一种基于ip-iq检测法和滞环控制的混合型有源滤波器的制造方法

一种基于ip-iq检测法和滞环控制的混合型有源滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，包括：谐波电流检测电路、滞环控制电路、无源滤波器电路PF、有源滤波器电路APF、耦合变压器电路等。谐波电流检测电路对三相电路中各相的瞬时电流进行谐波电流的检测，并且将检测出的谐波电流输入到滞环控制电路中，产生滞环控制信号；滞环控制电路通过自动调节滞环宽度以固定开关频率的方法，将滞环控制信号输入到有源滤波器电路APF中产生补偿电流，用于抵消谐波电流；有源滤波器电路APF与无源滤波器电路PF的一条支路串联后接入耦合变压器电路。本发明通过结合有源滤波器APF和无源滤波器PF各自的功能优点，对谐对三相电路中的谐波电流实现有效地滤除，提高了性能，降低滤波器整体成本。
【专利说明】-种基于ip-iq检测法和滞环控制的混合型有源滤波器

【技术领域】
[0001] 本发明涉及电能质量及电力谐波治理领域，特别的是一种基于ip-iq检测法和滞 环控制的混合型有源滤波器。

【背景技术】
[0002] 非线性负荷和各种时变电力电子装置在电网中被大规模地应用，在应用过程中产 生了大量的谐波电流，导致正常的电流波形发生畸变，对电网造成了严重的危害。因此抑制 谐波电流，提高整个电力系统的运行环境，就变得迫在眉睫。目前，解决这种问题主要是用 到了有无源滤波器PF、有源滤波器APF和混合型有源滤波器。无源滤波器PF采用的是LC 无源滤波器。这种滤波器结构简单，成本低，仅由电感和电容组成，在技术方面相当成熟。缺 点是体积较大，只能消除特定此的谐波，无法实现谐波和无功电流的动态补偿，补偿特性受 限于电网的阻抗，并且无源滤波器PF可能会和电网中某些次谐波发生谐振，导致谐波电流 增加； 有源滤波器APF遵循"抵消"原理，它具有可以同时实现谐波和无功电流的动态补偿， 响应速度快，补偿性能在跟踪电网频率变化时不受其影响，受电网阻抗影响小从而不容易 与电网中某些次谐波产生谐振等优点，缺点是受限于功率元件的容量和成本，使其在中高 压的系统中存在应用困难。有源滤波器APF控制的一个重要环节是补偿指令的获取，这一 环节将直接影响到有源滤波器的性能，因为如果不能准确地得到指令信号，电流的控制将 无从谈起。计算补偿指令，首先必须根据补偿目的对谐波进行监测将谐波和无功电流分量 或者正序、负序以及零序等分量进行分离。目前有源滤波器中关于谐波检测的方法主要有 傅里叶法、小波变换法、神经网络法、自适应法、基于三相瞬时无功功率理论的检测法等。傅 里叶法建立在Fourier分析的基础上，通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解， 得到各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅立叶变换得到 所需的误差信号，再将该误差信号进行FFT反变换，即可得到补偿信号。该方法的缺点是需 要检测至少一个周期的信号，因而有较大的时间延迟，否则会带来较大的误差。小波变换法 是利用小波的方法对谐波进行检测，其计算复杂，目前在谐波检测实际应用方面不广。神 经网络法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制检测手段。 它将进化算法和反向传播用于神经网络的训练，避免了对于给定补偿电流的复杂计算，但 在检测之前需要大量的样本数据进行训练和学习。自适应检测法是根据信号处理技术中的 自适应干扰对消的原理发展起来的，对于电压畸变，频率偏移等具有较好自适应调整能力， 且电路简单，但是自适应检测法的动态响应速度还不够快。基于三相瞬时无功功率理论的 检测法瑀1984年由日本学者H.Akagi提出，后经过不断的改进现已经包括p-q法，ip-iq法 以及d-q法等，这一检测方法在有源电力滤波器的发展过程中起到了巨大的推动作用，是 目前在APF中应用最广的一种检测方法。
[0003] 研究同时结合无源滤波器PF和有源滤波器APF两者优点的混合滤波器，减小APF 的容量，降低滤波器的成本，提高谐波检测的检测速度和精度，并能在中高压大功率系统中 起到谐波治理的作用，是当前电力系统谐波检测的热点之一。而研究合适的谐波检测算法 和控制策略，来提高有源滤波器APF的动态响应速度和检测的精准度，是该项研究课题的 难点，需要重点突破。


【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种混合型有源滤波器，用以通过结合有源和无源两种滤 波方式的优点，解决电力系统中谐波电流滤除的问题，降低谐波电流滤除的成本，同时提高 谐波电流滤除的快速性和精准度。
[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于ip-iq检测法和滞环控制的混 合型有源滤波器，其特征在于，包括：ip_iq谐波电流检测电路、基于固定开关频率的滞环 控制电路、无源滤波器电路PF、有源滤波器电路APF、耦合变压器电路和负载侧电流互感器 电路；所述ip-iq谐波电流检测电路对三相电路中各相的瞬时电流进行谐波电流的检测； 所述滞环控制电路与所述ip-iq谐波电流检测电路相连，用于产生滞环控制信号；所述滞 环控制电路与所述有源滤波器电路APF相连；所述滞环控制信号输入到所述有源滤波器电 路APF中产生补偿电流，用于减少所述谐波电流；所述有源滤波器电路APF与所述无源滤波 器电路PF的一条支路串联后接入所述耦合变压器电路；所述负载侧电流互感器电路为谐 波源，与所述耦合变压器的负载侧相连。
[0006] 在本发明一实施例中，所述ip-iq谐波电流检测电路的电压输入端输入瞬时电 压；所述瞬时电压为所述三相电路中一条支路的瞬时电压；所述瞬时电压经过PLL锁相环 电路、正余弦信号发生器处理后得到矩阵B和矩阵C;所述ip-iq谐波电流检测电路的电流 输入端输入所述三相电路每一相的瞬时电流；所述瞬时电流依次经过矩阵B和数字低通滤 波器（DLPF)处理后得到所述瞬时电流的直流分量；所述直流分量经过所述矩阵C后得到所 述瞬时电流的基波分量；所述基波分量与所述瞬时电流对应做减法后得到所述谐波电流。
[0007] 在本发明一实施例中，为了维持所述ip-iq谐波电流检测电路直流侧电压Ud。稳 定，将Ud。与参考电压《1做减法，并通过PI控制器作为直流电压反馈环节引入直流端，即将 所述PI控制器的输出信号与所述直流分量做减法后输入所述矩阵C，以减少了直流侧电压 的波动。
[0008] 在本发明一实施例中，所述滞环控制电路将所述谐波电流与所述有源滤波器电路 APF中三相四开关型逆变器的输出电流做减法后得到一对差值；将所述差值经过信号合成 电路后产生插值点触发脉冲电路的on信号和off信号；所述on信号输入到所述插值点触 发脉冲电路中的ON部分的H信号输入端，并与所述ON部分的L信号输入端自动调节的滞 环宽度进行比较，在所述插值点触发脉冲电路的输出端输出开启信号；所述off信号输入 到所述插值点触发脉冲电路中的OFF部分的H信号输入端，并与所述OFF部分的L信号输 入端提前设定的滞环宽度进行比较，在所述插值点触发脉冲电路的输出端输出关断信号。
[0009] 在本发明一实施例中，所述有源滤波器电路APF包括三相四开关型逆变器，所述 三相四开关型逆变器包括4个绝缘栅双极型晶体管IGBT;所述绝缘栅双极型晶体管IGBT 采用两两并联结构，即两个串联的绝缘栅双极型晶体管IGBT与另外两个串联的绝缘栅双 极型晶体管IGBT并联；所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的并联电路两端并联一个直流电 压源；两个串联的等值电容并联在所述直流电压源两端；所述三相四开关型逆变器接收来 自所述插值点触发脉冲电路的输出端的所述滞环控制信号控制所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的开启或关断，将所述直流电压源产生的电流变换为所述补偿电流，以形成一个闭环 控制系统；所述有源滤波器电路APF还包括3个输出端，M输出端、N输出端和O输出端；所 述〇输出端为两个等值电容的串联连接中点；所述N输出端为所述两个串联的绝缘栅双极 型晶体管IGBT的连接中点；所述M输出端置于所述另外两个串联的绝缘栅双极型晶体管 IGBT的连接中点。
[0010] 在本发明一实施例中，所述无源滤波器电路PF包括5次单调谐无源滤波支路、7次 单调谐无源滤波支路和11次单调谐无源滤波支路三部分。
[0011] 在本发明一实施例中，所述耦合变压器电路包括三路耦合变压单元，每路耦合变 压单元一端与所述有源滤波器电路APF的一个输出端相连，另一端与所述7次单调谐无源 滤波支路中一个输入端相连；每路耦合变压单元包括：耦合变压器、附加电感和滤波电感； 所述滤波电感的一端连作为所述耦合变压单元的一端，另一端连接所述附加电感；所述附 加电感与所述耦合变压器的二次侧并联；所述耦合变压器的负载侧作为所述耦合变压单元 的另一端。
[0012] 在本发明一实施例中，所述的一种基于ip-iq检测法和滞环控制的混合型有源滤 波器通过自动调节滞环宽度以固定开关频率的方法，将滞环控制信号输入到有源滤波器电 路APF中产生补偿电流，用于抵消谐波电流，不仅适用于三相平衡系统，而且适用于三相不 平衡系统。
[0013] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果： (1)本发明中基于瞬时无功功率理论，通过提出的ip-iq谐波电流检测电路来检测谐 波电流，省去了三相到两相的数学变换及其逆变换等环节，简化了谐波检测环节并减少了 检测计算量和运行时间，从而提高了谐波检测的快速性；在ip-iq谐波电流检测电路中，提 出采用平均值滤波器来改善传统的ButterWorth低通滤波器性能的新型数字低通滤波器， 提高了数字滤波器的动态响应速度并降低了滤波器输出波形中的交流纹波含量，有效提高 了谐波检测的精准性。
[0014] (2)本发明中应用滞环控制电路产生滞环控制信号，提出通过自动调节环宽以固 定开关频率的方法以很小的误差跟踪畸变的电流，用于控制有源滤波器APF电路的三相四 开关逆变器产生精确的补偿电流并消除谐波电流。该方法提供了一种优化脉冲位置的控制 方法，减小了开关纹波，实现了开关频率固定和相间解耦，拥有结构简单，响应速度快，参 数鲁棒性好，控制精度高等优点。
[0015] (3)本发明中有源滤波器APF电路的采用三相四开关逆变器，该逆变器将传统的 三相六开关的一相桥臂的改变为电容桥臂，形成三相四开关型逆变器。使得绝缘栅双极型 晶体管IGBT和二极管的需求数量减少，减少了相对应的控制执行电路和功率散热单元，令 整体制造和运行成本大幅降低.
[0016] (4)本发明中选择无缘滤波器PF电路的7次单调谐无源滤波支路作为有源滤波器 APF电路注入电网的支路，起到了分压的效果，使有源滤波器APF电路所承受的基波电压降 低，减少了有源滤波器APF电路的三相四开关逆变器的容量，使成本进一步降低。
[0017] (5)本发明中的耦合变压器电路的附加电感能防止电压突变，减少有源滤波器 APF电路所受的电压突变冲击，使得整个补偿装置能可靠稳定地运行；此外，耦合变压器电 路的滤波电感使有源滤波器APF电路的基波阻抗得到了大幅的降低。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1为本发明中ip-iq谐波电流检测电路检测原理图。
[0019] 图2(a)为本发明中滞环控制电路的信号合成原理图。
[0020] 图2(b)为本发明滞环控制电路中的插值点触发脉冲电路原理图。
[0021] 图3为本发明中自带调整环宽控制方式的滞环控制原理图。
[0022] 图4为本发明中混合型有源滤波器的拓扑结构。
[0023] 图5为本发明中混合型有源滤波器谐波域单相电气模型。
[0024] 图6为本发明中混合型有源滤波器仿真模型。
[0025] 图7 (a)为本发明中滤波器滤波前a相负载电流。
[0026] 图7(b)为本发明中滤波器滤波后a相负载电流。
[0027] 图8(a)为本发明中滤波器滤波前a相负载电流傅里叶分析。
[0028] 图8(b)为本发明中滤波器滤波后a相负载电流傅里叶分析。

【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
[0030] 本发明是一种基于ip-iq检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，如图4所示，其 特征在于，包括：ip_iq谐波电流检测电路、基于固定开关频率的滞环控制电路、无源滤波 器电路PF、有源滤波器电路APF、耦合变压器电路和负载侧电流互感器电路；所述ip-iq谐 波电流检测电路对三相电路中各相的瞬时电流进行谐波电流的检测；所述ip-iq谐波电流 检测电路与所述滞环控制电路相连；所述ip-iq谐波电流检测电路将检测出的所述谐波电 流输入到所述滞环控制电路中，产生滞环控制信号；所述滞环控制电路与所述有源滤波器 电路APF相连；所述滞环控制信号输入到所述有源滤波器电路APF中产生补偿电流，用于减 少所述谐波电流；所述有源滤波器电路APF与所述无源滤波器电路PF的一条支路串联后接 入所述耦合变压器电路；所述负载侧电流互感器电路为谐波源，与所述耦合变压器的负载 侧相连。
[0031] 在本发明中，所述的一种基于ip-iq检测法和滞环控制的混合型有源滤波器可以 直接应用于三相三线制、三相四线制以及单相系统，不仅适用于三相平衡系统，而且适用于 三相不平衡系统。
[0032] 如图1所示，所述ip-iq谐波电流检测电路的电压输入端输入瞬时电压Va，该瞬时 电压为所述三相电路中a相支路的瞬时电压。以电网中的单相电流为例，电网的瞬时电流 is(t)可以分为瞬时基波有功电流ip(t)、瞬时基波无功电流iq(t)和瞬时谐波电流ih(t)， 即 is (t) =ip(t)+iq(t)+ih(t) 电网电压设为Us(t) =UsCOSWt,则傅里叶级数表示的电网瞬时电流可写为is (t) =IpCoswt+Iqcoswt+ΣIncos(nwt+Φη) 其中Ιρ，I,，In分别为基波有功电流幅值、基波无功电流幅值何η次谐波电流幅值。在 所述电压输入端还依次连接PLL锁相环电路和正余弦信号发生器，目的在于实现对输入信 号频率和相位的自动跟踪，获取与a相支路瞬时电压相同相位的正弦信号sinwt和余弦信 号-coswt，从而得到矩阵得到矩阵B和矩阵C，即所述瞬时电压经过PLL锁相环电路、正余 弦信号发生器处理后得到矩阵B和矩阵C，其中矩阵B为：

【权利要求】
1. 一种基于_-_检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，其特征在于，包括 谐波电流检测电路、基于固定开关频率的滞环控制电路、无源滤波器电路PF、有源滤波器 电路APF、耦合变压器电路和负载侧电流互感器电路；所述I/? 谐波电流检测电路对三相 电路中各相的瞬时电流进行谐波电流的检测；所述滞环控制电路与所述谐波电流检 测电路相连，用于产生滞环控制信号；所述滞环控制电路与所述有源滤波器电路APF相连； 所述滞环控制信号输入到所述有源滤波器电路APF中产生补偿电流，用于减少所述谐波电 流；所述有源滤波器电路APF与所述无源滤波器电路PF的一条支路串联后接入所述耦合变 压器电路；所述负载侧电流互感器电路为谐波源，与所述耦合变压器的负载侧相连。
2. 根据权利要求1所述的一种基于中-ig检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，其 特征在于：所述谐波电流检测电路的电压输入端输入瞬时电压；所述瞬时电压为所 述三相电路中一条支路的瞬时电压；所述瞬时电压经过PLL锁相环电路、正余弦信号发生 器处理后得到矩阵#和矩阵U ;所述1> If谐波电流检测电路的电流输入端输入所述三相 电路每一相的瞬时电流；所述瞬时电流依次经过矩阵意和数字低通滤波器（DLPF)处理后 得到所述瞬时电流的直流分量；所述直流分量经过所述矩阵CJ后得到所述瞬时电流的基波 分量；所述基波分量与所述瞬时电流对应做减法后得到所述谐波电流。
3. 根据权利要求2所述的一种基于检测法和滞环控制的混合型有源滤波器， 其特征在于：为了维持所述谐波电流检测电路直流侧电压%稳定，将%与参考电压 ^做减法，并通过PI控制器作为直流电压反馈环节引入直流端，即将所述PI控制器的输 出信号与所述直流分量做减法后输入所述矩阵CJ，以减少直流侧电压的波动。
4. 根据权利要求1所述的一种基于检测法和滞环控制的混合型有源滤波器,其 特征在于：所述滞环控制电路将所述谐波电流与所述有源滤波器电路APF中三相四开关型 逆变器的输出电流做减法后得到一对差值；将所述差值经过信号合成电路后产生插值点触 发脉冲电路的on信号和off信号；所述on信号输入到所述插值点触发脉冲电路中的ON部 分的H信号输入端，并与所述ON部分的L信号输入端自动调节的滞环宽度进行比较，在所 述插值点触发脉冲电路的输出端输出开启信号；所述off信号输入到所述插值点触发脉冲 电路中的OFF部分的H信号输入端，并与所述OFF部分的L信号输入端提前设定的滞环宽 度进行比较，在所述插值点触发脉冲电路的输出端输出关断信号。
5. 根据权利要求4所述的一种基于ff-If检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，其 特征在于：所述有源滤波器电路APF中所述三相四开关型逆变器包括4个绝缘栅双极型晶 体管IGBT ;所述绝缘栅双极型晶体管IGBT采用两两并联结构，即两个串联的绝缘栅双极型 晶体管IGBT与另外两个串联的绝缘栅双极型晶体管IGBT并联；所述绝缘栅双极型晶体管 IGBT的并联电路两端并联一个直流电压源；两个串联的等值电容并联在所述直流电压源 两端；所述三相四开关型逆变器接收来自所述插值点触发脉冲电路的输出端的所述滞环控 制信号控制所述绝缘栅双极型晶体管IGBT的开启或关断，将所述直流电压源产生的电流 变换为所述补偿电流，以形成一个闭环控制系统；所述有源滤波器电路APF还包括3个输出 端，M输出端、N输出端和0输出端；所述0输出端为两个等值电容的串联连接中点；所述N 输出端为所述两个串联的绝缘栅双极型晶体管IGBT的连接中点；所述M输出端置于所述另 外两个串联的绝缘栅双极型晶体管IGBT的连接中点。
6. 根据权利要求1所述的一种基于ip-@检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，其 特征在于：所述无源滤波器电路PF包括5次单调谐无源滤波支路、7次单调谐无源滤波支 路和11次单调谐无源滤波支路三部分。
7. 根据权利要求1所述的一种基于__1|检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，其 特征在于：所述耦合变压器电路包括三路耦合变压单元，每路耦合变压单元一端与所述有 源滤波器电路APF的一个输出端相连，另一端与所述7次单调谐无源滤波支路中一个输入 端相连；每路耦合变压单元包括：耦合变压器、附加电感和滤波电感；所述滤波电感的一端 连作为所述耦合变压单元的一端，另一端连接所述附加电感；所述附加电感与所述耦合变 压器的二次侧并联；所述耦合变压器的负载侧作为所述耦合变压单元的另一端。
8. 根据权利要求1所述的一种基于fjl-ff检测法和滞环控制的混合型有源滤波器，其 特征在于：所述的一种基于检测法和滞环控制的混合型有源滤波器通过自动调节滞 环宽度以固定开关频率的方法，将滞环控制信号输入到有源滤波器电路APF中产生补偿电 流，用于抵消谐波电流，不仅适用于三相平衡系统，而且适用于三相不平衡系统。
【文档编号】H02J3/01GK104333002SQ201410590681
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】金涛, 程远, 修铭 申请人:福州大学