专利名称：一种最大谐波电流补偿跟踪系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电子技术，更具体地说，涉及一种最大谐波电流补偿跟踪系统。
背景技术：
随着现代工业技术的发展，电力系统中的各种电力电子开关装置逐渐增多，这些电力电子装置的开关动作向电网注入大量的谐波分量，导致交流电网中的电压和电流波形严重畸变。电能质量的下降直接影响着供电、用电设备的安全运行，有源电力滤波器是抑制电网谐波的一种有效工具。现有的有源电力滤波器(APF)通常使用开环补偿的方式，对电网中的谐波信号进 行抑制，这样的开环补偿方式会对电网引入误差的电流信号，无法做到最优的电流补偿，同时这种开环补偿的方式其电流补偿的速度较慢，无法迅速抑制电网中的谐波信号。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术上述有源电力滤波器在抑制电网中的谐波信号时会引入误差且工作效率较低的缺陷，提供一种能克服上述缺陷的最大谐波电流补偿跟踪系统。本实用新型解决上述问题所采用的技术方案为构造一种最大谐波电流补偿跟踪系统，用于抑制电网中非线性负载产生的谐波信号，该系统包括用于探测电网中负载电流大小的负载电流检测器、获取负载电流检测器检测电流中的谐波电流的第一谐波检测器、用于控制谐波参数的谐波系数调节器、输出抑制谐波信号电流的输出电流控制器、检测输出电流的输出电流检测器以及检测电源电流中谐波电流的第二谐波检测器。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，其中负载电流检测器的输入端电连接电网，输出端电连接第一谐波检测器和第二谐波检测器，负载电流检测器从电网中探测负载电流，并将探测结果发送至第一谐波检测器，由第一谐波检测器分离出负载电流中的谐波电流；第一谐波检测器通过谐波系数调节器与输出电流控制器电连接，谐波系数调节器根据检测到的电源电流中的谐波电流的幅值变化方向，更改谐波电流给定的大小；输出电流控制器依据谐波电流给定和输出电流反馈产生脉宽调制信号(PWM)，驱动逆变器向电网注入与谐波电流给定相同的谐波电流；输出电流控制器的输出端通过输出电流检测器与电网电连接，输出电流检测器将为输出电流控制器提供反馈信号；同时输出电流检测器的输出以及负载电流检测器的输出还与第二谐波检测器的输入相连。第二谐波检测器将负载电流检测器的输出减去输出电流检测器的输出，得到电源电流，分析出电源电流中的谐波电流，并将谐波电流传送给谐波系数调节器，谐波系数调节器依据电源电流中谐波电流的大小和变化方向调整谐波电流给定。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，输出电流控制器包括APF输出电流控制器和逆变器。其中APF输出电流控制器根据谐波电流给定和输出电流反馈，产生一系列脉宽调制信号(PWM)，逆变器根据脉宽调制信号，把直流母线电容上的能量逆变至电网。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，其中负载电流检测器为电流互感器或霍尔电流传感器。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，其中第一谐波检测器为快速傅里叶(FFT)/反傅里叶变换器或瞬时无功运算器。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，其中第二谐波检测器为用于将负载电流检测器的输出减去输出电流检测器的输出，得到电源电流，并通过快速傅立叶/反傅里叶变换器或者瞬时无功运算器算出电源电流中谐波电流的谐波检测器。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，其中输出电流检测器为电流互感器或霍尔电流传感器。 本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，其中APF输出电流控制器为比例积分调节器(PI调节器)或滞环电流控制器。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，还包括电源电流检测器，用于探测电源输出电流，电源电流检测器与第二谐波检测器电连接。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，谐波系数调节器为根据电源电流中谐波电流的变化方向调整谐波系数Kf，并把Kf与第一谐波检测器的输出相乘后，输出谐波电流的爬山式谐波系数调节器或者增量导纳式谐波系数调节器采用本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统，利用闭环补偿的方法抑制电网中非线性负载的谐波电流，克服了现有的有源电力滤波器在抑制谐波电流的同时会引入误差电流的缺陷，同时还克服了现有的有源电力滤波器无法快速抑制谐波电流的问题，从而提供了一种快速、低误差的抑制谐波电流系统。
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中，图I为现有的有源电力滤波器的工作示意图；图2. a为未采用有源电力滤波器时的电网电流信号图；图2. b为采用了有源电力滤波器时的电网电流信号图；图3为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统的逻辑图；图4. a为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例一的逻辑图；图4. b为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例一的第二种实现形式的逻辑图；图4. c为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例一的第三种实现形式的逻辑图；图5. a为采用本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统，电源电流中的谐波电流与谐波系数的关系图；图5. b为采用本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统，电源电流中的谐波电流与谐波系数的另一关系图；图6为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例二的逻辑图；图7为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例三的逻辑图；[0028]图8为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例四的逻辑图。
具体实施方式
为更好的解析本实用新型，现结合图I、图2.a和图2. b对现有的有源电力滤波器进行简要说明。如图I所示为现有的有源电力滤波器的工作示意图。有源电力滤波器在电源与非线性负载间接入电网，图中i-d代表负载电流，is为电源电流，isf为负载电流的基波分量，ish为负载电流的谐波分量。当负载为非线性负载时，负载电流i-d中会含有大量的谐波分量，这些谐波分量影响供电质量与用电设备的安全。当有源电力滤波器未开启时，则电源电流与负载电流相等，如图2. a所示。
·[0033]当有源电力滤波器开启后，有源电力滤波器向电网注入与负载中的谐波电流大小相等，方向相同的谐波电流，如图2. b所示。即开启有源电力滤波器后，谐波电流将会得到抑制，保证电网中传输的电流波形与电源传输的电压波形相一致。如图I所示的有源电力滤波器一般采用开环补偿的方式，这样的补偿方式会引入补偿电流误差，并且开环补偿的方式难以快速使谐波电流得到抑制，为了克服上述的缺陷，本实用新型提供一种如图3所示的最大谐波电流补偿跟踪系统。如图3所示的最大谐波电流补偿跟踪系统，包括用于探测电网中负载电流大小的负载电流检测器100、获取负载电流检测器检测电流中的谐波电流的第一谐波检测器200、用于控制谐波参数的谐波系数调节器300、输出抑制谐波信号电流的输出电流控制器400、检测输出电流的输出电流检测器500以及检测电网电流中谐波电流的第二谐波检测器600。其中负载电流检测器100的输入端电连接电网，输出端电连接第一谐波检测器200，负载电流检测器100从电网中检测负载电流，并将检测结果发送至第一谐波检测器200，由第一谐波检测器200分离出负载电流中的谐波电流；第一谐波检测器200通过谐波系数调节器300与输出电流控制器400电连接，谐波系数调节器300根据电源电流中谐波大小和变化方向，改变谐波电流给定的大小，并把谐波电流给定发送至输出电流控制器400。输出电流控制器400根据谐波电流给定和输出电流反馈，生成脉宽调制信号(PWM)，控制逆变器产生用于抑制谐波电流的补偿电流；输出电流控制器400的输出端通过输出电流检测器500与电网电连接，输出电流检测器500将输出电流反馈给输出电流控制器。输出电流检测器500的输出和负载电流检测器100的输出还电连接第二谐波检测器600。第二谐波检测器600把负载电流检测器的输出减去输出电流检测器的输出，得到电源电流，并提取电源电流中的谐波电流，输出给谐波系数调节器300。谐波系数调节器300根据电源电流的谐波电流大小和变化方向更改谐波电流给定。如图4. a为本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统实施例一的逻辑图，该最大谐波电流补偿跟踪系统包括负载电流检测器100，与负载电流检测器100电连接并用于检测探测结果中谐波电流的第一谐波检测器200，第一谐波检测器200的输出端与谐波系数调节器300电连接，谐波系数调节器300依据第二谐波检测器600检测的谐波电流大小和变化方向调整谐波系数Kf，改变谐波电流给定，APF输出电流控制器401依据谐波电流给定和输出电流检测器500检测的谐波电流反馈产生驱动逆变器402的脉宽调制信号(PWM)；APF输出电流控制器401的输出端与逆变器402电连接，逆变器402根据脉宽调制信号(PWM)向电网注入抑制电源电流中谐波电流所需的电流，逆变器402通过输出电流检测器500连接到电网中，输出电流检测器500还连接APF输出电流控制器401的输入端。在本实施例的最大谐波电流补偿跟踪系统中，还包括第二谐波检测器600，第二谐波检测器600的输入端与负载电流检测器100和输出电流检测器500电连接。依据电源电流is、负载电流Lad和输出电流iApf存在以下关系is = i_d-iApf，第二谐波检测器600首先将负载电流检测器100的输出减去输出电流检测器500的输出，得到电源电流，再从中分离出谐波信号。第二谐波检测器600的输出端连接谐波系数调节器300的输入端，谐波系数调节器300依据第二谐波检测器600的检测结果调节谐波系数，从而改变谐波电流给定。优选的，负载电流检测器100为电流互感器或霍尔电流传感器。
优选的，输出电流检测器500为电流互感器或霍尔电流传感器。优选的，APF输出电流控制器401为PI调节器或滞环电流控制器。如图4. b为本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统实施例一的第二种实现形式的逻辑图。与图4. a相比，在图4. b中，第二谐波检测器600没有与输出电流检测器500和负载电流检测器100连接，而是通过一个电源电流检测器501连接第二谐波检测器600的输入端，直接检测出所需要的谐波信息。如图4. c为本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统实施例一的第三种实现形式的逻辑图。与图4. b相比，在图4. c中删除了负载电流检测器100。依据电源电流is、负载电流i-d和输出电流iApf存在以下关系i_d= is+iApf，通过把电源电流和输出电流相加后，也能得到负载电流。在图4. c中，电源电流检测器501的输出与输出电流检测器500的输出相加后，作为第一谐波检测器200的输入。具体的，谐波系数Kf采用如下的方式来循序抑制谐波电流。如图5. a和图5. b所示，为电源中谐波电流ish与谐波系数Kf间的关系变化图。当谐波系数Kf等于O时，有源电力滤波器的谐波电流给定为0，没有输出。此时电源电流的谐波电流等于负载电流的谐波电流。假设负载电流不变的条件下，当谐波系数Kf逐渐增大时，有源电力滤波器的谐波电流给定逐渐增大，则APF的输出电流也逐渐增大，电网电流的谐波电流逐渐减小。当Kf增大至Kfx时，APF的输出电流等于负载电流的谐波电流，此时电网电流的谐波电流最小。我们把Kf = Kfx的点称为最大谐波电流补偿率点。假设负载电流不变的条件下，当谐波系数Kf继续增大，大于Kfx时，APF的输出电流将大于负载电流的谐波电流，电网电流的谐波电流又增大了。如图5. b所示，在区域A，Kf增加，ish减小。Kf减小，则ish增加。在区域B，Kf增力口，ish增加。反之，当Kf减小,则ish减小。通过扰动Kf，然后根据ish的变化方向，确定下一步Kf的扰动方向，最终找到Kfx。第一步，记录当前的电网电流的谐波电流幅值，记为isM。记录当前的Kf值，记为
Kf0。第二步,使Kf 增大一介步长 Δ Kf,记为 Kfl, Kfl = Kf0+ Δ Kf。第三步，记录Kf增大后对应的ish，记为ishl。[0052]第四步,计算Kf改变后引起的ish变化值Δ ish, Δ ish = ishl-ish(l。第五步，根据Λ ish的符号，确定Kf的扰动方向。如果Aish彡0，则满足“Kf增加，ish增加”这一条件，此时Kf处于区域B，应该减小Kf,即Kf2 = Kn-AKf。丢弃ish(l,把ishl记录为ish(l。转第六步继续执行。如果Aish< 0，则满足“Kf增加，ish减小”这一条件，此时Kf处于区域A，应该增大Kf,即Kf2 = Kfl+AKf。丢弃ish(l,把ishl记录为ish(l。转第三步继续执行。第六步,记录Kf减小后对应的ish,记为ishl。第七步,计算Kf改变后引起的ish变化值Δ ish, Δ ish = ishl-ish(l。第八步，根据Λ ish的符号，确定Kf的扰动方向。 如果Aish彡0，则满足“Kf减小，ish增加”这一条件，此时Kf处于区域A，应该增加Kf,即Kf2 = Kfl+AKf。丢弃ish(l,把ishl记录为ish(l。转第三步继续执行。如果Aish< 0，则满足“Kf减小，ish减小”这一条件，此时Kf处于区域B，应该减小Kf,即Kf2 = Kn-AKf。丢弃ish(l,把ishl记录为ish(l。转第六步继续执行。如此循环,最终Kf将稳定在Kfx附近，使得谐波电流的补偿率最大。基于这种闭环调节的方法，依据图3所示的系统，本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统还能以图6-8所示的方式实施。如图6所示，为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统的实施例二，在该实施例中第一谐波检测器200通过APF电流控制器401与逆变器402电连接，APF电流控制器401根据第一谐波检测器的谐波电流检测结果和谐波系数调节器300的输出差向逆变器402发送脉宽调制信号(PWM)，逆变器402根据脉宽调制信号(PWM)向电网中注入谐波电流。同时输出电流检测器500探测输出电流，并将检测的结果发送至与其连接的谐波系数调节器300，在电源端设置有电源电流检测器501，第二谐波检测器600检测电源电流的谐波信号，并将检测结果发送到谐波系数调节器300，谐波系数调节器300根据电源电流中谐波电流变化的方向，调整比例系数Kf，从而调整输出电流反馈。与实施例一不同的是，在实施例二中的为了使谐波系数Kf采用反比例调节的方式，即调节的比例系数为1/Kf，以实现通过调节Kf达到最大的谐波电流的补偿率。谐波系数调节器300的输出端连接APF输出电流控制器401。图7为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例三的逻辑图，本实施例为实施例一的一种等效变换，包括与实施例一相同的第一谐波检测器200、负载电流检测器100、APF输出电流控制器401、逆变器402。在电源端设置有电源电流检测器501，第二谐波检测器600检测电源电流的谐波信号，并将检测结果发送到谐波系数调节器300，谐波系数调节器300根据第二谐波检测器600的输出调整系数。图8为本实用新型最大谐波电流补偿跟踪系统实施例四的逻辑图，该实施例是一种基于电网电流检测方法的有源电力滤波器，具体的，包括用于探测电网中电源电流的电源电流检测器501、获取电源电流检测器输出的谐波的第一谐波检测器200、用于控制谐波参数的谐波系数调节器300、输出抑制谐波信号电流的APF输出电流控制器401、向电网输出交流电流的逆变器402以及检测输出电流的输出电流检测器500、第二谐波检测器600。其中电源电流检测器501的输入端电连接电网，检测电源输出电流，输出端电连接第一谐波检测器200，电源电流检测器501从电网中探测电源电流，并将探测结果发送至第一谐波检测器200，由第一谐波检测器200分离出电源电流中的谐波电流；第一谐波检测器200输出电连接谐波系数调节器300，谐波系数调节器300的输出与输出电流检测器500相减后，与APF输出电流控制器401电连接。电源电流检测器501的输出连接第二谐波检测器600检测电源电流的谐波信号，并将检测结果发送到谐波系数调节器300，谐波系数调节器300根据电源电流的谐波电流的大小和变化方向，调整谐波电流给定。APF输出电流控制器401依据谐波电流给定和输出电流检测器500的反馈，产生脉宽调制信号(PWM)。;APF输出电流控制器401的输出端连接逆变器402，逆变器402根据脉宽调制信号(PWM)向电网中注入交流电流。逆变器402电连接输出电流检测器500，输出电流检测器500还与APF输出电流控制器401电连接。其中图6-8的电路结构也可以作如图4. a、图4. b和图4. c的类似变换第二谐波检测器600的输入端改为电连接输出电流检测器500和负载电流检测器100，依据电流关系is = i^d_iApf，其获得的谐波信号相同。根据电流关系i-d = is+iApf，可以删除负载电流检测器100。电源电流检测器501的输出和输出电流检测器500的输出直接作为第一谐波检测器200的输入。在此不作赘述。以上仅为本实用新型的较优的实施方式，并不用于限定本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以具有各种修改、替换等。凡在本实用新型的创作原则之内所作的任何修改、替换等，均应包含在本实用新型的权利要求范围内。
权利要求1.一种最大谐波电流补偿跟踪系统，用于抑制电网中非线性负载产生的谐波电流，其特征在于，所述最大谐波电流补偿跟踪系统包括 用于探测电网中负载电流大小的负载电流检测器(100)； 获取负载电流检测器检测电流中谐波电流的第一谐波检测器(200)； 输出抑制谐波信号电流的输出电流控制器(400)； 用于检测输出电流的输出电流检测器(500)以及获取电源电流中谐波电流的第二谐波检测器￠00)、用于调节谐波参数的谐波系数调节器(300)； 所述负载电流检测器(100)的输入端电连接电网，输出端电连接第一谐波检测器(200)和第二谐波检测器￠00);第一谐波检测器(200)通过谐波系数调节器(300)与输出电流控制器(400)电连接；输出电流控制器(400)的输出端通过输出电流检测器(500)与电网电连接；输出电流检测器(500)还与输出电流控制器(400)电连接；第二谐波检测器(600)的输入端电连接输出电流检测器(500)和负载电流检测器(100)的输出端；第二谐波检测器￠00)的输出端电连接谐波系数调节器(300)的输入端。
2.根据权利要求I所述的最大谐波电流补偿跟踪系统，其特征在于，所述输出电流控制器(400)包括APF输出电流控制器(401)和逆变器(402)。
3.根据权利要求I或2所述的最大谐波电流补偿跟踪系统，其特征在于，所述负载电流检测器(100)为电流互感器或霍尔电流传感器。
4.根据权利要求I或2所述的最大谐波电流补偿跟踪系统，其特征在于，所述输出电流检测器(500)为电流互感器或霍尔电流传感器。
5.根据权利要求I或2所述的最大谐波电流补偿跟踪系统，其特征在于，所述第一谐波检测器(200)为快速傅里叶/反傅里叶变换器或瞬时无功运算器。
6.根据权利要求2所述的最大谐波电流补偿跟踪系统，其特征在于，第二谐波检测器(600)为用于将负载电流检测器的输出减去输出电流检测器的输出，得到电源电流，并通过快速傅立叶/反傅里叶变换器或者瞬时无功运算器算出电源电流中谐波电流的谐波检测器。
7.根据权利要求2所述的最大谐波电流补偿跟踪系统，其特征在于，所述APF输出电流控制器(401)为比例积分调节器或滞环电流控制器。
8.根据权利要求I或2所述的最大谐波电流补偿跟踪系统，其特征在于，所述谐波系数调节器(300)为根据电源电流中谐波电流的变化方向调整谐波系数Kf，并把Kf与第一谐波检测器(200)的输出相乘后，输出谐波电流的爬山式谐波系数调节器或者增量导纳式谐波系数调节器。
专利摘要本实用新型涉及一种最大谐波电流补偿跟踪系统，包括用于探测电网中负载电流大小的负载电流检测器、获取负载电流检测器检测电流中的谐波电流的第一谐波检测器、用于控制谐波参数的谐波系数调节器、输出抑制谐波信号电流的输出电流控制器、检测输出电流的输出电流检测器和检测电源电流的谐波电流的第二谐波检测器。本实用新型的最大谐波电流补偿跟踪系统通过谐波系数调节器依据电源电流中的谐波电流进行闭环补偿，实现了快速、高质量的抑制谐波电流。
文档编号H02J3/01GK202616776SQ20122012592
公开日2012年12月19日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者冼成瑜 申请人:深圳市盛弘电气有限公司