一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的制造方法

一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器。本发明包括H桥混合级联主电路(3)、采样电路(4)、控制电路(5)以及PWM调制与隔离驱动电路(6)；H桥混合级联主电路(3)中两H桥单元直流侧电压比为1∶2；控制电路(5)包括主功率信号产生模块(7)、功率补偿信号产生模块(8)、复合控制模块(9)；主功率信号产生模块(7)产生主控制信号，功率补偿信号产生模块(8)产生功率补偿信号，复合控制模块(9)用来产生第一控制信号和第二控制信号；PWM调制与隔离驱动电路(6)产生最终的开关管驱动信号。本发明与传统等压级联有源滤波器相比，在相同单元数时可以输出更多的电平，提高了谐波补偿的效果。
【专利说明】一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器，适用于各种中、高功率场合，属于电力谐波抑制【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近年来，电力电子技术及装置得到了飞速发展，在提高人们生活水平的同时，也给电网带来了大量的非线性负载，特别是以开关模式工作的变流器。这些非线性负载将会产生大量的谐波及无功，如果注入电网，将会使电网电流及电网电压产生畸变，严重情况下可能威胁电网的安全运行，因此谐波的抑制与治理至关重要，是近些年来电力电子等领域重要的研究课题。
[0003]有源滤波器是一种能够动态抑制谐波及补偿无功的装置，具有动态响应快、可靠性高、补偿灵活等优点，具有很好的应用前景，备受人们青睐与关注。随着社会的发展，电力电子技术逐渐向高压大功率场合迈进，对此首先要解决的问题是开关器件频率高低与功率大小之间的矛盾。在过去的一段时间里，多电平变流技术在高压大功率场合的应用得到了很好的研究与发展，多电平拓扑能够实现将耐压低的高频开关器件直接应用到高压大功率场合，同时多电平拓扑还具有输出电压谐波少、电磁干扰小等优点。
[0004]近些年来，多电平拓扑的发展日新月异。Aburto V, Schneider M, and MoranL, “An active power filter implemented with a three-level NPC voltage-sourceinverter, ” IEEE PESC，1997:1121-1126首先将二极管箝位型多电平拓扑应用到有源电力滤波器中，该拓扑可以有效地减小开关管电压应力，提高补偿效果，但随着电平数的增多，开关器件数量急剧增加，这将增加系统的体积与成本，除此之外该拓扑还存在电压均衡问题，在控制上比较复杂。J.S.Lai and F.Ζ.Peng, “Multilevel converters-A new breedof power converters,，，IEEE Transactions on Industry Applications,1996,32 (3):2348-2356提出了等压H桥级联的逆变器拓扑结构，若将此拓扑结构应用到有源滤波器中可以增加输出电平数，提高补偿效果，并可将其应用在高压大功率场合，但所需电平数增多时，级联单元数也会大大增加，这将使系统及控制变得更加复杂。如何采用相同的级联单元数输出更多的电平，对更好地提高补偿效果具有实际意义。针对这个问题MiguelLopez G, Luis Moran T, and Jose Espinoza C, et al, “Performance analysis of ahybrid asymmetric multilevel inverter for high voltage active power filterapplications, ”IEEE IEC0N, 2003:1050-1055将一种直流侧电压为二进制关系的H桥混合级联多电平拓扑应用到有源电力滤波器中，该拓扑可以在相同级联单元情况下输出更多的电平，补偿效果更好。
[0005]混合级联多电平有源滤波器的控制至关重要，如何在保证直流侧电压稳定于所定混合比的前提下来取得良好的补偿效果是研究的重点也是难点。大多数方法针对的是等压H桥级联的控制而对混合级联控制的研究较少，如采用附加硬件装置控制直流侧电压的稳定，这种方法虽然能够将直流侧电压稳定在所需值，但与此同时也增加了系统的成本与体积；也可采用将输出波形移相来控制直流侧电压稳定，但是由于移相角范围有限，导致H桥直流侧电压稳定较慢,动态性能较差。Manjrekar M D, Steimer P K, and LipoT A, “Hybrid multilevel power conversion system:a competitive solution forhign-power applications,，，IEEE Transactions on Industry Applications,2000,36(3) =834-841针对混合级联拓扑提出采用全控型功率器件组成的PWM整流器来控制低压单元直流侧电压的稳定，这将增加系统控制的复杂性，降低系统的效率，增大系统的体积与成本。Miguel Lopez G, Luis Moran T, and Jose Espinoza C, et al, “Performanceanalysis of a hybrid asymmetric multilevel inverter for high voltage activepower filterapplications，”IEEE IECON, 2003:1050-1055 没有采用外加设备，而是通过一种混合控制方法对系统进行控制，该方法取得了一定的补偿效果，但文章未对负载突变时的动态性能进行分析，可靠性不高。
[0006]因此，如何在不增加系统成本及复杂性的前提下，使得混合级联七电平有源滤波器获得良好的动静态补偿效果且满足高可靠性的要求具有重要的研究意义。

【发明内容】

[0007]发明目的:
[0008]本发明目的在于提出一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器，其中混合级联多电平拓扑可以更好地抑制电力谐波并可应用在中高压大功率场合，针对该拓扑自身的特点，本发明提出一种复合控制的方法，该控制方法不仅能够控制各单元直流侧电压稳定在给定值，且可获得良好的动静态补偿效果，能够使系统高可靠运行。
[0009]技术方案:
[0010]本发明采用以下技术方案:
[0011]一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器，包括H桥混合级联主电路、采样电路、控制电路以及PWM调制与隔离驱动电路；所述H桥混合级联主电路的输入端分别与交流电网正母线、非线性负载的一端连接，其输出端分别与交流电网负母线、非线性负载的另一端连接，采样电路的输入端分别与H桥混合级联主电路、交流电网侧电路连接，用于采集电压、电流的采样值；控制电路包括主功率信号产生模块、功率补偿信号产生模块和复合控制模块；其中主功率信号产生模块的输入端、功率补偿信号产生模块的第一输入端分别与采样电路的输出端连接；主功率信号产生模块的第一输出端与功率补偿信号产生模块的第二输入端连接，主功率信号产生模块的第二输出端、功率补偿信号产生模块的输出端分别与复合控制模块的第一、第二输入端连接；复合控制模块的输出端与PWM调制与隔离驱动电路的输入端连接；PWM调制与隔离驱动电路的输出端与H桥混合级联主电路连接；
[0012]所述H桥混合级联主电路包括交流侧接口电感L和两H桥单元，其中两H桥单元采用混合级联结构，分别为低压单元H1和高压单元H2，且直流侧电压混合比为1: 2;
[0013]所述采样电路包括交流电网电压采样VT1、低压单元直流侧电压采样VT2、高压单元直流侧电压采样VT3和电网电流采样CT1、补偿电流采样CT2 ;其中所述交流电网电压采样VTl的采样值Us、电网电流采样CTl的采样值is输入至主功率信号产生模块；所述低压单元直流侧电压采样VT2的采样值U1、高压单元直流侧电压采样VT3的采样值U2分别同时输入至主功率信号产生模块、功率补偿信号产生模块；所述补偿电流采样CT2的采样值i。输入至功率补偿信号产生模块。
[0014]进一步地，上述一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的主功率信号产生模块用来产生主控制信号，其过程如下:将VT2低压单元直流侧电压采样值U1和VT3高压单元直流侧电压采样值U2作叠加处理得到两级联单元直流侧总电压Ud。，将其与给定的电压基准Udc*作比较，误差信号送入电压控制器I得到电网电流基准信号is*的幅值信号Is ;VTl电网电压采样值Us经锁相环PLL锁相后，产生与电网电压同相位的标准单位正弦信号es，再将此标准单位正弦信号es和电压控制器I的输出Is相乘得到电网电流基准信号i/ ；CTl电网电流采样值“与电网电流基准信号i/作比较，差值通过电流控制器即可获得主控制信号Pm。
[0015]进一步地，上述一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的功率补偿信号产生模块用来产生功率补偿信号，包括以下步骤:通过电流互感器CT2检测补偿电流i。；根据两级联单元直流侧总电压Ud。和级联单元直流侧电压混合比分别得出低压单元和高压单元直流侧电压参考值，再将两直流侧电压参考值分别与低压单元直流侧电压和高压单元直流侧电压的采样值U1和U2作比较，比较结果分别送入电压控制器2和电压控制器3得到低压单元和高压单元的电压补偿信号和Au2;将两电压补偿信号分别与补偿电流i。相乘，结果为△?1和Ap2，即功率补偿信号I和功率补偿信号2。
[0016]进一步地，上述一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的复合控制模块用来产生第一控制信号和第二控制信号，具体如下:将主控制信号Pm进行相应调整与运算得到Pml (pml = klPffl)和Pm2 (pm2 = k2pm)即主控制信号I和主控制信号2 ;将主控制信号I和功率补偿信号I相加得到第一控制信号P1，将主控制信号2和功率补偿信号2相加得到第二控制信号P2。
[0017]将第一控制信号P1和第二控制信号P2送入PWM调制与隔离驱动电路即可得到两级联单元各开关管的驱动信号。
[0018]有益效果:
[0019]1、本发明有源滤波器拓扑采用两H桥混合级联结构，具有等压H桥级联结构的优点，除此之外，该拓扑与等压H桥级联拓扑相比，在相同级联单元数情况下可以输出更多的电平，有利于减小输出谐波含量，提高补偿效果；
[0020]2、本发明复合控制模块综合了主功率信号产生模块和功率补偿信号产生模块，根据实际情况，通过对系数的调整与优化，可以实时为两级联单元直流侧提供相应功率补偿以此来保证两级联单元直流侧电压的稳定，在负载突变时，本控制方法也能够快速地调节两级联单元直流侧功率补偿量，从而使得直流侧电压快速恢复到稳定状态。该控制方法一方面可以保证系统具有良好的动静态补偿性能，另一方面该控制方法对一些不确定因素具有较好的适应能力，大大提高了系统的可靠性。
【专利附图】

【附图说明】
[0021]图1是本发明的一种 基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的结构图。
[0022]图2是本发明的一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的主电路及控制原理图。
[0023]图3是本发明应用于220V/50HZ电网的电网电压、电网电流、负载电流、补偿电流以及补偿电压仿真波形。
[0024]图4是本发明应用于220V/50HZ电网的低压单元直流侧电压和高压单元直流侧电压稳态仿真波形。
[0025]图5是本发明应用于220V/50HZ电网的电网电流、补偿电流和两级联单元直流侧电压在突加载时动态仿真波形。
[0026]图中标号:1、交流电网，2、非线性负载，3、H桥混合级联主电路，4、采样电路，5、控制电路，6、PWM调制与隔离驱动电路，7、主功率信号产生模块，8、功率补偿信号产生模块，9、复合控制模块。
具体实施方案
[0027]下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述:
[0028]图1是本发明的一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的结构图。如图1所示，本发明的有源滤波器包括H桥混合级联主电路3、采样电路4、控制电路5以及PWM调制与隔离驱动电路6 ;所述H桥混合级联主电路3与交流电网I和非线性负载2连接，采样电路4的输入端分别与H桥混合级联主电路3、交流电网I侧电路连接，用于采集电压、电流的采样值；控制电路5包括主功率信号产生模块7、功率补偿信号产生模块8和复合控制模块9 ;其中主功率信号产生模块7的输入端、功率补偿信号产生模块8的第一输入端分别与采样电路4的输出端连接；主功率信号产生模块7的第一输出端与功率补偿信号产生模块8的第二输入端连接，主功率信号产生模块7的第二输出端、功率补偿信号产生模块8的输出端分别与复合控制模块9的第一、第二输入端连接；复合控制模块9的输出端与PWM调制与隔离驱动电路6的输入端连接；PWM调制与隔离驱动电路6的输出端与H桥混合级联主电路3连接。
[0029]图2是本发明的一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器的主电路及控制原理图。如图2所示，系统由交流电网1、非线性负载2、H桥混合级联主电路3组成，其中交流电网I发出交流电压，非线性负载2为电流型谐波源，产生谐波电流，H桥混合级联主电路3由交流侧接口电感L和两H桥单元组成，其中两H桥单元采用混合级联结构，分别为低压单元H1和高压单元H2，两单元直流侧电压混合比为1: 2，两级联单元的输入端通过接口电感L接入交流电网I正母线和非线性负载2—端，其输出端直接接入交流电网I负母线和非线性负载2另一端。采样电路4包括交流电网电压采样VT1、低压单元直流侧电压采样VT2、高压单元直流侧电压采样VT3和电网电流采样CTl、补偿电流采样CT2。控制电路5包括主功率信号产生模块7、功率补偿信号产生模块8和复合控制模块9，主功率信号产生模块7输入为VT1、VT2、VT3和CTl的采样值即us、Ul、u2和is，输出为直流侧总电压信号和主控制信号，分别接入功率补偿信号产生模块8和复合控制模块9 ;功率补偿信号产生模块8输入为VT2、VT3和CT2的采样值即U1、U2和i。，输出为功率补偿信号I和功率补偿信号2，接入复合控制模块9 ;复合控制模块9输入为主功率信号产生模块7输出的主控制信号和功率补偿信号产生模块8输出的两功率补偿信号，输出为第一控制信号和第二控制信号，接入PWM调制与隔离驱动电路6 ；PWM调制与隔离驱动电路6输入为复合控制模块9输出的两控制信号，输出为两H桥各开关管的驱动信号，接入H桥混合级联主电路3。
[0030]主功率信号产生模块7中，将VT2低压单元直流侧电压采样值U1和VT3高压单元直流侧电压采样值U2作为加法器B1的两个输入，加法器B1的输出为两级联单元直流侧总电压Ud。，并将其作为减法器B2的负输入，将电压基准Udc*作为减法器B2的正输入，减法器B2的输出作为电压控制器I的输入，电压控制器I的输出即为电网电流基准信号i/的幅值信号Is，将其作为乘法器M1的一个输入，VTl电网电压米样值Us输入锁相环PLL得到与电网电压同相位的标准单位正弦信号es即i/的相位信息，将其作为乘法器M1的另一输入，乘法器M1的输出即为电网电流基准信号is%作为减法器B3的正输入，CTl电网电流采样值is作为减法器B3的负输入，减法器B3的输出作为电流控制器的输入，电流控制器的输出为主控制信号Pm。
[0031]功率补偿信号产生模块8中，将主功率信号产生模块7中加法器B1的输出Udc通过比例环节k3(两级联单元直流侧电压混合比为1: 2，这里取k3= 1/3)，比例环节匕的输出和低压单元直流侧电压U1作为减法器B4的负正输入，减法器B4的输出作为电压控制器2的输入，电压控制器2的输出为低压单兀电压补偿信号Au1 ;将主功率信号产生模块7中加法器&的输出Ud。通过比例环节匕(根据两级联单元直流侧电压混合比为1: 2，这里取k4 = 2/3)，比例环节k4的输出和高压单元直流侧电压U2作为减法器B5的负正输入，减法器B5的输出作为电压控制器3的输入，电压控制器3的输出即为高压单元电压补偿信号Au2 ;将CT2补偿电流采样值i。和电压控制器2的输出Au1作为乘法器M2的两个输入，乘法器M2的输出为Ap1即功率补偿信号1，将i。和电压控制器3的输出Au2作为乘法器M3的两个输入，乘法器M3的输出为Δρ2即功率补偿信号2。
[0032]复合控制模块9中，将主功率信号产生模块7输出分别作为比例环节Ic1和比例环节k2的输入，比例环节Ic1的输出为pml即主控制信号1，比例环节k2的输出为Pm2即主控制信号2 ;主控制信号Pml和功率补偿信号发生模块8中乘法器M2的输出Ap1作为加法器B6的两个输入，加法器B6的输出为？1即第一控制信号，主控制信号pm2和功率补偿信号发生模块8中乘法器M3的输出Ap2作为加法器B7的两个输入，加法器B7的输出为P2即第二控制信号。
[0033]本发明第一控制信号P1和第二控制信号P2的获取由主控制信号与功率补偿信号通过加权运算获得，其表达式可表示为:
[0034]P1 = ^pm+Ap1 (I)
[0035]p2 = k2pm+ Δ p2 (2)
[0036]其中Ic1和k2为可调节量，从⑴式和(2)式可以看出，当两级联单元直流侧电压偏离给定值时，根据需要对加权系数h和k2进行相应的调整，可以改变功率补偿信号在第一和第二控制信号中所占的比值，从而改变对各直流侧的功率补偿量，一方面可以使得两级联单元直流侧电压快速恢复到给定值，另一方面通过对系数的进一步优化可避免直流侧电压较大的波动，防止电压过高而损坏功率管；当负载突变时，同样通过对加权系数的适当处理可以使得滤波器在短时间内恢复正常，因此，本发明的有源滤波器对负载具有较强的适应能力且具有良好的动静态补偿性能。
[0037]将第一控制信号P1和第二控制信号P2送入PWM调制与隔离驱动电路6即可得低压单元和高压单元各开关管的驱动信号。
[0038]本发明复合控制实质上是主控制信号和功率补偿信号协调工作的控制方法，根据不同的工作状态与实际情况对各信号进行灵活优化与处理。当滤波器稳定工作时，功率补偿信号对系统的影响甚小；当两级联单元直流侧电压出现偏离或负载突变时，此刻系统将不稳定，功率补偿信号对系统的作用将显现出来，通过对加权系数ki和k2的优化选取与设计，调整各单元直流侧所需要补偿的有功功率，使得系统快速恢复稳定，因此，系统具有较强的负载适应能力和良好的动静态补偿性能，可靠性大大提高。
[0039]在MATLAB软件环境下，本发明建立了仿真模型并对波形进行了分析。仿真参数如下:电网电压为220V/50HZ，非线性负载为单相不控整流桥接阻感性负载(20 Ω、500mH)，APF交流侧接口电感L为1.2mH,有源滤波器直流侧总电压为390V (U1: U2 = I: 2),两级联单元直流侧电容容值均为1000 μ F，三角载波频率为20kHz。
[0040]图3是本发明应用于220V/50Hz电网的电网电压、电网电流、负载电流、补偿电流以及补偿电压仿真波形。从图中可以看出电网电流几乎没有畸变，相位与电网电压同步，补偿电压为七电平，仿真结果表明:混合级联七电平有源滤波器取得了很好的补偿效果，证明了本发明控制方法的有效性与可行性。
[0041]图4是本发明应用于220V/50HZ电网的低压单元直流侧电压和高压单元直流侧电压稳态仿真波形。从图中可以看出两级联单元直流侧电压比为1: 2且稳定在给定值，由此可以看出本发明的控制方法可以用来控制不同电压单元混合级联有源滤波器。
[0042]图5是本发明应用于220V/50HZ电网的电网电流、补偿电流和两级联单元直流侧电压在突加载时动态仿真波形。从仿真波形可以看出，当负载突加时，电网电流重新恢复稳态只需一个周期，直流侧电压波动很小且很快能恢复到稳定值，仿真结果表明:本发明的控制方法能够使系统具有良好的动态性能，对负载的变化具有较强的适应能力，可靠性较高。
【权利要求】
1.一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器，包括H桥混合级联主电路(3)、采样电路(4)、控制电路(5)以及PWM调制与隔离驱动电路(6);所述H桥混合级联主电路(3)的输入端分别与交流电网⑴正母线、非线性负载(2)的一端连接，其输出端分别与交流电网⑴负母线、非线性负载⑵的另一端连接，采样电路⑷的输入端分别与H桥混合级联主电路(3)、交流电网(I)侧电路连接，用于采集电压、电流的采样值；其特征在于:所述控制电路(5)包括主功率信号产生模块(7)、功率补偿信号产生模块(8)和复合控制模块(9);其中主功率信号产生模块(7)的输入端、功率补偿信号产生模块(8)的第一输入端分别与采样电路(4)的输出端连接；主功率信号产生模块(7)的第一输出端与功率补偿信号产生模块(8)的第二输入端连接，主功率信号产生模块(7)的第二输出端、功率补偿信号产生模块(8)的输出端分别与复合控制模块(9)的第一、第二输入端连接；复合控制模块(9)的输出端与PWM调制与隔离驱动电路(6)的输入端连接；PWM调制与隔离驱动电路(6)的输出端与H桥混合级联主电路(3)连接； 所述H桥混合级联主电路(3)包括交流侧接口电感L和两H桥单元，其中两H桥单元采用混合级联结构，分别为低压单元H1和高压单元H2，且直流侧电压混合比为1: 2; 所述采样电路(4)包括交流电网电压采样VT1、低压单元直流侧电压采样VT2、高压单元直流侧电压采样VT3和电网电流采样CT1、补偿电流采样CT2 ;其中所述交流电网电压采样VTl的采样值Us、电网电流采样CTl的采样值^输入至主功率信号产生模块(7);所述低压单元直流侧电压采样VT2的采样值U1、高压单元直流侧电压采样VT3的采样值U2分别同时输入至主功率信号产生模块(7)、功率补偿信号产生模块(8);所述补偿电流采样CT2的采样值i。输入至功率补偿信号产生模块(8)。
2.根据权利要求1 所述的一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器，其特征在于，所述主功率信号产生模块(7)用来产生主控制信号，功率补偿信号产生模块(8)用来产生功率补偿信号，具体步骤如下: 步骤A，将VT2低压单元直流侧电压采样值U1和VT3高压单元直流侧电压采样值U2作叠加处理得到两级联单元直流侧总电压Ud。，再将其与电压基准Ud:作比较，比较结果送入电压控制器I可得一幅值信号Is ； 步骤B，VTl电网电压的采样值Us送入锁相环PLL可得与电网电压同相位的标准单位正弦信号es，将此标准单位正弦信号es与步骤A中得到的幅值信号Is相乘，结果即为电网电流基准信号; 步骤C，对实际电网电流进行采样即CTl的采样值is，计算步骤B中得到的电网电流基准信号i/与CTl电网电流采样值is的差值，将其通过电流控制器可得主控制信号Pm ； 步骤D，通过电流互感器CT2检测补偿电流i。； 步骤E，根据两级联单元直流侧总电压Udc和级联单元直流侧电压混合比得出低压单元直流侧电压参考值，再与低压单元直流侧电压采样值U1作比较，比较的结果送入电压控制器2即可得到低压单元电压补偿信号Au1 ； 步骤F，计算低压单元电压补偿信号Au1与补偿电流i。的乘积，结果为Ap1即功率补偿信号I ; 步骤G，根据两级联单元直流侧总电压Udc和级联单元直流侧电压混合比得出高压单元直流侧电压参考值，再与高压单元直流侧电压采样值U2作比较，比较的结果送入电压控制器3即可得到高压单元电压补偿信号Au2 ； 步骤H，计算高压单元电压补偿信号Au2与补偿电流i。的乘积，结果为Ap2即功率补偿信号2。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合控制的混合级联七电平有源滤波器，其特征在于，所述复合控制模块(9)用来产生第一控制信号和第二控制信号，具体步骤如下: 步骤A,将主控制信号pm进行相应的调整与运算处理得到Pml (pml = Ic1Pm)和pm2 (pm2 =k2pm)即主控制信号1和主 控制信号2，其中Ic1和k2为可调节量； 步骤B，主控制信号和功率补偿信号相互协调，将主控制信号I和功率补偿信号I作叠加处理得到第一控制信号P1，将主控制信号2和功率补偿信号2作叠加处理得到第二控制信号P2。
【文档编号】H02J3/01GK103812107SQ201410025805
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2014年1月21日
【发明者】陈仲, 李梦南, 王志辉 申请人:陈仲