专利名称：基于双vsc交互并联谐波补偿开闭环结合的apf装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及ー种多机分次式APF(Active PowerFilter,有源电カ滤波器)装置，具体涉及ー种基于双VSC(Voltage Source Converter,电压源型变流器)交互并联谐波补偿开闭环结合的多机分次式APF装置，用于低压电网大容量高性能完全有源型谐波的治理。
背景技术：
随着低压电网中电カ电子装置等非线性负载的广泛使用，低压电网谐波含量日益増加，严重影响电网电能质量。采用APF装置完全有源型谐波治理是当前公认的最好的谐波治理方法，但当前大容量且高性能的谐波治理需求使得APF出现技术难点。如果单机APF要实现大容量且高性能谐波补偿输出，需要并网电感高感量和直流侧高电压、开关器件大电流且高开关频率，这些需要当前电カ电子开关器件(IGBT等)很难同时满足，因此APF多机并联成为当前实现大容量且高性能谐波治理的主流方向。目前APF多机并联实现低压大电流谐波补偿有以下三种方法(I)APF多机并联+无源滤波组的混合型谐波治理，其中APF补偿高频段次小电流谐波，无源滤波组补偿低频段次大电流谐波，这种方法的缺点是低压大电流谐波补偿主要是无源滤波出力，不完全具有有源型谐波治理的优点，虽然实现了谐波治理的大容量但未实现谐波治理的高性能要求。(2)APF多机全补偿的完全有源型谐波治理，其中并机单元模块相同，所有并机单元全补偿且相同出力，运行模式相同(开环或者闭环)，这种方法的缺点是单机全补偿需要较高开关频率，限制了单机输出容量，从而大容量输出需要过多并机単元，成本大大提高；各并机单元都运行于开环或闭环补偿模式，整机不能兼具开环补偿的动态快速响应特性和闭环补偿的稳态高精度特性；当补偿电流较小时，多机単元需要主控制器參与控制才能实现冗余模式运行，不能自动冗余运行。(3)APF多机交互并联的完全有源型谐波治理，其中所有并机单元共用直流侧电容，各交流侧输出经多绕组变压器并网，这种方法的缺点是虽然有效减少了多机并联直流侧无源器件，但为了抑制多机间环流，交流侧输出需采用多绕组变压器隔离后再并网，这样整机大容量输出时，补偿电流需经变压器后再并网，造成谐波可补偿频段降低、补偿效果变差，而且这种大容量变压器制造困难，体积巨大，运行时会发热严重，使整机损耗过大。综上所述，目前APF多机并联技术存在不同程度缺陷，需要进ー步改进。
实用新型内容实用新型目的针对上述现有技术存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种基于双VSC交互并联谐波补偿开闭环结合的APF装置，使整机有效输出最大化的同时总输出纹波最小化，整机兼具开环补偿的动态快速响应特性和闭环补偿的稳态高精度特性，单机输出容量提升的同时又无需增加DC侧无源器件或提升DC电压，满足电网大容量且高性能谐波治理要求。技术方案为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为ー种基于双VSC交互并联谐波补偿开闭环结合的APF装置，包括主控制器和多个并联的双VSC交互并联功率単元(双VSC交互并联功率単元，也称“并机单元”或“功率単元”)，所述多个并联的双VSC交互并联功率单元采用双VSC交互并联结构，所述双VSC交互并联功率単元包括前向部分、共直流部分(直流侧)和后向部分，所述共直流部分共用电容，前向部分(运行于开环补偿方式)和后向部分(运行于闭环补偿方式)分别依次串联并网电感和共模电感(共模电感用来抑制双VSC间的零序环流)，分别经前向组母线和后向组母线汇流，分别通过网侧补偿点和负载侧补偿点并至电网，网侧补偿点和负载侧补偿点之间的负载电流信号送入各双VSC交互并联功率单元。其中，双VSC直流侧共用电容，交流侧(包括前向部分和后向部分)双端分别串并网电感和共模电感并至电网，这种结构提升单机输出容量的同时，直流(DC)侧无源器件无需增加，DC直流电压无需提升，而且双VSC间的零序环流抑制容易，通过共模电感和合理的PWM方式即可有效抑制；各并机单元的双端输出分别通过两组母线汇流，双补偿点并网， 负载电流检测CT(current transformer,电流互感器)位于双补偿点中间。这种结构将整机分为连网侧补偿点的前向组和连负载侧补偿点的后向组，其中前向组谐波补偿开环，后向组谐波补偿闭环，从而整机谐波补偿开闭环结合，既具开环补偿的动态快速响应特性，又具闭环补偿的稳态高精度特性，另外整机的前向组和后向组无需再特别连线或是控制系统干预即可自动实现冗余模式运行；各并机单元的前向或后向部分均谐波选择性分次补偿，按所补偿电流的频段分为前向或后向的各指定频段次谐波补偿组，并根据电网典型谐波电流有效值随其频次增高而大幅減少的特点，指定低频段次谐波补偿组低开关频率、大电流输出，指定高频段次谐波补偿组高开关频率、小电流输出，同时相同指定频段次谐波补偿组内，采用移相PWM抵消输出开关次谐波。这种多机分次式谐波补偿架构使得整机有效输出最大化和总输出纹波最小化，这样在输出电流相同纹波不变的情况下，并机单元并网电感的可选感量最小化，从而单机动态性能最优化，直流电压和电网电压不变情况下最大理论输出电流最大化。优选的，所述前向部分和后向部分均采用谐波电流分次补偿，按所补偿电流的频段分为前向或后向的各指定频段次谐波补偿组，井根据电网典型谐波电流有效值随其频次增高而大幅減少的特点，将指定低频段次谐波补偿组低开关频率、大电流输出，将指定高频段次谐波补偿组高开关频率、小电流输出，同时相同指定频段次谐波补偿组内，采用移相PWM抵消开关次谐波，从而使整机有效输出最大化，总输出纹波最小化。优选的，还包括主控制器，所述双VSC交互并联功率单元还包括单元控制器，所述主控制器向各单元控制器发送同步信号，所述单元控制器输入负载电流信号、双VSC输出电流信号、网侧线电压信号和所述电容两端的直流电压信号，输出控制双VSC的PWM信号。优选的，所述单元控制器包括直流电压控制外环、前向谐波电流分次控制内环、后向谐波电流分次控制内环、电网电压PLL模块、PWM载波移相同步模块、第一 PWM模块和第ニ PWM模块，所述直流电压控制外环输入直流电压给定值和所述电容两端的直流电压信号的偏差信号、网侧电压PLL模块输出，输出基波正序有功指令电流，分别至前向谐波电流分次控制内环和后向谐波电流分次控制内环；电网电压PLL模块输入电网电压，输出电网电压基波正序实时相位；前向谐波电流分次控制内环输入负载电流信号和前向部分输出电流的偏差、直流电压控制外环输出的基波正序有功指令电流和前向部分输出电流的偏差，输出前向部分指令电压，再至第一 PWM模块输出前向部分PWM驱动信号；后向谐波电流分次控制内环输入负载电流信号、直流电压控制外环输出的基波正序有功指令电流和后向部分输出电流的偏差，输出后向部分指令电压，再至第二 PWM模块输出主电路后向部分PWM驱动信号；PWM载波移相同步模块接收主控制器发出的同步信号，分别向所述第一 PWM模块和第二PWM模块发送载波移相同步信号，实现移相PWM。有益效果(I)并机单元的前向或后向部分均谐波选择性分次补偿，按所补偿电流的频段分为前向或后向的各指定频段次谐波补偿组，井根据电网典型谐波电流有效值随其频次增高而大幅減少的特点，指定低频段次谐波补偿组低开关频率、大电流输出，指定高频段次谐波补偿组高开关频率、小电流输出，同时相同指定频段次谐波补偿组内，采用移相PWM抵消输出开关次谐波。这种多机分次式谐波补偿架构使得整机有效输出最大化和总输出纹波最小化，这样在输出电流相同纹波不变的情况下，并机单元并网电感的可选感量最小化，从而单机动态性能最优化，直流电压和电网电压不变情况下最大理论输出电流最大化。(2)各并机单元的双端输出分别通过两组母线汇流，双补偿点并网，负载电流检测CT位于双补偿点中间。这种结构将整机分为连网侧补偿点的前向组和连负载侧补偿点的后向组，其中前向组谐波补偿开环，后向组谐波补偿闭环，从而整机谐波补偿开闭环结合，既具开环补偿的动态快速响应特性，又具闭环补偿的稳态高精度特性，另外整机的前向组和后向组无需再特别连线或是控制系统干预即可自动实现冗余模式运行。(3)多机并联，并机单元采用双VSC交互并联结构，即双VSC直流侧共用电容，交流侧双端分别串并网电感和共模电感并至电网。这种结构提升单机输出容量的同时，DC侧无源器件无需增加，DC直流电压无需提升，而且双VSC间的零序环流抑制容易，通过共模电感和合理的PWM方式即可有效抑制。
图1为本实用新型整机系统结构图；图2为本实用新型双VSC交互并联功率单元结构图；图3为本实用新型整机系统运行方式示意图；图4为本实用新型单元控制器的控制策略框图；图5为本实用新型整机系统谐波控制模型；图6(a)为功率单元I后向部分A相输出电流波形图，图6(b)为功率单元2后向部分A相输出电流波形图，图6(c)为后向组A相总输出电流波形图，图6(d)为功率单元I前向部分输出电流波形图，图6(e)为功率单元2前向部分输出电流波形图，图6(f)为前向组A相总输出电流波形图，图6(g)为整机A相输出电流波形图，图6(h)为网侧A相电流波形图，图6(i)为负载A相电流波形图；图7 (a)至图7 (f)分别为图6 (a)至图6 (f)的FFT分析柱状图，图7 (g)为图6 (h)的FFT分析柱状图，图7 (h)为图6⑴的FFT分析柱状图；图8 (a)为负载三相电流波形图，图8 (b)为图8 (a)的FFT分析图，图8 (c)为功率単元I后向部分输出电流波形图(CHl)、功率単元2后向部分输出电流波形图(CH2)以及后向组总输出电流波形图(CH3)，图8(d)为装置三相总补偿电流波形图，图8(e)为A相网侧电流波形图(CH2)、A相补偿电流波形图(CH3)、A相负载电流波形图(CH4)以及电网AB线电压波形图(CHl)，图8 (f)为图8 (c)的细节展开图，图8 (g)为整机补偿谐波的动态响应波形图，其中CHl为A网侧电流波形图、CH2为A相补偿电流波形图、CH3为A相负载电流波形图，图8(h)为网侧三相电流波形图，图8 (i)为图8(h)的FFT分析图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，进ー步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本实用新型整机系统结构如图1所示。整机多机并联，并机单元采用双VSC交互 并联结构，即双VSC直流侧共用电容，交流侧双端分别串并网电感和共模电感并至电网；各并机単元的双端输出分别经两组母线汇流，双补偿点并网，即图中前向组母线及其网侧补偿点、后向组母线及其负载侧补偿点；负载谐波电流检测CT位于双补偿点中间，其检测电流信号(￡)送入各单元控制器；各单元控制器与整机主控制器通过光纤或总线通讯互联。所述主控制器主要负责向各功率単元下发同步信号以及采集各功率単元的运行数据。本实用新型双VSC交互并联功率单元结构如图2所示。单元控制器输入负载谐波电流检测CT信号(石)、双VSC输出电流检测CT信号(g、S)、网侧线电压检测PT信号( )以及直流侧电压检测PT信号(Ud。)，通过内部运算，最終输出控制并机单元主电路IGBT的PWM信号；并机单元主电路双VSC的交流侧双端串联并网电感和共模电感后分别并至前向组母线和后向组母线，其中共模电感用来有效滤除双VSC间的零序环流。本实用新型整机系统运行方式如图3所示。并机单元分为前向部分、共直流部分和后向部分，前向部分输出汇流前向组母线接至网侧补偿点，后向部分输出汇流后向组母线接至负载侧补偿点，即双母线汇流双补偿点并网；负载谐波电流检测CT位于双补偿点中间，其检测电流信号(A)送入各并机单元；整机前向补偿组，谐波补偿开环运行；整机后向补偿组，谐波补偿闭环运行；按照补偿电流频段，整机功率単元I N分为指定次频段前向(后向)补偿组I n，其中低频段补偿组低开关频率、大电流输出而高频段补偿组高开关频率、小电流输出，整机系统有效输出最大化；相同频段前向(后向)补偿组内部分，按有效值均分补偿电流，移相PWM运行抵消开关次纹波，最小化总输出纹波。本实用新型单元控制器的控制策略框图如图4所示。单元控制器包括直流电压控制外环、前向和后向谐波电流分次控制内环、电网电压PLL模块、PWM载波移相同步模块、第一 PWM模块和第二 PWM模块。直流电压控制外环输入直流电压给定值(Udc; Mf)和直流电压(Ud。)的偏差信号、网侧电压PLL模块输出，输出基波正序有功指令电流(!Cl* P_ ref )，分别至前向和后向谐波电流分次控制内环，将直流侧电容电压稳定在给定值附近；电网电压PLL模块输入电网电压(E ),输出电网电压基波正序实时相位(F);前向谐波电流分次控制内环输入双补偿点间电流(5)和前向部分输出电流(E)的偏差、直流电压控制外环输出的基波正序有功指令电流(/Cl+ P _ ref )和前向部分输出电流(G )的偏差，输出前向部分指令电压(VTZf),再至第一 PWM模块输出主电路前向部分PWM驱动信号；后向谐波电流分次控制内环直接输入双补偿点间电流(Th )、直流电压控制外环输出的基波正序有功指令电流(Ici P_Kf )和后向部分输出电流(/ci )的偏差，输出后向部分指令电压(Vb — ref ),再至第二 PWM模块输出主电路后向部分PWM驱动信号；PWM载波移相同步模块接收主控制器发出的同步信号，同步前向和后向部分的PWM模块载波相位，实现移相PWM。图5所示为本实用新型整机系统谐波控制模型，是为了更好的描述本实用新型所提出的双补偿点并网、开闭环结合的控制方法。HiF(s) (i = I N)为前向部分等效环节，HiB (s) (i = I N)为后向部分等效环节，Iw(S) (i = I N)为前向部分输出电流,IciB(s)(i = I N)为后向部分输出电流。这样网侧电流Is、双补偿点间电流*和负载侧电流五的关系如下
权利要求1.一种基于双VSC交互并联谐波补偿开闭环结合的APF装置，包括主控制器和多个并联的双VSC交互并联功率单元，所述多个并联的双VSC交互并联功率单元采用双VSC交互并联结构，所述双VSC交互并联功率单元包括前向部分、共直流部分和后向部分，所述共直流部分共用电容，前向部分和后向部分分别依次串联并网电感和共模电感，分别经前向组母线和后向组母线汇流，分别通过网侧补偿点和负载侧补偿点并至电网，网侧补偿点和负载侧补偿点之间的负载电流信号送入各双VSC交互并联功率单元。
2.根据权利要求1所述基于双VSC交互并联谐波补偿开闭环结合的APF装置，其特征在于所述前向部分和后向部分均采用谐波电流分次补偿，按所补偿电流的频段分为前向或后向的各指定频段次谐波补偿组，将指定低频段次谐波补偿组低开关频率、大电流输出， 将指定高频段次谐波补偿组高开关频率、小电流输出，同时相同指定频段次谐波补偿组内， 采用移相PWM抵消开关次谐波。
3.根据权利要求1所述基于双VSC交互并联谐波补偿开闭环结合的APF装置，其特征在于还包括主控制器，所述双VSC交互并联功率单元还包括单元控制器，所述主控制器向各单元控制器发送同步信号，所述单元控制器输入负载电流信号、双VSC输出电流信号、网侧线电压信号和所述电容两端的直流电压信号，输出控制双VSC的PWM信号。
4.根据权利要求3所述基于双VSC交互并联谐波补偿开闭环结合的APF装置，其特征在于所述单元控制器包括直流电压控制外环、前向谐波电流分次控制内环、后向谐波电流分次控制内环、电网电压PLL模块、PWM载波移相同步模块、第一 PWM模块和第二 PWM模块， 所述直流电压控制外环输入直流电压给定值和所述电容两端的直流电压信号的偏差信号、 网侧电压PLL模块输出，输出基波正序有功指令电流，分别至前向谐波电流分次控制内环和后向谐波电流分次控制内环；电网电压PLL模块输入电网电压，输出电网电压基波正序实时相位；前向谐波电流分次控制内环输入负载电流信号和前向部分输出电流的偏差、直流电压控制外环输出的基波正序有功指令电流和前向部分输出电流的偏差，输出前向部分指令电压，再至第一PWM模块输出前向部分PWM驱动信号；后向谐波电流分次控制内环输入负载电流信号、直流电压控制外环输出的基波正序有功指令电流和后向部分输出电流的偏差，输出后向部分指令电压，再至第二 PWM模块输出主电路后向部分PWM驱动信号；PWM载波移相同步模块接收主控制器发出的同步信号，分别向所述第一 PWM模块和第二 PWM模块发送载波移相同步信号。
专利摘要本实用新型公开了一种基于双VSC交互并联谐波补偿开闭环结合的APF装置，包括主控制器和多个并联的双VSC交互并联功率单元，双VSC交互并联功率单元采用双VSC交互并联结构，包括前向部分(开环补偿)、共直流部分和后向部分(闭环补偿)，共直流部分共用电容，前向部分和后向部分分别依次串联并网电感和共模电感，分别经前向组母线和后向组母线汇流，分别通过网侧补偿点和负载侧补偿点并至电网，网侧补偿点和负载侧补偿点之间的负载电流信号送入各双VSC交互并联功率单元。本实用新型使整机有效输出最大化的同时总输出纹波最小化，有效抑制了双VSC间的零序环流，整机兼具开环补偿的动态快速响应特性和闭环补偿的稳态高精度特性。
文档编号H02J3/01GK202856355SQ20122051351
公开日2013年4月3日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者曹武, 赵剑锋, 刘康礼, 江楠 申请人:东南大学