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感只要求小于原有的一半以下，有利于加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。本发明一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用的有益效果是通过该技术的在电力有源滤波设计中的应用，主要目的实电力有源滤波控制简单化、提高产品的运行稳定性、成熟性、可靠性，提高电压控制精度，减小输出电流的纹波系数，使高可靠性稳定性高指标的电力有源滤波产品能快速投入到用户电网技术改造市场中，以达到降低线路损耗、提高无功补偿效率、减少谐波对用户负载和电网系统的影响，切实改善用户电能质量等功效。a)提高电压控制能力有源滤波输出补偿效果大部分归咎与对多直流侧母线电压的稳定度控制能力，本技术采用幅频压缩调制技术产生SPWM波，将内部幅频系数等效为直流侧母线电压控制的PI调节器，幅频压缩调制系数调整与直流侧母线电压构成闭环控制系统，数据处理器计算量少，控制环节简单，响应速度快，输出直流侧母线电压的波动量小，有利于提高滤波器的补偿效果；b)低纹波电流纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。该技术避免了一般有源电力滤波器单一电流模式控制技术，采用幅频压缩调制算法使将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合，实现一个电流、电压复合控制的电压源逆变器。一般滤波器的纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。采用幅频压缩调制算法解决了直流侧母线电压波动量的问题，直流侧母线电压波动量小，有利于大大提高有源电力滤波器的电流响应速度能力，达到低纹波电流的补偿效果；c)简化多电平逆变控制技术的应用多电平逆变控制技术应用于有源电力滤波器领域，在国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究， 也提出了很多新的算法。但是，多电平逆变控制技术的电力有源滤波器始终没有从实验室走向市场。究其原因是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本过高。幅频压缩调制算法使将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合，数据处理器计算量少，控制环节简单，多电平逆变控制技术容易在电力有源滤波中应用；d)降低开关损耗，提高系统运行效率基于电流跟踪控制方法的电力有源滤波装置要达到比较好的电流补偿跟踪效果，通常需要较高的开关频率，这样会使有源电力滤波器的损耗增大，对器件的要求也提高了 ；对于电压控制型逆变器构成的有源电力滤波器，其输出电流的变化要通过改变电压来实现。
幅频压缩调制算法使将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合的设计，电流跟踪控制技术比较简单，对外界参数依赖性小，幅频压缩调制算法电压控制技术有效弥补了单一追求高的开关频率来达到补偿效果，处理器运算量小，控制方法简单，多电平逆变控制技术容易实现。多电平控制技术可以输出正、负、零等三种电压差，单在计算纹波电流时， 只需按直流母线电压的一半计算；由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、相同纹波电流要求的前提下，多电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感只要求小于原有的一半以下，有利于加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是目前常用的“分布式(或柱上式)无功补偿控制装置”系统结构图；图2是分布式免维护高压无功补偿控制装置的整体结构硬件示意图。
具体实施例方式本发明是这样实施的在图1和图2中，一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用，其由信号监测处理器单元、幅频压缩调制算法SPWM技术的数据处理控制器单元、多电平逆变主回路、耦合电抗器、接入控制主开关、隔离断开关部分组成。一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用，其由信号监测处理器单元、幅频压缩调制算法SPWM技术的数据处理控制器单元、多电平逆变主回路、耦合电抗器、接入控制主开关、隔离断开关部分组成。并联型有源电力滤波器的主要功能是根据非线性负荷的谐波电流，产生相应的补偿电流，防止谐波电流流入电力系统造成污染。目前大多有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部数据处理器DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过 SPWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器目前主要有两种控制方法， 即电流跟踪控制与电压控制；电流跟踪控制方法的优点是非常简单，实现起来容易，对并联型有源电力滤波器的参数及结构的依赖性小；但电流跟踪控制方法要达到很的跟踪效果， 通常需要较高的开关频率，这样会使有源电力滤波器的损耗增大，对器件的要求提高。对于电压控制型的有源电力滤波器，其输出电流的变化要通过改变电压来实现， 用于有源电力滤波器的电压控制方法很多，如空间矢量PWM控制、预估电流PWM控制、无差拍PWM控制、自适应PWM控制、磁通轨道PWM控制、模糊逻辑SPWM控制以及神经网络SPWM 控制等；这类控制方法的好处是物理概念清晰，可以采用较低的开关频率达到滞环比较控制同样的控制效果；但基于电压控制型的有源滤波国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法；但是基于这方面技术的产品始终没有从实验室走向市场；究其原因，是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本高，也缺少更好的实现手段。1、基于幅频压缩调制算法将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合的SPWM控制信号处理单元的实现基于幅频压缩调制算法SPWM技术将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合的SPWM控制信号单元由电压控制和电流跟踪两部分组成，电压控制部分完成电压补偿算法和控制信号的合成功能，电流跟踪控制部分完成对负载谐波电流和无功补偿算法和控制信号的合成功能，两类信号最终合成IGBT驱动的PWM信号；a)直流侧电压控制功能的实现电压控制部分采用幅频压缩算法SPWM控制技术，该控制部分主要由有功电流移相单元、幅频压缩处理单元等部分组成，装置的逆变主回路IGBT器件属于非线性器件，所以信号调制不能采用传统的线性调制原理实现，因为电压控制是属于有源滤波装置向系统吸收功率储存能量，在系统需要时释放能量；而电流补偿控制是属于有源滤波装置向系统发送电流；幅频压缩处理单元属于对调制信号的非线性处理单元，调制压缩系数也是属于非线性指数，非线性调制指数与IGBT信号放大系统成反指数关系，目的是要求IGBT的最终信号放大数据与实际成线性关系；b)负载无功和谐波电流跟踪补偿功能的实现电流控制部分采用线性控制原理，该控制部分主要由谐波电流以及有功FFT检测单元、补偿信号滤波单元等部分组成，属于谐波补偿的电流控制要求对负载谐波电流有响应快的跟踪能力，补偿电流与负载变化电流必须成线性关系，该信号处理单元的电流控制部分采用线性信号控制原理，，因为电压控制是属于有源滤波装置向系统大部分时间吸收功率，而电流补偿控制是属于有源滤波装置向系统发送一组与负载电流大小相等方向相反的电流值，补偿负载产生的非有益谐波电流值；同样，有源滤波装置实现无功补偿是当系统需要无功时，装置向系统发送无功电流，补偿负载需要的无功能量；2、基于多电平驱动技术的电力有源滤波装置的设计基于多电平驱动技术的电力有源滤波装置主要由信号监测处理器单元、幅频压缩调制算法SPWM技术的数据处理控制器单元、多电平逆变主回路、耦合电抗器、接入控制主开关、隔离断开关等部分组成。c)装置的低纹波电流实现纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。新技术的应用避免了一般有源电力滤波器单一电流模式控制技术，采用幅频压缩调制算法SPWM使将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合，该装置属于电流、电压复合控制的电压源逆变器。滤波器的纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。本装置采用幅频压缩调制算法SPWM解决了直流侧母线电压波动量的问题，直流侧母线电压波动量小，有利于大大提高有源电力滤波器电流响应速度能力，达到低纹波电流的补偿效果；本装置采用多电平逆变技术，多电平变流器能够输出正母线电压、负母线电压以及零电压(简称Ρ、Ν、0)， 一般情况下输出电压在P-0、O-N之间跳变，也就是说多电平的电压跳变幅度为直流母线电压的一半，避免了一般滤波器P-N级电压跳变幅度带来的较高的纹波电流；d)多电平控制技术应用的实现多电平技术应用于有源电力滤波器领域，在国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，多电平有源电力滤波器始终没有从实验室走向市场。究其原因是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本过高。幅频压缩调制算法SPWM使将电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合，数据处理器计算工作量大大减少，使整个驱动控制环节简单，低成本、低功耗的多电平技术逆变技术容易在电力有源滤波中应用；b)降低损耗，提高效率的实现基于电流跟踪控制方法的电力有源滤波装置要达到比较好的电流补偿跟踪效果， 通常需要较高的开关频率，这样会使有源电力滤波器的损耗增大，对器件的要求也提高了 ； 电压控制型逆变器构成的有源电力滤波器，其输出电流的变化要通过改变电压来实现。幅频压缩调制算法SPWM是电流跟踪控制技术和电压控制技术相接合的设计；电流跟踪控制技术比较简单，对外界参数依赖性小，本方案的幅频压缩调制算法电压控制技术有效弥补了单一追求高的开关频率来达到补偿效果，处理器运算量小，控制方法简单，多电平逆变控制技术容易实现。多电平控制技术可以输出正、负、零等三种电压差，单在计算纹波电流时，只需按直流母线电压的一半计算；由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、 相同纹波电流要求的前提下，多电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感只要求小于原有的一半以下，有利于加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。以上所述，仅是本发明一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1. 一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用，其特征在于其由信号监测处理器单元、幅频压缩调制算法SPWM技术的数据处理控制器单元、多电平逆变主回路、耦合电抗器、接入控制主开关、隔离断开关部分组成。
全文摘要
本发明涉及到无源滤波器领域，尤其涉及到一种基于幅频压缩调制SPWM控制技术在电力有源滤波中的应用。其由信号监测处理器单元、幅频压缩调制算法SPWM技术的数据处理控制器单元、多电平逆变主回路、耦合电抗器、接入控制主开关、隔离断开关部分组成。本发明的有益效果是通过该技术的在电力有源滤波设计中的应用，主要目的实电力有源滤波控制简单化、提高产品的运行稳定性、成熟性、可靠性，提高电压控制精度，减小输出电流的纹波系数，使高可靠性稳定性高指标的电力有源滤波产品能快速投入到用户电网技术改造市场中，以达到降低线路损耗、提高无功补偿效率、减少谐波对用户负载和电网系统的影响，切实改善用户电能质量等功效。
文档编号H02J3/01GK102244387SQ20111008169
公开日2011年11月16日 申请日期2011年3月29日 优先权日2010年12月13日
发明者任寅寅, 刘启宏, 区伟潮, 李林发, 谢兰平, 赵继光, 陈彦武 申请人:广东电网公司佛山供电局, 深圳市奇辉电气有限公司