专利名称：有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法及系统，该方法及其系统能够实现对滤波支路的阻抗的控制，并通过使滤波支路在关心的纹波频带内的阻抗值为零来抑制和消除低频纹波噪声。本发明属于直流供电技术领域。
在1998年5月的《电气和电子工程师学会的电力系统学报(IEEE Transactions onPower Systems)》第13卷第2期中发表了一篇题目为《坎提-斯坎高压直流输电系统中林道姆换流站所采用的有源直流滤波器的控制原理分析(Analysis on the ControlPrinciple of the Active DC Filter in the Lindome Converter Station of the Konti-Skan HVDCLink)》的文章。在这篇文章中，作者描述了一种能够滤除整流所产生的低频纹波噪声的有源电力滤波装置及其控制方法，其原理框图如附
图1所示。在已有的这种有源电力滤波装置及其控制方法中，包含纹波噪声的直流电压接入滤波电路的输入端口后，首先经过串入线路中的平波电抗器到达输出端口，输出端口在平波电抗器和回路电极之间连接着无源滤波装置和与之相串联的耦合变压器的原边，直流电源通过单相电压型逆变电路接入耦合变压器的副边。已有这种有源电力滤波装置的控制方法首先要通过电流互感器测量出输出端口电流iout，而后滤除iout中的直流成分和噪声，提取出纹波电流il。纹波电流il再经过梳状滤波或者槽状滤波得到中间信号ir。如果需要滤除频率为fi的纹波成分，所选的梳状滤波或者槽状滤波的传递函数Fa(s)应该具有接近±j2πfi的两个极点。由此，传递函数Fa(s)的幅频响应在频点fi处也将趋近于无穷大。然后，中间信号ir经过系统补偿处理得到脉宽调制的参考波信号ua，参考波信号ua经过脉宽调制产生控制脉冲，控制脉冲信号被功率放大后用以驱动单相电压型逆变电路。于是，在耦合变压器的原边得到将参考波信号ua中的低频交流成分幅度放大后的电压信号。如果假设整个滤波装置的输入电压纹波为0，而将参考波信号ua作为唯一激励源，再将滤波装置在输出端口所获得的电流ila作为响应，则可以依据电路参数得到这个输入输出系统的传递函数Gh。文献中所设计的系统补偿部分的传递函数特性需要满足FC=1Gh.]]>已有的这个有源电力滤波系统的传递函数模型为图2所示。图2中的输入信号ilh是当参考波信号ua为0，输入端口的纹波电压单独作用时，在滤波装置输出端口的纹波电流。整个滤波控制的传递函数为Fs(s)=ililh=11+Fa]]>因为Fa(s)的极点是Fs(s)的零点，所以如果梳状滤波或者槽状滤波的传递函数Fa(s)具有接近于±j2πfi的极点，则|Fs(±j2πfi)|将趋近于0，即滤波控制系统能够抑制频率为fi的低频纹波。
已有的这种有源电力滤波方法需要获得系统的传递函数Gh，并需要依此进行系统补偿处理。系统补偿处理部分的设计是依赖于电路参数的，特别是当负载发生变化时系统补偿处理过程也需要相应改变。这加大了系统补偿处理的难度，容易引起控制振荡，而且也会降低纹波抑制的效果。已有的这种有源电力滤波方法中的滤波处理部分采用了梳状滤波或槽状滤波方法，从而使滤波处理的传递函数Fa(s)的极点接近于±j2πfi。但是，传递函数的极点越接近虚轴，则滤波处理过程本身就越难以稳定实现。而且，由于不能够使Fa(s)的极点完全等于±j2πfi，所以已有方法无法达到最优的纹波抑制。理论上，依靠输出端口纹波电流作为控制输入量的有源电力滤波方法都无法达到最优的纹波抑制，而只能使输出端口的纹波电压和电流维持在接近于零的较小水平。输出端口纹波电流的测量需要从输出端口电流中滤除占有较大比例的直流成分。特别是当纹波得到一定抑制时，输出端口纹波电流成分将减小，这就要求测量部分具有更高的精度，才能使这种方法达到更好的控制效果。已有的这种有源电力滤波控制方法在数字化实现过程中，测量采样、算法计算以及脉宽调制的过程存在难以补偿的延时，这会对关心频带的纹波造成较大的相移，并严重影响纹波抑制的效果。
发明内容
本发明的目的在于提出一种有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法及系统，希望能够克服已有的有源电力滤波方法的不足，使控制原理不受负载变化的影响，能够实现最优的纹波抑制，减小在设计过程中对各个功能部分的精度、延时以及相移的限制要求，并且使控制更加稳定，最终获得更好的纹波抑制效果。
本发明提出的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法是一种利用带通滤波实现频域控制的解耦，又基于相移互差90°的两个移相滤波处理H1和H2来构成滤波支路电阻和电抗的解耦控制，通过调节滤波支路在关心的纹波频点的总阻抗等于零或者趋近于零，从而实现对该频点纹波滤除的方法，该方法依次含有如下步骤(1)测量出并联滤波支路中的电流iAPF；(2)将测量得到的滤波支路电流信号iAPF输入一组通带频点分别为f1、f2、…、fm的带通滤波处理，得到一组包含不同频率纹波成分的纹波电流信号i1、i2、…、im；其中，f1、f2、…、fm是需要滤除的低频纹波的m个组成频率，每个带通滤波处理在其通带频点fi(i＝1，2，…，m)具有最高幅值增益Ai，而它对其它纹波频率信号的衰减率应该大于控制系统实现频域解耦的临界阈值；(3)将滤波得到的纹波电流信号i1、i2、…、im分别乘以频域解耦加权系数a1、a2、…、am，然后求和得到第一个加权求和电流信号isum1，即isum1＝a1·i1+a2·i2+…+am·im；同时，将滤波得到的纹波电流信号i1、i2、…、im分别乘以频域解耦加权系数b1、b2、…、bm，然后求和得到第二个加权求和电流信号isum2，即isum2＝b1·i1+b2·i2+…+bm·im；上述的频域解耦加权系数的计算步骤如下①测量出并联滤波支路两端的电压uAPF和并联滤波支路中的电流iAPF；②由测量得到的并联滤波支路的电压uAPF和电流iAPF计算出滤波支路分别在频点f1、f2、…、fm的阻抗R1+jX1、R2+jX2、…、Rm+jXm；其中，R1、R2、…、Rm是支路阻抗的电阻部分，X1、X2、…、Xm是支路阻抗的电抗部分；③依据滤波支路的阻抗，经过参数的调节控制得到一组电阻控制参数p1、p2、…、pm和一组电抗控制参数q1、q2、…、qm；参数的调节控制可以采用常数赋值或者比例积分微分控制或者延时调节控制中的一种；其中，常数赋值控制是依据耦合变压器副边短路时滤波支路在频点f1、f2、…、fm的阻抗值R10+jX10、R20+jX20、…、Rm0+jXm0，其中R10、R20、…、Rm0是电阻部分，X10、X20、…、Xm0是电抗部分，按照如下赋值公式获得固定的电阻控制参数和电抗控制参数 比例积分微分控制将前述第②步计算得到的滤波支路电阻Ri(i＝1，2，…，m)和电抗Xi(i＝1，2，…，m)作为输入，经过比例、积分、微分、惯性或者求和处理过程，以使系统基于在fi(i＝1，2，…，m)频点的滤波支路电阻和电抗构成负反馈控制，输出得到电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)；延时调节控制将前述第②步计算得到的滤波支路电阻Ri(i＝1，2，…，m)和电抗Xi(i＝1，2，…，m)作为输入，在离散化后经过比例、差分、存储或者求和处理过程，用以获得分别对应fi(i＝1，2，…，m)频点的滤波支路电阻和电抗的一组负反馈控制调节量，并当滤波支路关心频点的纹波电流占总纹波量的比例超过设定值时，该设定值的取值在0.0～1.0范围内，再将这组控制调节量以一定的时间间隔分别与当前的电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)求和，获得新输出的电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)；④将获得的电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)按照如下公式进行解耦处理，并得到频域解耦加权系数ai(i＝1，2，…，m)和bi(i＝1，2，…，m)aibi=AΔAi·AH·n·Ud·cosθisinθi-sinθicosθi·piqi(i=1,2,···,m);]]>其中，AΔ是脉宽调制处理采用的调制信号幅值，Ai(i＝1，2，…，m)是前述第(2)步中通带频点为fi(i＝1，2，…，m)的带通滤波处理的最高幅值增益，n是耦合变压器的变比，Ud是为单相电压型逆变电路供电的直流电源的输出电压，θi(i＝1，2，…，m)是从滤波支路电流iAPF的测量过程，经过带通滤波处理、加权求和、H1移相滤波、求和、脉宽调制、脉冲驱动、电压逆变和变压器耦合的一系列处理，到获得耦合变压器原边受控电压的整个过程在fi(i＝1，2，…，m)频点的总相移；(4)将上述第(3)步获得的第一个加权求和电流信号isum1经过第一组移相滤波H1后，得到第一个移相滤波信号ihb1；同时，将上述第(3)步获得的第二个加权求和电流信号isum2经过第二组移相滤波H2后，得到第二个移相滤波信号ihb2；如果两组移相滤波H1和H2的传递函数分别用HH1(s)和HH2(s)表示，则在所关心的纹波频带内，移相滤波H1和H2的传递函数特性应该满足如下关系 其中，f是关心频带内的频率，而且f＞0；AH是任意正常数。在满足控制精度要求的条件下，上述对传递函数特性的约束可以存在一定的误差；(5)将上述第一和第二个移相滤波信号ihb1和ihb2求和得到脉宽调制用的参考波信号iref，即iref＝ihb1+ihb2；(6)将参考信号iref进行脉宽调制处理后获得一组方波脉冲信号；方波脉冲信号的路数等于单相电压型逆变电路中受控的电力电子器件数目，脉宽调制处理的脉冲发生频率应该大于所关心的低频纹波频带上限的2倍，由这组方波脉冲信号控制的单相电压型逆变电路所输出的电压脉冲的占空比应满足下式 其中的AΔ是脉宽调制处理采用的调制信号幅值，取任意正数值；(7)将上述第(6)步获得的方波脉冲信号进行功率放大后去驱动单相电压型逆变电路中的电力电子器件，用以改变具有直流电源供电的单相电压型逆变电路输出的电压脉冲的占空比，并且使该电压脉冲的占空比满足步骤(6)中要求；(8)将上述电压脉冲加载到耦合变压器副边，并通过耦合变压器原边作用于和无源滤波装置串联所构成的滤波支路，用以在与该滤波支路相并联的电路输出端口得到低频纹波被滤波后的电压和电流输出信号。
根据前述的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法而提出的有源电力滤波系统的组成为有源电力滤波电路，它含有串接在包含纹波噪声的直流电压输入信号的入端线路上的平波电抗器；由用以承担直流电压的无源滤波装置和耦合变压器的原边串联所构成的并联在输出端口的平波电抗器和回路电极之间的滤波支路；输出接入到耦合变压器副边的单相电压型逆变电路；输出接入到单相电压型逆变电路输入端的直流电源；安装在滤波支路上的电流互感器；
安装在滤波支路两端之间的电压互感器；依次与电流互感器的测量输出端串接的一组带通滤波器、由乘法器和加法器构成的加权求和电路、H1和H2移相滤波器、加法器以及脉宽调制电路；频域解耦加权系数计算电路，包括以电压互感器和电流互感器测量获得的滤波支路电压和电流信号作为输入的一组分别对应fi(i＝1，2，…，m)频点的支路电阻计算电路和支路电抗计算电路，以及参数的调节控制电路和解耦处理电路；脉冲驱动电路，其输入端与上述脉宽调制部分输出的脉冲信号相连接，而其输出端则与单相电压型逆变电路的触发控制端相连接；在上述的有源电力滤波系统中，耦合变压器的变比n(n＞0)和直流电源输出电压Ud(Ud＞0)应该满足n×Ud大于耦合变压器副边短路时输出端口在关心频率范围内的纹波电压的最大幅值。
下面进一步对本发明方法的工作原理加以说明。不妨设实际的滤波支路电流在fk(k＝1，2，…，m)频点的纹波分量为 其中Iwk和k分别是该频率纹波分量的有效值和初始相位，t是时间。如果测量过程在fk频点的相移为θk1，于是测量获得的滤波支路电流iAPF中所包含的fk频点的信号为 如果每个带通滤波处理对其通带频点之外的纹波频率信号的衰减率足够大，则各个带通滤波处理在fk频点的输出分别是 其中，θk2是通带频点为fk的带通滤波器在fk频点的相位移。于是，ii(i＝1，2，…，m)与系数ai(i＝1，2，…，m)和bi(i＝1，2，…，m)分别进行加权求和的输出结果为 其中，θk3是加权求和处理过程对fk频率信号的相移。如果H1移相滤波处理对fk频率信号的相移为θk4，因为HH2(j2πf)HH1(j2πf)=j,]]>所以H2移相滤波处理对fk频率信号的相移为θk4+90°。于是，加权求和结果isum1和isum2在分别经过H1移相滤波和H2移相滤波后，得到 isum1和isum2求和过程对fk频率信号的相移如果设为θk5，则脉宽调制用的参考波信号为 参考波信号iref经过脉宽调制、脉冲驱动后，控制单相电压型逆变电路产生逆变电压，该电压通过耦合变压器作用于滤波支路。如果该过程在fk频点的相移是θk6，则在耦合变压器原边产生的受控电压为 其中的θk代表从测量滤波支路电流到在耦合变压器原边输出受控电压的整个过程的总相移，即θk＝θk1+θk2+θk3+θk4+θk5+θk6依据加权参数ak和bk与电阻控制参数pk和电抗控制参数qk的解耦处理关系akbk=AΔAk·AH·n·Ud·cosθksinθk-sinθkcosθk·pkqk]]>于是，耦合变压器原边的受控电压uCOV可以表达为 这个受控电压源的输入是滤波支路的电流，所以受控电压源也可以等效为一个阻抗元件。如果设这个等效生成阻抗在fk频点的阻抗值为Reqk+jXeqk，则依据上式可知Reqk＝pkXeqk＝qk由此分析可见，通过本发明方法的频域解耦处理和电阻与电抗控制的解耦处理，最终将电阻控制参数pk与等效生成阻抗在fk频点的电阻值Reqk相对应，而电抗控制参数qk与等效生成阻抗在fk频点的电抗值Xeqk相对应。
频域解耦加权系数的计算如果采用常数赋值控制，则Reqk＝pk＝-Rk0Xeqk＝qk＝-Xk0如果Rk0+jXk0等于耦合变压器副边短路时滤波支路在fk频点的阻抗，则当本发明有源电力滤波系统正常工作时，滤波支路的总阻抗等于Rk0+jXk0和等效生成阻抗Reqk+jXeqk＝-Rk0-jXk0之和，所以滤波支路在fk频点的总阻抗为0。显然如果滤波支路在fk频点的总阻抗为0或者趋近于0，则全部或者大部分的fk频点的纹波电流必然流经滤波支路，从而使负载上的纹波电压和纹波电流被滤除或者抑制。
常数赋值的控制方法是一种开环的控制方式。如果控制系统存在误差，或者耦合变压器副边短路时的滤波支路阻抗Rk0+jXk0难以准确获得，则可以采用比例积分微分控制或者延时调节控制的反馈闭环形式。如果比例积分微分控制或者延时调节控制构成了稳定的负反馈控制环路，由于通过测算获得的当前滤波支路总阻抗直接作为控制的输入量，加之比例积分微分控制的积分作用，或者延时调节控制对调节量的累加作用，控制系统的稳态也就是滤波支路总阻抗趋于0的状态。所以在fk频点，闭环控制过程将自动调节电阻控制参数pk和电抗控制参数qk使等效生成阻抗Reqk+jXeqk逼近于-Rk0-jXk0，而纹波抑制也将逼近于最优效果。当然，闭环控制的初始状态将pk和qk设置为接近-Rk0和-Xk0的值是有利于滤波控制过程快速稳定的。
综上所述，本发明的有源电力滤波方法及其系统直接控制滤波支路阻抗，从而实现对低频纹波噪声的抑制和消除。该方法无需系统补偿，控制过程不受负载变化的影响。本发明系统的控制目标是使滤波支路在fk(k＝1，2，…，m)频点阻抗为0，这也是该有源电力滤波系统滤除纹波的最优解。又因为可以采用比例积分微分控制或者延时调节控制的反馈闭环形式使控制系统自动寻优，所以本发明的有源电力滤波方法及其系统具有更好的纹波抑制效果。本发明通过解耦处理实现了对控制系统从测量滤波支路电流到耦合变压器原边输出受控电压的总相移的补偿，从而解决了测量、带通滤波、加权求和、H1移相滤波、求和计算、脉宽调制、脉冲驱动、电压逆变和变压器耦合这些处理过程中固然存在的相移对纹波抑制的影响。而且补偿也解决了采样和数字化计算中的延时所造成的相移问题，使控制系统中一些处理过程可以选择采用直观、稳定、可靠、精确的数字化方式实现。
仿真实验表明，本发明有源电力滤波方法及其系统的可行性和纹波抑制性能均达到实用要求。
图2是已有的一种有源电力滤波装置及其控制方法的传递函数模型。
图3是本发明的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法的原理框图。
图4是本发明的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波系统当采用常数赋值控制时的总电路框图。
图5是本发明的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波系统中的解耦处理电路框图。
图6是本发明的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波系统当采用比例积分微分控制或者延时调节控制时的总电路框图。
图7是本发明实施例中用来产生包含纹波噪声的直流电压输入信号的500千伏直流输电系统的整流电路。
图8是本发明实施例中作为有源电力滤波系统输出负载的电路。
图9是本发明实施例中所采用的单调谐无源滤波装置的电路。
图10是本发明实施例中采用的Hf1、Hf2、Hf3和Hf4带通滤波处理的幅频响应曲线。
图11是本发明实施例中采用的H1移相滤波的幅频响应和相频响应曲线。
图12是本发明实施例中采用的H2移相滤波的幅频响应和相频响应曲线。
图13是本发明实施例中HH2(j2πf)HH1(j2πf)]]>的相频响应曲线。
图14是对本发明实施例基于延时调节控制的仿真所获得的耦合变压器副边从短路到接入逆变电压时的输入脉宽调制处理的参考信号波形。
图15是对本发明实施例基于延时调节控制的仿真所获得的耦合变压器副边从短路到接入逆变电压时的输出端电压波形。
图16是对本发明实施例基于延时调节控制的仿真所获得的耦合变压器副边从短路到接入逆变电压时的输出端电流波形。
图17是对本发明实施例基于延时调节控制的仿真所获得的耦合变压器副边从短路到接入逆变电压时的输出端电流中600赫兹纹波成分的有效值变化曲线。
本发明有源电力滤波方法及其系统的实施例的输出负载如图8所示。在图8中包括一条200公里的输电线路，输电线采用距离地面50米、间距0.46米的双分裂导线，正上方高8米是防雷地线，大地作为回路电极。输电线另一端有L1＝0.597亨的平波电抗器，R1＝250欧负载电阻，以及由三个电容(C1＝0.84微法，C2＝3.0微法，C3＝0.209微法)、两个电感(L2＝0.84毫亨，L3＝0.336亨)和两个电阻(R2＝10千欧，R3＝6.3欧)构成的无源滤波电路。
本发明有源电力滤波方法及其系统的实施例当采用常数赋值获得电阻控制参数pk和电抗控制参数qk时的电路框图如图4中所示，当采用比例积分微分控制或者延时调节控制时的电路框图如图6所示。由于关心的纹波频点是600、1200、1800、2400赫兹，所以m＝4，f1＝600Hz，f2＝1200Hz，f3＝1800Hz，f4＝2400Hz。图4和图6中，输入线路一端串入的平波电抗器Ls取0.2亨；与耦合变压器原边串联后再一起并联在输出端口的无源滤波装置采用如图9所示的单调谐电路，其中电容CC＝1.0微法，电感LC＝0.0312亨，谐振频率为900赫兹，显然无源滤波装置相对直流是开路状态，直流电压将加载到电容CC上；耦合变压器的变比为20千伏∶10千伏，即n＝2，耦合变压器的短路阻抗相对其它电路参数可以忽略不计；一个输出Ud＝5.0千伏的直流电源经过由4支IGBT以及与IGBT反向并联的4支二极管构成的单相电压型逆变电路接入耦合变压器的副边。耦合变压器的变比n和直流电源电压Ud的乘积为n.Ud＝10.0千伏，大于耦合变压器副边短路时滤波电路输出端口在关心频率范围内的纹波电压的最大幅值(约3千伏)。
在本发明实施例中，控制方法的第一步先通过电流互感器测量出并联滤波支路电流，单位取千安。由于实施例中的带通滤波、加权求和、移相滤波以及求和获取脉宽调制参考波的过程均采用数字方式实现，所以测量过程还包括对获得的连续测量信号进行采样的处理，采样频率取20千赫兹，得到离散的滤波支路电流信号iAPF(n)。而后，iAPF(n)输入到分别对应600、1200、1800、2400赫兹的四个带通数字滤波器，它们的Z变换表示的传递函数形式分别为Hf1(z)=0.0055900155·(1-z-2)1-1.9535925·z-1+0.98881997·z-2]]>Hf2(z)=0.0073086810·(1-z-2)1-1.8459621·z-1+0.98538264·z-2]]>Hf3(z)=0.0053297099·(1-z-2)1-1.6796558·z-1+0.98934058·z-2]]>Hf4(z)=0.0067989292·(1-z-2)1-1.4480248·z-1+0.98640214·z-2]]>Hf1、Hf2、Hf3和Hf4四个带通滤波器的幅频响应曲线分别如图10中(a)、(b)、(c)和(d)所示。对滤波处理后得到的分别对应600、1200、1800、2400赫兹的纹波成分i1、i2、i3和i4进行两组加权求和，得到第一个加权求和电流信号isum1＝a1·i1+a2·i2+a3·i3+a4·i4和第二个加权求和电流信号isum2＝b1·i1+b2·i2+b3·i3+b4·i4。
当采用常数赋值控制获得电阻控制参数pk和电抗控制参数qk时，忽略耦合变压器的阻抗，依据无源滤波器在600、1200、1800、2400赫兹的阻抗j(-147.64)、j102.61、j264.44、j404.17，通过图4中的可调直流信号产生电路将电阻控制参数pk和电抗控制参数qk设置为如下常数p1＝p2＝p3＝p4＝0.0；q1＝147.64；q2＝-102.61；q3＝-264.44；q4＝-404.17。
采用比例积分微分控制或者延时调节控制获得电阻控制参数pk和电抗控制参数qk时，首先需要测量并联滤波支路的电压uAPF和并联滤波支路电流iAPF。再对uAPF进行傅立叶变换，获得滤波支路电压uAPF在600、1200、1800、2400赫兹的纹波有效值Uf1、Uf2、Uf3、Uf4和纹波相位uf1、uf2、uf3、uf4；同时，对iAPF进行傅立叶变换，获得滤波支路电流iAPF在600、1200、1800、2400赫兹的纹波有效值If1、If2、If3、If4和纹波相位if1、if2、if3、if4。而后按照如下公式计算滤波支路分别在600、1200、1800、2400赫兹的支路阻抗 其中，k＝1，2，3，4。
实施例如果采用比例积分微分控制可以将Rk和Xk输入具有如下传递函数形式的比例积分微分控制电路HPID(s)=-(0.5+90s)·11+0.01s]]>并输出得到电阻控制参数pk和电抗控制参数qk。
实施例如果采用延时调节控制，则控制系统当检测滤波支路的600、1200、1800、2400赫兹纹波电流成分占总纹波电流的80％以上时，判断主电路不处于过渡过程。测量的滤波支路阻抗经过离散化后，可以采用当前值或者当前值与所存储的前一组离散值的差分数据经过加权求和的结果作为反馈控制调节量。但本实施例为简单起见，采用了形式为-0.8·Rk和-0.8·Xk(k＝1，2，3，4)的一个比例项作为反馈控制调节量。当主电路和滤波支路不处于过渡过程时，每隔0.01秒该调节量与当前的电阻控制参数pk0和电抗控制参数qk0求和，得到新输出的电阻控制参数pk和电抗控制参数qk，即 如果t0是控制起动时刻，则初始状态将电阻控制参数pk和电抗控制参数qk设置为常数赋值控制中所估算的参数结果，即p1(t0)＝p2(t0)＝p3(t0)＝p4(t0)＝0.0；q1(t0)＝147.64；q2(t0)＝-102.61；q3(t0)＝-264.44；q4(t0)＝-404.17。
采用常数赋值控制、或者比例积分微分控制、或者延时调节控制获得电阻控制参数pk和电抗控制参数qk后，再按照图5所示电路实现如下表达公式的解耦处理，从而得到频域解耦加权系数ak和bk(k＝1，2，3，4)akbk=AΔAk·AH·n·Ud·cosθksinθk-sinθkcosθk·pkqk(k=1,2,3,4)]]>其中，调制三角波幅值AΔ＝5.0；带通滤波增益Ak＝1.0(k＝1，2，3，4)；移相滤波增益AH＝1.0；耦合变压器变比n＝2.0；直流电源电压Ud＝5.0；从测量滤波支路电流到耦合变压器原边输出受控电压的总相移在600、1200、1800、2400赫兹分别取θ1＝-0.36828弧度，θ2＝-1.89014弧度，θ3＝-2.84317弧度，θ4＝-3.54499弧度。于是，按照上述的参数，通过图5中的可调直流信号产生电路产生数值为AΔAk·AH·n·Ud·cosθk]]>和AΔAk·AH·n·Ud·sinθk]]>的两个常信号，输入的pk和qk再通过四个乘法器、一个加法器和一个减法器，最后输出得到频域解耦加权系数ak和bk。
加权求和电流信号isum1和isum2分别经过H1和H2移相滤波后得到移相滤波信号ihb1和ihb2。H1和H2移相滤波的Z变换表示的传递函数形式分别为HH1(z)=0.14677965-1.00149913·z-1+1.83187525·z-2-z-31-1.83187525·z-1+1.00149913·z-2-0.14677965·z-3]]>HH2(z)=-0.13884066+0.17122666·z-1+0.9362531·z-2-1.96496093·z-3+z-41-1.96496093·z-1+0.93626531·z-2+0.17122666·z-3-0.13884066·z-4]]>由图11和图12的H1和H2移相滤波的幅频响应和相频响应曲线可见，H1和H2移相滤波对输入信号的幅频增益均为AH＝1.0。由图13的HH2(j2πf)HH1(j2πf)]]>的相频响应曲线可见，在关心的500～3000赫兹频域范围内，HH2(j2πf)HH1(j2πf)]]>的相位为90.00±0.02度。再对移相滤波信号ihb1和ihb2求和得到脉宽调制用的参考波信号iref，即iref＝ihb1+ihb2。脉宽调制采用参考波和调制三角波的比较电路实现。调制三角波发生电路产生频率为10千赫兹，最大幅值为AΔ＝5.0的调制三角波。如果参考波信号iref幅值大于调制三角波的当前幅值，则脉宽调制输出信号经过脉冲驱动电路后将控制逆变电路在耦合变压器副边加载+Ud的电压(以图4和图6中的标注为正电压方向)；如果参考波信号iref幅值小于调制三角波的当前幅值，则脉宽调制输出信号经过脉冲驱动电路后将控制逆变电路在耦合变压器副边加载-Ud的电压。
基于本发明有源电力滤波方法及其系统的实施例进行了仿真计算。这里仅仅给出基于延时调节控制所获得的仿真结果。在开始的0.4秒钟内，耦合变压器副边短路，控制不起作用。在0.4秒之后，单相电压型逆变电路接入耦合变压器副边，本发明方法开始工作。图14给出了从0.38秒到0.50秒的输入脉宽调制的参考信号iref的波形，参考信号iref幅值没有超过调制三角波的最大幅值AΔ。从图15的输出端电压波形和图16的输出端电流波形可见，耦合变压器副边短路时输出端电压和电流包含明显的低频纹波，本发明的方法启动0.05秒后，低频纹波明显消除。进一步的频谱分析能够更清楚地说明低频纹波被抑制的效果。图17给出了输出端电流中的600赫兹纹波成分的有效值的变化曲线，1200、1800和2400赫兹纹波成分的滤除效果与之类似。值得指出的是，本发明有源电力滤波方法及其系统旨在消除低频纹波，但会同时引入电力电子器件开关造成的调制频率的噪声，图15和16也反映出这点。然而在抑制了低频纹波后，高频噪声通过一些简单的滤波电路即可消除。
权利要求
1.有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法含有带通滤波处理实现频域控制的解耦方法，其特征在于该方法是一种利用带通滤波实现频域控制的解耦，又基于相移互差90°的两个移相滤波处理H1和H2来构成滤波支路电阻和电抗的解耦控制，通过调节滤波支路在关心的纹波频点的总阻抗等于零或者趋近于零，从而实现对该频点纹波滤除的方法，该方法依次含有如下步骤(1)测量出并联滤波支路中的电流iAPF；(2)将测量得到的滤波支路电流信号iAPF输入一组通带频点分别为f1、f2、…、fm的带通滤波处理，得到一组包含不同频率纹波成分的纹波电流信号i1、i2、…、im；其中，f1、f2、…、fm是需要滤除的低频纹波的m个组成频率，每个带通滤波处理在其通带频点fi(i＝1，2，…，m)具有最高幅值增益Ai，而它对其它纹波频率信号的衰减率应该大于控制系统实现频域解耦的临界阈值；(3)将滤波得到的纹波电流信号i1、i2、…、im分别乘以频域解耦加权系数a1、a2、…、am，然后求和得到第一个加权求和电流信号isum1，即isum1＝a1·i1+a2·i2+…+am·im；同时，将滤波得到的纹波电流信号i1、i2、…、im分别乘以频域解耦加权系数b1、b2、…、bm，然后求和得到第二个加权求和电流信号isum2，即isum2＝b1·i1+b2·i2+…+bm·im；上述的频域解耦加权系数的计算步骤如下①测量出并联滤波支路两端的电压uAPF和并联滤波支路中的电流iAPF；②由测量得到的并联滤波支路的电压uAPF和电流iAPF计算出滤波支路分别在频点f1、f2、…、fm的阻抗R1+jX1、R2+jX2、…、Rm+jXm；其中，R1、R2、…、Rm是支路阻抗的电阻部分，X1、X2、…、Xm是支路阻抗的电抗部分；③依据滤波支路的阻抗，经过参数的调节控制得到一组电阻控制参数p1、p2、…、pm和一组电抗控制参数q1、q2、…、qm；④将获得的电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)按照如下公式进行解耦处理，并得到频域解耦加权系数ai(i＝1，2，…，m)和bi(i＝1，2，…，m)aibi=AΔAi·AH·n·Ud·cosθisinθi-sinθicosθi·piqi(i=1,2,···,m);]]>其中，AΔ是脉宽调制处理采用的调制信号幅值，Ai(i＝1，2，…，m)是前述第(2)步中通带频点为fi(i＝1，2，…，m)的带通滤波处理的最高幅值增益，n是耦合变压器的变比，Ud是为单相电压型逆变电路供电的直流电源的输出电压，θi(i＝1，2，…，m)是从滤波支路电流iAPF的测量过程，经过带通滤波处理、加权求和、H1移相滤波、求和、脉宽调制、脉冲驱动、电压逆变和变压器耦合的一系列处理，到获得耦合变压器原边受控电压的整个过程在fi(i＝1，2，…，m)频点的总相移；(4)将上述第(3)步获得的第一个加权求和电流信号isum1经过第一组移相滤波H1后，得到第一个移相滤波信号ihb1；同时，将上述第(3)步获得的第二个加权求和电流信号isum2经过第二组移相滤波H2后，得到第二个移相滤波信号ihb2；如果两组移相滤波H1和H2的传递函数分别用HH1(s)和HH2(s)表示，则在所关心的纹波频带内，移相滤波H1和H2的传递函数特性应该满足如下关系 其中，f是关心频带内的频率，而且f＞0；AH是任意正常数。在满足控制精度要求的条件下，上述对传递函数特性的约束可以存在一定的误差；(5)将上述第一和第二个移相滤波信号ihb1和ihb2求和得到脉宽调制用的参考波信号iref，即iref＝ihb1+ihb2；(6)将参考信号iref进行脉宽调制处理后获得一组方波脉冲信号；方波脉冲信号的路数等于单相电压型逆变电路中受控的电力电子器件数目，脉宽调制处理的脉冲发生频率应该大于所关心的低频纹波频带上限的2倍，由这组方波脉冲信号控制的单相电压型逆变电路所输出的电压脉冲的占空比应满足下式 其中的AΔ是脉宽调制处理采用的调制信号幅值，取任意正数值；(7)将上述第(6)步获得的方波脉冲信号进行功率放大后去驱动单相电压型逆变电路中的电力电子器件，用以改变具有直流电源供电的单相电压型逆变电路输出的电压脉冲的占空比，并且使该电压脉冲的占空比满足步骤(6)中要求；(8)将上述电压脉冲加载到耦合变压器副边，并通过耦合变压器原边作用于和无源滤波装置串联所构成的滤波支路，用以在与该滤波支路相并联的电路输出端口得到低频纹波被滤波后的电压和电流输出信号。
2.根据权利要求1所述的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法，其特征在于在所述的步骤(3)的频域解耦加权系数的计算过程的第③步中，参数的调节控制是通过常数赋值控制实现的，它根据耦合变压器副边短路时滤波支路在频点f1、f2、…、fm的阻抗值R10+jX10、R20+jX20、…、Rm0+jXm0，按照如下公式对电阻控制参数pi和电抗控制参数qi赋值
3.根据权利要求1所述的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法，其特征在于在所述的步骤(3)的频域解耦加权系数的计算过程的第③步中，参数的调节控制是通过比例积分微分控制实现的，它将计算得到的滤波支路电阻Ri(i＝1，2，…，m)和电抗Xi(i＝1，2，…，m)作为输入，经过比例、积分、微分、惯性或者求和处理过程，以使系统基于fi(i＝1，2，…，m)频点的滤波支路电阻和电抗构成负反馈控制，输出得到电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)。
4.根据权利要求1所述的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法，其特征在于在所述的步骤(3)的频域解耦加权系数的计算过程的第③步中，参数的调节控制是通过延时调节控制实现的，它将计算得到的滤波支路电阻Ri(i＝1，2，…，m)和电抗Xi(i＝1，2，…，m)作为输入，在离散化后经过比例、差分、存储或者求和处理过程，用以获得分别对应fi(i＝1，2，…，m)频点的滤波支路电阻和电抗的一组负反馈控制调节量，并当滤波支路关心频点的纹波电流占总纹波量的比例超过设定值时，该设定值的取值在0.0～1.0范围内，再将这组控制调节量以一定的时间间隔分别与当前的电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)求和，获得新输出的电阻控制参数pi(i＝1，2，…，m)和电抗控制参数qi(i＝1，2，…，m)。
5.根据权利要求1所述的有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法而提出的有源电力滤波系统含有有源电力滤波电路，其特征在于该系统包含如下部分有源电力滤波电路，它含有串接在包含纹波噪声的直流电压输入信号的入端线路上的平波电抗器；由用以承担直流电压的无源滤波装置和耦合变压器的原边串联所构成的并联在输出端口的平波电抗器和回路电极之间的滤波支路；输出接入到耦合变压器副边的单相电压型逆变电路；输出接入到单相电压型逆变电路输入端的直流电源；安装在滤波支路上的电流互感器；安装在滤波支路两端之间的电压互感器；依次与电流互感器的测量输出端串接的一组带通滤波器、由乘法器和加法器构成的加权求和电路、H1和H2移相滤波器、加法器以及脉宽调制电路；频域解耦加权系数计算电路，包括以电压互感器和电流互感器测量获得的滤波支路电压和电流信号作为输入的一组分别对应fi(i＝1，2，…，m)频点的支路电阻计算电路和支路电抗计算电路，以及参数的调节控制电路和解耦处理电路；脉冲驱动电路，其输入端与上述脉宽调制部分输出的脉冲信号相连接，而其输出端则与单相电压型逆变电路的触发控制端相连接；在上述的有源电力滤波系统中，耦合变压器的变比n(n＞0)和直流电源输出电压Ud(Ud＞0)应该满足n×Ud大于耦合变压器副边短路时输出端口在关心频率范围内的纹波电压的最大幅值。
全文摘要
有直流源的支路阻抗解耦控制的有源电力滤波方法及系统，属于直流输电领域。其特征在于该方法是一种利用带通滤波实现频域控制的解耦，又基于相移互差90°的两个移相滤波处理来构成滤波支路电阻和电抗的解耦控制，通过调节滤波支路在关心的纹波频点的总阻抗等于零或者趋近于零，从而滤除该频点纹波的方法。其系统的特征在于滤波支路上的电流经带通滤波、加权求和后，再通过移相滤波、求和、脉宽调制和脉冲驱动，去控制已有的具有直流源供电的有源电力滤波器。该方法无需系统补偿便实现了对低频纹波噪声的滤除，同时也解决了采样和数字化延时所造成的相移问题，原理清楚，易于实现。
文档编号H02M1/14GK1477770SQ0313763
公开日2004年2月25日 申请日期2003年6月9日 优先权日2003年6月9日
发明者庞浩, 王赞基, 庞 浩 申请人:清华大学