基于三环控制的有源电力滤波装置及三环控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于三环控制的有源电力滤波装置，包括系统电源、平波电抗器、三相全桥逆变单元、与三相全桥逆变单元连接的电容、均压电阻，在系统电源与平波电抗器间连有电压互感器，电压互感器输出端连到主控板系统采样端口；平波电抗器与三相全桥逆变单元间穿有输出电流互感器，输出电流互感器连到主控板的输出采样端口；三相全桥逆变单元直流侧每一组电容上连有直流电压互感器，直流电压互感器连到主控板的直流侧采样端口；主控板绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动信号端口连到绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动电路；负载侧穿接负载电流互感器，二次输出端连到主控板的负载电流采样端口。具有输出电压控制精度高、补偿效果好、系统可靠性高的优点。
【专利说明】基于三环控制的有源电力滤波装置及三环控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于三环控制的有源电力滤波装置，尤其涉及一种基于电压外 环、电流内环和稳定校正环的基于三环控制的有源电力滤波装置及三环控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术的发展，各种非线性、冲击性设备的使用给电网带来了大量的 谐波污染，由此带来功率因数低，谐波污染严重，以及系统损耗加大等一系列问题。随着电 能质量的恶化，供电电能质量有待于治理和改善。电能质量从普遍意义上讲是指供电和用 电质量，包括电压、电流的稳态及暂态量值的偏差、波形畸变的程度、闪变等对用电设备造 成影响的供电和用电问题。而目前电能质量谐波的污染越来越严重，有些甚至已经造成巨 大的经济损失。另外电力谐波和电容器之间的作用是相互的，它不仅在电容器中产生额外 的电力损耗，而且可能与电容器一起产生串联或并联谐振。在电容器的作用下，谐波电流可 以被放大2?5倍，而在谐振时可达30倍以上。谐振引起的过电压和过电流会大大增加电 容器的损耗和过热，这往往导致电容器的损坏。谐波对继电保护的影响主要表现为使继电 器动作特性畸变或效果降低，其后果常是保护装置的拒动或误动。目前，计量中采用静电感 应式电能表是按工频（基波50Hz)纯正弦交流额定工况设计制造的。存在电力谐波时，基 波电流和谐波电流都会在电能表转盘上产生涡流，因而谐波存在会影响计量的准确性。
[0003] 因此针对电网的谐波污染的谐波治理产品-有源电力滤波装置应运而生。目前的 有源电力滤波装置已经广泛的应用。APF的运行状况和补偿效果取决于APF本身的控制算 法，传统的PI控制随着有源电力滤波装置的大量使用，其缺陷也开始浮出水面，基于内外 环PI的控制方法对变化的负载跟踪效果差，输出相位出现滞后现象，以致电能质量的治理 效果不能达到预期目的，基于三环控制理论的有源电力滤波装置，采用预见性的重复控制， 对补偿输出有很好的跟踪特性，补偿效果好。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术中电流内环控制中存在的相位滞后，而提供一种 旨在优化传统基于电流内环和电压外环的双环控制系统的基于三环控制的有源电力滤波 装置及三环控制方法，在传统基于电流内环和电压外环的双环控制系统的基础上增加预见 性的重复控制环节，对补偿输出有很好的跟踪特性，其性能优于传统的双环控制。
[0005] 本发明的目的是这样实现的： 一种基于三环控制的有源电力滤波装置，包括系统电源USA、USB、USC，与系统电源 USA、USB、USC的三相输出端相连接的平波电抗器La、Lb、Lc，与平波电抗器La、Lb、Lc相连 接的由S1、S2、S3、S4、S5、S6六个绝缘栅双极型晶体管IGBT构成的三相全桥逆变单元、与 三相全桥逆变单元的直流侧相连接的两组串接的电容Cl、C2、在每一组电容上并联的均压 电阻R1、R2,其特征在于： 在系统电源USA、USB、USC与平波电抗器La、Lb、Lc之间连接有电压互感器，电压互感 器的输出端连接到主控板的系统采样端口； 在平波电抗器La、Lb、Lc与三相全桥逆变单元之间穿有输出电流互感器，输出电流互 感器的输出端连接到主控板的输出采样端口； 在三相全桥逆变单元直流侧每一组电容上连接有直流电压互感器，直流电压互感器的 输出端连接到主控板的直流侧采样端口； 主控板的绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动端口直接连接到绝缘栅双极型晶体管IGBT的 驱动电路；另外负载侧穿接负载电流互感器，其二次输出端连接到主控板的负载电流采样 端口。
[0006] -种所述的基于三环控制的有源电力滤波装置的三环控制方法，其特征在于：按 照如下步骤进行的： 步骤1)、将经过电压互感器检测三相系统电源USA、USB、USC的电压值，经过锁相环PLL 得到电压相位和进行park变化的C0S和SIN序列； 步骤2)、通过负载电流互感器检测三相负载电流ILA、ILB、ILC，并根据步骤1中的C0S 和SIN序列经过park变换，包括C32变换和C变换，将三相静态坐标系下三相负载电流转换 到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过滤除高频谐波（LPF)得到三相负载基波电流，再根 据步骤1中的C0S和SIN序列经过park反变换，转换成三相补偿目标电流i af, ibf, icf ; 步骤3)、通过输出电流互感器的LEMA、LEMB、LEMC端检测输出电流ΙΟΑ、Ι0Β、I0C，通过 电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值； 步骤4)、将直流侧经过直流采样互感器得出直流侧电压值UDCA、UDCB，通过求和后并 经过直流电压外环PI调节得到直流侧补偿能量目标值； 步骤5)、根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过三相电流补偿目 标值iaf，ibf，irf和三相输出电流ΙΟΑ、Ι0Β、I0C的相位校对，并经过PI控制得到重复控制 目标值；将重复控制目标值与步骤3、步骤4输出目标值叠加经过SVPWM，SVPWM为空间矢量 PWM调节，生成触发脉冲序列，经IGBT驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管IGBT导通和关断， 从而控制变流器输出达到补偿目标值。
[0007] 与现有的有源电力滤波装置相比，本发明所提出的基于三环控制的有源电力滤波 装置有如下突出优点： 1) 、通过电压外环实现了对三相SVPWM变流器直流电压的控制，保证了直流电压的稳 定及控制精度，并保持稳定在设定值； 2) 、通过重复电流三环控制实现了输出电流的相位的预见性控制，提高了补偿效果， 减少了因相位问题而产生的干扰和谐波； 3) 、通过三环控制保证了系统的稳定、精确、高效，避免了因装置的不稳定而导致的器 件损坏。
[0008] 本发明所提出的基于三环控制的有源电力滤波装置，具有输出电压控制精度高、 补偿效果好、系统可靠性高等突出优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1是本发明的结构示意图。
[0010] 图2是本发明的三环控制图。
[0011] 图3是实例A相电网电流的补偿效果图。
【具体实施方式】
[0012] 下面结合附图与具体实施实例对本发明作进一步详细描述：本实施实例在以本发 明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0013] 图1是本发明提出的基于三环控制的有源电力滤波装置的结构框图，包括用于三 相SVPWM控制输出的逆变单元、连接电网侧的电感1^、1^、1^、系统电压互感器、负载电流互 感器、输出电流互感器、直流采样互感器、用于三相全桥IGBT的驱动电路以及用于计算和 控制的主控电路。本发明公开了一种基于三环控制的有源电力滤波装置，从改善传统有源 电力滤波装置的补偿跟踪效果角度出发，在常规的有源电力滤波器(APF)的电压外环和电 流内环的双环控制算法的基础上，增设了预见性重复电流控制反馈校正环节。并在设计预 见性重复电流控制反馈校正环节的参数的过程中，采用了提高APF整机补偿电流跟踪速度 的重复PI控制技术，以探求最佳的系统稳定快速跟踪效果，构成符合系统稳定性要求的预 见性重复电流控制环节，形成了新型的基于电压外环、电流内环和预见性重复电流控制环 的三环控制的有源电力滤波装置。
[0014] 如图1所示，一种基于三环控制的有源电力滤波装置，包括系统电源USA、USB、 USC，与系统电源USA、USB、USC的三相输出端相连接的平波电抗器La、Lb、Lc，与平波电抗器 1^、1^、1^相连接的由51、52、53、54、55、56六个绝缘栅双极型晶体管1681'构成的三相全 桥逆变单元、与三相全桥逆变单元的直流侧相连接的两组串接的电容C1、C2,在每一组电容 上并联的均压电阻R1、R2 ; 在系统电源USA、USB、USC与平波电抗器La、Lb、Lc之间连接有系统电压互感器，电压 互感器的输出端连接到主控板的系统电压采样端口； 在平波电抗器La、Lb、Lc与三相全桥逆变单元之间穿有输出电流互感器，输出电流互 感器的输出端连接到主控板的输出电流采样端口； 在三相全桥逆变单元直流侧每一组电容上连接有直流电压互感器，直流电压互感器的 输出端连接到主控板的直流侧采样端口； 主控板的绝缘栅双极型晶体管IGBT驱动信号端口直接连接到绝缘栅双极型晶体管 IGBT的驱动电路；另外负载侧穿接负载电流互感器，其二次输出端连接到主控板的负载电 流采样端口。
[0015] 上面所述的本发明的一种基于三环控制的有源电力滤波装置包括用于三相SVPWM 的逆变单元、连接电网侧的电感为La、Lb、Lc、系统电压互感器、负载电流互感器、输出电 流互感器、直流采样互感器、用于三相全桥IGBT的驱动电路以及用于计算和控制的主控电 路。用于计算和控制的主控电路设置在主控板上。
[0016] 如图2所示，本发明还公开了一种所述的基于三环控制的有源电力滤波装置的三 环控制方法，其按照如下步骤进行的： 步骤1)、将经过电压互感器检测三相系统电源USA、USB、USC的电压值，经过锁相环PLL 得到电压相位和进行park变化的C0S和SIN序列； 步骤2)、通过负载电流互感器检测三相负载电流ILA、ILB、ILC，并根据步骤1中的C0S 和SIN序列经过park变换，包括C32变换和C变换，将三相静态坐标系下三相负载电流转换 到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过滤除高频谐波（LPF)得到三相负载基波电流，再根 据步骤1中的COS和SIN序列经过park反变换，转换成三相补偿目标电流i af, ibf, icf ; 步骤3)、通过输出电流互感器的LEMA、LEMB、LEMC端检测输出电流IOA、IOB、I0C，通过 电流内环PI调节得到内环电流控制输出目标值； 步骤4)、将直流侧经过直流采样互感器得出直流侧电压值UDCA、UDCB，通过求和后并 经过直流电压外环PI调节得到直流侧补偿能量目标值； 步骤5)、根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过三相电流补偿目 标值iaf，ibf，irf和三相输出电流IOA、IOB、I0C的相位校对，并经过PI控制得到重复控制 目标值；将重复控制目标值与步骤3、步骤4输出目标值叠加经过SVPWM，SVPWM为空间矢量 PWM调节，生成触发脉冲序列，经IGBT驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管IGBT导通和关断， 从而控制变流器输出达到补偿目标值。
[0017] 所述预见性重复电流控制反馈校正环节的参数通过相位匹配的方法优选得到。其 基本思想是假定前一基波周期中出现的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制 器根据每个开关周期给定与反馈信号的误差来确定所需的校正信号，然后在下一基波周期 同一时间将此信号叠加在原控制信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性畸变； 为说明本发明的正确性和可行性，对一台50A的三相有源滤波装置运行系统进行了验 证。参数为：电网电压为380V，控制输出直流电压为750V，开关频率为20kHz，交流侧滤波 器参数为La = 0. 4mH，Lb = 0. 4mH，Lc = 0. 4 mH。附图3为该实施例的具体实验波形。
【权利要求】
1. 一种基于三环控制的有源电力滤波装置，包括系统电源USA、USB、USC、与系统电源 USA、USB、USC的三相输出端相连接的平波电抗器La、Lb、Lc，与平波电抗器La、Lb、Lc相连 接的是由SI、S2、S3、S4、S5、S6六个绝缘栅双极型晶体管IGBT构成的三相全桥逆变单元、 与三相全桥逆变单元的直流侧相连接的两组串接的电容Cl、C2、在每一组电容的两端并接 的均压电阻R1、R2,其特征在于： 在系统电源USA、USB、USC与平波电抗器La、Lb、Lc之间连接有电压互感器，电压互感 器的输出端连接到主控板的系统电压采样端口； 在平波电抗器La、Lb、Lc与三相全桥逆变单元之间穿有输出电流互感器，输出电流互 感器的输出端连接到主控板的输出电流采样端口； 在三相全桥逆变单元直流侧每一组电容上连接有直流电压互感器，直流电压互感器的 输出端连接到主控板的直流侧电压采样端口； 主控板的SVPWM脉冲输出信号端口直接连接到绝缘栅双极型晶体管IGBT的驱动电路； 另外负载侧穿接负载电流互感器，其二次输出端连接到主控板的负载电流采样端口。
2. -种如权利要求1所述的基于三环控制的有源电力滤波装置的三环控制方法，其特 征在于：按照如下步骤进行的： 步骤1)、将经过系统电压互感器检测得到的三相系统电源USA、USB、USC的电压值，经 过锁相环PLL得到电压相位和进行park变换的COS和SIN序列； 步骤2)、通过负载电流互感器检测得到三相负载电流ILA、ILB、ILC，并根据步骤1中的 COS和SIN序列经过park变换，包括C32变换和C变换，将三相静态坐标系下三相负载电流 转换到两相旋转坐标系dq坐标下电流，通过低通滤波（LPF)得到三相负载基波电流，再根 据步骤1中的COS和SIN序列经过park反变换，转换成三相补偿目标电流i af, ibf, icf ; 步骤3)、通过输出电流互感器的LEMA、LEMB、LEMC端检测输出电流IOA、IOB、I0C，通过 电流内环PI调节得到内环电流控制输出的目标值； 步骤4)、将直流侧经过直流采样互感器得出直流侧电压值UDCA、UDCB，通过求和后并 经过直流电压外环PI调节得到直流侧补偿能量的目标值； 步骤5)、根据重复控制理论，并根据负载电流的重复出现为依据，经过三相电流补偿目 标值iaf，ibf，irf和三相输出电流IOA、IOB、I0C的相位校对，并经过PI控制得到重复控制 目标值；将重复控制目标值与步骤3、步骤4的输出目标值叠加经过SVPWM，SVPWM为空间矢 量PWM调节，生成触发脉冲序列，经IGBT驱动电路控制绝缘栅双极型晶体管IGBT导通和关 断，从而控制逆变单元输出，达到补偿目标值。
【文档编号】H02J3/01GK104158193SQ201410415363
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月22日 优先权日:2014年8月22日
【发明者】王雷, 关战伟, 王贺萍 申请人:河南柏特电气设备有限公司