专利名称：一种数字模拟混合式有源电力滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型属T电力谐波抑制领域，具体涉及一种数字模拟混合式并联W有源电力滤 波器。
背景技术：
随着现代「.业技术的发展，屯力系统中非线性负荷大量增加。各种电力电子装置的广 泛应用提高了人类生产和生活的效率，但这些装置产生的人量谐波也造成了电能质量的日 益恶化。电能质量问题主要表现在电压的短时中断(outrage)、脉冲(i即ulse)、浪涌 (surge)、跌落(sags)等。电能质量的F降严茧影响着供、用电设备的安全运行，降低 了人民的生活质量。世界各国已经十分重视电能质量的管理，而谐波治理是电能质量问题 的核心内容之一。
目前，谐波治理的一个重耍趋势是采用有源电力滤波器(Active Power Filter—APF)。 在实际应用中绝大多数均采用并联观有源滤波器，其原理是通过检测检测t线性负载中的 谐波电流，将该谐波作为控制屯路的指令信号控制主屯路产生与言线性负载屯流中的谐波 电流大小相等、方向相反的补偿电流，因而两者相互抵消，最终理论上屯源屯流中只含基 波，不含谐波，从而达到抑制电源侧谐波电流的目的。目前，我国已开始推广有源滤波器 的应用，已有要求在建筑中使用有源滤波器的相关政策法规山台。
有源电力滤波器(APF)进行补偿的关键是检测出非线性负载中的谐波屯流。数字式有 源滤波器采用dq0变换法检测出谐波电流。近年来流行采用单片机或基丁- DSP g算实现dq0 变换，其优点在T谐波检测精度高,但该方法响应延时至少1周波且需耍人呈的运算呈，另 外开发成本高周期长，用户维护困难。而随着模拟电路的发展，集成化程度的提高，模拟 电路实现谐波电流检测的精度不断地提高。采ffl模拟电路检测谐波电流还有可提高系统响 应速度、实时性好、物理结构清晰、调试方便节优点。
PWM控制技术在逆变电路中a冇广泛的应用，是有源滤波器中的另一关键技术。随着科 研人员对P柳技术的人m研究，产生了多种P柳控制技术，土要有止弦波脉宽调制(SPWM) 技术、消除指定次数谐波的PWM (SHEPWM)技术、电流滞环跟踪PWM (CHEPWM)控制技术和 电压空间矢量PWM (SVPWM)控制技术。以上各种PWM技术各有优缺点，在实际中都有相关 的应用，同时新的PWM技术仍在不断地发展。采用数字电路实现PWM控制贝有精度高、控 制方法更新容易的优点。
发明内容
技术问题鉴丁-数字和模拟电路各ftl的优缺点，本实用新型的目的综合上述优点提供 一种数字模拟混合式有源电力滤波器，该滤波器精度高、实时性好、系统响应速度快、调 试方便，能够冇效地抑制1l"-线性负载中的谐波电流。技术方案本实用新艰的一种数字模拟混合式有源电力滤波器包括模拟谐波电流检测 单元、直流稳压单元、电流跟踪控制单元、数字PWM发生和数字保护单元、逆变电路；其
中，模拟谐波电流检测单元的输入端接负载电流L，直流稳压单元的输入端接直流屯容电
压Udc和二相电源相电压Ua、 Ub、 Uc,模拟谐波电流检测单元、直流稳压单元的输山端分 别接加法器的正负输入端，加法器输出的指令电流L和逆变电路输出的的补偿电流i,分别 与电流跟踪控制单元中第—减法器的输入端相接，第—减法器的输出端接比例积分控制器， 比例积分控制器的输出端接数字PWM发生以及数字保护单元的输入端，数字PWM发生以及 数字保护单元的输出信号接逆变电路；
模拟谐波电流检测单元采用模拟芯片将负载屯流h中基波分量和谐波分呈分离后实时 检测出L中的谐波分量，直流电容稳压单元以直流电容电压Udc和二相电源相电压Ua、 Ub、 Uc作为输入，调制后产生维持电容电压稳定所需要的有功电流；
电流跟踪控制单元由第一减法器和比例积分控制器实现补偿屯流跟踪控制，第—减法 器的一个输入端接收指令电流，另一个输入端接收主电路产生的补偿电流，差值送入比例 积分控制器，第二减法器和比例积分控制器都由模拟器件构成；
数字PWM发生以及数字保护单元产生PWM信号控制主电路产生补偿电流，数字PWM发 生以及数字保护单元使用DSP、 ARM或单片机等数字控制器实现，其输入是电流跟踪控制单 元中比例积分控制器产生的信号，输出是相应的PWM信号。
所述指令电流是模拟谐波电流检测单元检测出的谐波4i流与直流稳压单元产生的有功 屯流经过第—减法器由谐波电流减i有功屯流得到。
直流稳压单元包括比例积分控制器、比例屯路、乘法器、第一减法器、第—减法器； 直流电容电压Ud"和检测到的直流电容的电压Udc经过减法器相减后作为比例积分控制器 的输入信号，比例积分控制器的输出值就是维持电容屯压稳定所需的有功电流的幅值信号， 二相电源相电压经过比例电路衰减后得到有功电流的相位信号，幅值信号和相位信号经过 乘法器相乘得到维持电容电压稳定所需耍的有功电流。
直流稳压单元所用的器件都是模拟器件，乘法器使用集成模拟四象限乘法器，且乘法 器的一个输入信号电源相电压在比例电路袞减前还需经过滤波处理，滤除电压信号中可能 存在的电压谐波分量。
保护采用数字式保护，包括检测谐波电流过电流保护、补偿电流过电流保护、宵.流屯 容过压保护、直流电容欠压保护、IPM故障保护、IPM过热保护。
有益效果本实W新型A有一 F技术特点
1. 非线性负载中的谐波屯流采用集成模拟芯片检测，不需耍复杂的算法和相应人的运算 呈，系统响应速度、实时性好、物理结构清晰、调试方便。
2. 直流屯压稳压也是采用模拟方式，直流稳压所需要的有功电流的幅值分^和相位分讨
分别通过直流电容电压和系统相屯压经过调制得到，经过高精度的四象限模拟乘法器合成 为要求的有功电流。
3. PWM的产生和保护采用数字控制器实现，可靠地产生PWM信号，同时容易实现死区控 制和多种保护功能。
图1为本实用新型的控制系统总体框图2为本实用新型的模拟式谐波电流检测原理框图。
以上的图中有；模拟谐波电流检测单元l、直流稳压单元2、电流跟踪控制单元3、数
字p柳发生和数字保护单元4、逆变电路5;第一减法器i、加法器m、第二减法器IV、比
例积分控制器PIl、比例电路1/K、乘法器II。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
本实用新型提出一种数字模拟混合式有源屯力滤波器，包括模拟谐波电流检测单元、 直流稳压单元、电流跟踪控制单元、数字P卿发生以及数字保护单元。模拟谐波电流检测 单元采用模拟芯片将非线性负载电流中的基波分量和谐波分量分离以实时检测出非线性负 载电流中的谐波分量；直流电容稳压单元以直流电容电压和三相电源相电压作为输入，调 制后产生维持电容电压稳定所需要的有功电流；电流跟踪控制单元由减法器和比例积分控 制器实现补偿电流跟踪控制，减法器的一个输入端接收指令电流，另一个输入端接收主电 路产生的补偿电流，差值送入比例积分控制器，减法器和比例积分控制器都由模拟器件构 成；数字PWM发生以及数字保护单元产生P柳信号控制主电路产生补偿电流，数字PWM发 生以及数字保护单元使用DSP、 ARM或单片机等数字控制器实现，其输入是电流跟踪控制单 元中的比例积分控制器产生的信号，输出是相应的PWM信号。
上述指令电流是模拟谐波电流检测单元检测出的谐波电流与直流稳压单元产生的有功 电流经过减法器由谐波电流减去有功电流得到。直流电容屯压Ud"和检测到的直流屯容的 电压Udc经过减法器相减后作为比例积分控制器(PI1)的输入信号，比例积分控制器(PI1) 的输出值就是维持电容电压稳定所需的有功电流的幅值信号，二相电源相电压经过1/K衰 减后得到有功电流的相位信号，幅值信号和相位信号经过乘法器相乘后得到维持电容电压 稳定所需耍的有功电流。直流稳压单元中所用的器件都是模拟器件，为提高系统的精度乘 法器应使用集成四象限模拟乘法器，且乘法器的一个输入信号电源相电压在1/K衰减前还 需经过滤波处理，滤除电压信号中可能存在的电压谐波分量。
上述的一种数字模拟混合式并联型有源电力滤波器，其保护采用数字式保护，包括检 测谐波电流过电流保护、补偿电流过电流保护、直流电容过压保护、直流电容欠压保护、 IPM故障保护、IPM过热保护。
如图1所示，本实用新型所提供的数字模拟式并联型有源电力滤波器，主要由主电路 和控制电路组成，其中控制电路包括模拟谐波电流检测单元l、直流稳压单元2、电流跟 踪控制单元3、数字PWM发生以及数字保护单元4。
l.模拟式谐波电流检测方法
模拟谐波电流检测单元1采用模拟芯片将非线性负载屯流k中基波分量和谐波分量分 离后实时检测出k中的谐波分量，不使用数字芯片，其原理如图2所示。集成模拟滤波芯 片采用开关电容式滤波芯片，输入的脉冲频率是基波电压的整数倍分频，非线性负载电流 经过集成模拟滤波芯片只含基波和少量的开关次谐波信号，经过较高截止频率的低通滤波 器后滤除其中的开关次谐波后只剩下基波分量i,、由非线性负载电流ii.经过减法器减去分 离出的基波分量i,后得到需要检测的谐波电流L,。直流电容稳压单元以直流电容电压和三相电源相电压作为输入，调制后产生维持电容 电压稳定所需要的有功电流，如图1所示。
直流电容电压Udc^和检测到的直流电容的电压Udc经过减法器相减后作为比例积分控 制器(PI1)的输入信号，比例积分控制器(PI1)的输出值就是维持电容电压稳定所需的 有功电流的幅值信号，二相电源相电压经过1/K衰减后得到有功电流的相位信号，幅值信 号和相位信号经过乘法器相乘后得到维持电容电压稳定所需要的有功电流。直流稳压单元 中所用的器件都是模拟器件，为提高系统的精度乘法器应使用集成四象限模拟乘法器，且 乘法器的一个输入信号电源相电压在1/K衰减前还需经过滤波处理，滤除电压信号中可能 存在的电压谐波量。
3. 指令电流及电流跟踪控制
指令电流是模拟谐波电流检测单元检测出的谐波电流与直流稳压单元产生的有功电流 经过减法器由谐波电流减去有功电流得到。电流跟踪控制单元由减法器和比例积分控制器 实现补偿电流跟踪控制，减法器的一个输入端接收指令电流，另一个输入端接收主电路产 生的补偿电流，差值送入比例积分控制器，减法器和比例积分控制器都由模拟器件构成， 如图l所示。
4. 数字PWM发生以及数字保护
数字PWM发生以及数字保护单元使用DSP、 ARM或单片机等数字控制器实现，其输入是 电流跟踪控制单元中的比例积分控制器产生的信号，输出是相应的PWM信号，如图l所示。
PWM的产生有多种方式正弦波脉宽调制(SPWM)技术、消除指定次数谐波的PWM(SHEPWM) 技术、电流滞环跟踪PWM (CHEPWM)控制技术和电压空间矢量PWM (SVPWM)控制技术等。 本发明使用正弦波脉宽调制(SPWM)技术将电流跟踪控制单元中的比例积分控制器输出的 控制信号调制成PWM信号，控制主电路产生跟随指令信号的补偿电流，抑制电源侧的谐波 电流。
数字式保护，包括检测谐波电流过电流保护、补偿电流过电流保护、直流电容过压保 护、直流电容欠压保护、IPM故障保护、IPM过热保护。保护由数字式控制器实现，使用最 高优先级中断，保护主电路可靠、安全的运行。
权利要求1.一种数字模拟混合式有源电力滤波器，其特征在于该滤波器包括模拟谐波电流检测单元(1)、直流稳压单元(2)、电流跟踪控制单元(3)、数字PWM发生和数字保护单元(4)、逆变电路(5)；其中，模拟谐波电流检测单元(1)的输入端接负载电流iL，直流稳压单元(2)的输入端接直流电容电压Udc和三相电源相电压Ua、Ub、Uc，模拟谐波电流检测单元(1)、直流稳压单元(2)的输出端分别接加法器(III)的正负输入端，加法器(III)输出的指令电流ic和逆变电路(5)输出的的补偿电流if分别与电流跟踪控制单元(3)中第二减法器(IV)的输入端相接，第二减法器(IV)的输出端接比例积分控制器(PI2)，比例积分控制器(PI2)的输出端接数字PWM发生以及数字保护单元(4)的输入端，数字PWM发生以及数字保护单元(4)的输出信号(PWM)接逆变电路(5)；模拟谐波电流检测单元(1)采用模拟芯片将负载电流iL中基波分量和谐波分量分离后实时检测出iL中的谐波分量，直流电容稳压单元(2)以直流电容电压Udc和三相电源相电压Ua、Ub、Uc作为输入，调制后产生维持电容电压稳定所需要的有功电流；电流跟踪控制单元(3)由第二减法器(IV)和比例积分控制器(PI2)实现补偿电流跟踪控制，第二减法器(IV)的一个输入端接收指令电流，另一个输入端接收主电路产生的补偿电流，差值送入比例积分控制器(PI2)，第二减法器(IV)和比例积分控制器(PI2)都由模拟器件构成；数字PWM发生以及数字保护单元(4)产生PWM信号控制主电路产生补偿电流，数字PWM发生以及数字保护单元(4)使用DSP、ARM或单片机实现，其输入是电流跟踪控制单元(3)中比例积分控制器(PI2)产生的信号，输出是相应的PWM信号。
2. 如权利要求1所述的一种数字模拟混合式有源电力滤波器，其特征在于-所述指令电流是模拟谐波电流检测单元(1)检测出的谐波电流与直流稳压单元(2)产生的有功电流经过第二减法器(IV)由谐波电流减去有功电流得到。
3. 如权利要求1所述的一种数字模拟混合式有源电力滤波器，其特征在于 直流稳压单元(2)包括比例积分控制器(PIl)、比例电路(VK)、乘法器(n)、 第一减法器(I )、第二减法器(IV);直流电容电压UdW和检测到的直流电容的电压Udc经过减法器(I )相减后作为比例积分控制器(PI1)的输入信号， 比例积分控制器(PI1)的输出值就是维持电容电压稳定所需的有功电流的幅值 信号，三相电源相电压经过比例电路(1/K)衰减后得到有功电流的相位信号， 幅值信号和相位信号经过乘法器(II )相乘得到维持电容电压稳定所需要的有功 电流。
4.如权利要求1所述的一种数字模拟混合式有源电力滤波器，其特征在于 直流稳压单元(2)所用的器件都是模拟器件，乘法器(II)使用集成模拟四象限乘法器，且乘法器的一个输入信号电源相电压在比例电路(1/K)衰减前还需经过滤波处理，滤除电压信号中可能存在的电压谐波分量。
专利摘要一种数字模拟混合式有源电力滤波器包括控制电路和与其相连的主电路(5)，控制电路采用模拟和数字混合控制方式，包括模拟谐波电流检测单元(1)、直流稳压单元(2)、电流跟踪控制单元(3)、数字PWM发生以及数字保护单元(4)。本实用新型采用模拟电路检测谐波电流，系统响应速度快、实时性好，且没有计算负载电流的基波和谐波所需的巨大的计算量，采用数字式PWM产生方式能可靠产生PWM信号，同时容易实现死区控制和多种保护功能。
文档编号H02J3/01GK201383683SQ200920037830
公开日2010年1月13日 申请日期2009年2月6日 优先权日2009年2月6日
发明者吴在军, 张海峰, 洪 徐, 汪楠楠, 王宝安, 赵志宏 申请人:英博白云电气技术(扬州)有限公司;东南大学