三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法
【专利摘要】本发明提供一种三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法，提取出线路电流的谐波及负序和零序分量之和，作为控制的指令电流；有源滤波器交流侧三相电流和中性线电流作为反馈电流，将指令电流和反馈电流分别经abc-dqO变换后，对dqO轴各电流分量进行前馈解稱控制和dqO-abc变换输出三相电压；对中性线电流单独进行补偿控制。并通过直流侧电压稳定控制和直流侧电压均衡控制，实现直流侧电压均衡和直流侧电压稳定的目的。本发明能够有效地解决三相四线制中负载不平衡引起的中性线过流等问题，控制系统响应速度快，能够实现动态实时补偿，控制效果优良。
【专利说明】三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性 线电流的控制方法。
【背景技术】
[0002] 中国的低压配网中，大多以三相四线制向用户供电，如果大功率单相负载不均衡 接入三相电网或单相负荷的用电不同时性，这些将导致配网的三相不平衡。同时也将会带 来一系列危害，例如，中性线电流过大导致线路烧毁、产生的零序电流给变压器带来损耗、 三相电压不对称等供电质量问题等。
[0003] 解决上述负载三相不平衡带来的中性线电流过大等问题，比较常用方法是采用有 源滤波器进行补偿控制。从输出电平个数方面分类，有源滤波器包括两电平和三电平两种 拓扑结构；从桥臂个数方面分类，有源滤波器包括三桥臂和四桥臂两种拓扑结构。其中，三 电平拓扑结构在目前的工程中常用，四桥臂拓扑结构可实现对中性线电流的独立控制。因 此，采用三点平四桥臂有源滤波器对中性线电流进行补偿控制，效果比较好。
[0004] 三电平四桥臂有源滤波器具有以下优点：三电平型拓扑结构比两电平型拓扑结 构，各开关器件承受的反向电压低，且输出波形更接近正弦波；四桥臂型拓扑，可以实现对 三相电流和中性线电流的独立控制，分工明确，控制实现比较容易。采用三电平四桥臂拓扑 结构，既经济又可靠。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种三电平四桥臂有源滤波器补偿配 网中性线电流的控制方法，能够有效地解决三相四线制中负载不平衡引起的中性线过流等 问题，控制系统响应速度快，能够实现动态实时补偿，控制效果优良。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0007] 本发明提供一种三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法，所述 控制方法包括以下步骤：
[0008] 步骤1 :直流电压稳定控制模块输出直流侧电压调节信号，叠加到补偿电流提 取模块的瞬时有功电流直流分量巧上，完成直流侧电压的稳定控制；
[0009] 步骤2 :直流侧电压均衡控制模块输出直流侧电容均衡调节信号Λ id%叠加到电 流内环控制模块输出的三相电压信号Va Mf、Vb Mf、Ve Mf上，得到三相调制信号Vmef、Vtof、 V_f，完成直流侧电压的均衡控制；
[0010] 步骤3 :中性线电流反馈控制模块输出中性线电压调制信号V_f;
[0011] 步骤4 :将Va,ef、Vb,ef、Vraef、V mef作为调制波输入SPWM控制模块，所述SPWM控制模 块控制三电平四桥臂有源滤波器中开关器件的开通和关断。
[0012] 所述直流侧电压稳定控制模块中，将直流侧电压指令值Ude Mf与直流侧电压反馈 值ud。进行比较，并经PI调节，最后输出直流侧电压调节信号Λ id。
[0013] 所述补偿电流提取模块中，三相线路电流IA、IB、I。包括零序电流分量L，将剔除I。 的三相线路电流Ι Α1、ΙΒ1、Ια经abc-dq变换，得到瞬时有功电流Id和瞬时无功电流I,，再经 过低通滤波器，得到瞬时有功电流直流分量&和瞬时无功电流的直流分量&，且&、G对应 IA、IB、Ic的基波正序分量err_A、err_B、err_C ; &与直流侧电压稳定控制模块输出的直流 侧电压调节信号Δ id叠加；从IA、IB、I。中分别减去err_A、err_B、err_C，即可得到I A、IB、 I。中的谐波、负序和零序分量之和I_f、IbMf、I。#，即补偿电流提取模块输出的指令电流。
[0014] 所述直流侧电压均衡控制模块中，将三电平四桥臂有源滤波器的上桥臂电容电压 值udcai和下桥臂电容电压值u dc;_12进行比较，并经过PI调解，最后输出直流侧电容均衡调 节信号Λ i/。
[0015] 所述电流内环控制模块中，补偿电流提取模块输出的指令电流Ia,ef、I b,ef、Iraef和 三相反馈电流 Ia-。。_、Ib-。卿、I。-。。_ 分别经 abc-dqo 变换，得到 Iref-d、Iref-q、Iref-?和 1。琴-d、Iconip- q、Icomp-0' Iref-d、Iref-q、Iref-0 和I_p_d、I_p_q、1。__。经过前馈解耦控制模块后，输出 Vdref、Vqref、 VQ,ef，再经过dq〇-abC变换，得到电流内环控制模块输出的三相电压信号V a ,ef、Vb ,ef、V。,ef。
[0016] 所述前馈解耦控制模块中，先将 Iref-d Icomp_d、^ref_q Icomp_q、Iref-0 与1。__。分别 进行比较后，再经过PI调节；再将三相并网电压Ea ramp、Eb _p、E。。_经abc-dqo变换后得到 Ed-c〇mp、Ε"πρ、EQ- ramp，经d、q轴交叉解耦和Ed-与Ε"πρ的前馈控制，得到Vdref和V qref，将 EcL。。mp前馈控制，得到Vεf。
[0017] 所述中性线电流反馈控制模块中，将中性线电流指令值In_Mf与中性线电流反馈值 In__p比较，并经PI调节，输出中性线电压调制信号作为第四桥臂PWM控制的调制波。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0019] 1)考虑了三相四线制存在零序电流的特殊性；
[0020] 2)指令电流检测算法不受电网波形畸变的影响；
[0021] 3)能够实现电流快速跟踪控制；实现对中性线电流的单独控制，受其他各相电流 控制的影响较小；
[0022] 4)能够保证直流侧电压稳定及直流侧两电容电压均衡，提高了系统的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明实施例中三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方 法示意图；
[0024] 图2是本发明实施例中补偿电流提取模块框图；
[0025] 图3是本发明实施例中电流内环控制模块框图；
[0026] 图4是本发明实施例中三电平四桥臂有源滤波器主电路拓扑结构图；
[0027] 图5是本发明实施例中abc-dq坐标变换示意图；
[0028] 图6是本发明实施例中SPWM控制模块框图；
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0030] 如图1，本发明提供一种三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方 法，所述控制方法包括以下步骤：
[0031] 步骤1 :直流电压稳定控制模块输出直流侧电压调节信号Aid，叠加到补偿电流提 取模块的瞬时有功电流直流分量巧上，完成直流侧电压的稳定控制；
[0032] 步骤2 :直流侧电压均衡控制模块输出直流侧电容均衡调节信号Λ id%叠加到电 流内环控制模块输出的三相电压信号Va Mf、Vb Mf、Ve Mf上，得到三相调制信号Vmef、Vtof、 V_f，完成直流侧电压的均衡控制；
[0033] 步骤3 :中性线电流反馈控制模块输出中性线电压调制信号V_f ;
[0034] 步骤4 :将VaMf、Vfcef、V_f、Vmef作为调制波输入SPWM控制模块（如图6)，所述SPWM 控制模块控制三电平四桥臂有源滤波器中开关器件的开通和关断。
[0035] 所述直流侧电压稳定控制模块中，将直流侧电压指令值Udc; Mf与直流侧电压反馈 值ud。进行比较，并经PI调节，最后输出直流侧电压调节信号Λ id。
[0036] 如图2(PLLtheta为锁相角），所述补偿电流提取模块中，三相线路电流14、1^1。包 括零序电流分量1〇,将剔除的三相线路电流I A1、IB1、IC1经abc-dq变换，得到瞬时有功电 流、和瞬时无功电流I,，再经过低通滤波器，得到瞬时有功电流直流分量G和瞬时无功电 流的直流分量&，且乙、G对应IA、IB、I。的基波正序分量err_A、err_B、err_C ; &与直流侧 电压稳定控制模块输出的直流侧电压调节信号Λ id叠加；从IA、IB、I。中分别减去err_A、 err_B、err_C，即可得到IA、IB、I。中的谐波、负序和零序分量之和Imrf、I bMf、，即补偿电 流提取模块输出的指令电流。
[0037] 所述直流侧电压均衡控制模块中，将三电平四桥臂有源滤波器的上桥臂电容电压 值Udcai和下桥臂电容电压值udc;_12进行比较，并经过PI调解，最后输出直流侧电容均衡调 节信号Λ i/。
[0038] 如图4,所述电流内环控制模块中，补偿电流提取模块输出的指令电流IaMf、I bMf、 Iraef 和三相反馈电流 Ia__p、Ib__p、1。_。_ 分别经 abc-dqO 变换，得到 Iref d、Iraf (1、Iraf (l 和 I_p_ d、I comp-q、I comp-0，Iref-d、Iref-q、Iref-0 矛口 Icomp-d、Icomp-q、Icomp-0 经过前馈解耦控制模块后，输出 Vdref、 v#、Vef，再经过dq〇-abC变换，得到电流内环控制模块输出的三相电压信号Va Mf、Vb Mf、 Vc-ref。
[0039] 所述前馈解耦控制模块中，先将 Iref-d Icomp_d、^ref_q Icomp_q、Iref-0 与1。__。分别 进行比较后，再经过PI调节；再将三相并网电压Ea ramp、Eb _p、E。。_经abc-dqo变换后得到 Ed-c〇mp、Ε"πρ、EQ- ramp，经d、q轴交叉解耦和Ed-与Ε"πρ的前馈控制，得到Vdref和V qref，将 EcL。。mp前馈控制，得到Vεf。
[0040] 图5是三电平四桥臂有源滤波器主电路拓扑结构图，主要有三电平四桥臂逆变 器、滤波电感、直流侧电容构成，接入配网380V线路上。
[0041] 三电平四桥臂有源滤波器主电路的数学模型推导如下：
[0042] 如果定义单极性二值逻辑开关函数为：
[0043]
【权利要求】
1. 三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法，其特征在于：所述控制 方法包括以下步骤： 步骤1 :直流电压稳定控制模块输出直流侧电压调节信号Aid，叠加到补偿电流提取模 块的瞬时有功电流直流分量上，完成直流侧电压的稳定控制； 步骤2 :直流侧电压均衡控制模块输出直流侧电容均衡调节信号△ i/，叠加到电流内 环控制模块输出的三相电压信号Va_,ef、Vb_,ef、V e_,ef上，得到三相调制信号Va,ef、Vb, ef、Vraef，完 成直流侧电压的均衡控制； 步骤3 :中性线电流反馈控制模块输出中性线电压调制信号V_f ; 步骤4 :将VaMf、VbMf、V_f、作为调制波输入SPWM控制模块，所述SPWM控制模块控 制三电平四桥臂有源滤波器中开关器件的开通和关断。
2. 根据权利要求1所述的三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法， 其特征在于：所述直流侧电压稳定控制模块中，将直流侧电压指令值U d。与直流侧电压反 馈值Ud。进行比较，并经ΡΙ调节，最后输出直流侧电压调节信号Λ id。
3. 根据权利要求1所述的三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法， 其特征在于：所述补偿电流提取模块中，三相线路电流I A、IB、I。包括零序电流分量L，将剔 除L的三相线路电流ΙΑ1、Ι Β1、Ια经abc-dq变换，得到瞬时有功电流Id和瞬时无功电流I,， 再经过低通滤波器，得到瞬时有功电流直流分量G和瞬时无功电流的直流分量&，且巧、G 对应IA、IB、I。的基波正序分量err_A、err_B、err_C ; /1与直流侧电压稳定控制模块输出的 直流侧电压调节信号八；[(1叠加；从]^、113、1。中分别减去61'1'_4、61'1'_8、61'1'_(：，即可得到]^、 IB、I。中的谐波、负序和零序分量之和IaMf、IbMf、I。#，即补偿电流提取模块输出的指令电 流。
4. 根据权利要求1所述的三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法， 其特征在于：所述直流侧电压均衡控制模块中，将三电平四桥臂有源滤波器的上桥臂电容 电压值U dcai和下桥臂电容电压值UdcJ2进行比较，并经过PI调解，最后输出直流侧电容均 衡调节信号Λ i/。
5. 根据权利要求1所述的三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法， 其特征在于：所述电流内环控制模块中，补偿电流提取模块输出的指令电流I aMf、IbMf、I_f 和三相反馈电流Ia__p、Ib__p、1。_。。_分别经abc-dqO变换，得到I raf d、I?J、Iraf (l和I_p d、 Icomp-q、Icomp-0，Iref-d、Iref-q、Iref-0 矛口 Icomp-d、Icomp-q、 I_PJ1经过前馈解耦控制模块后，输出 Vdref、 v#、Vef，再经过dq〇-abC变换，得到电流内环控制模块输出的三相电压信号Va Mf、Vb Mf、 Vc-ref。
6. 根据权利要求5所述的三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法， 其特征在于：所述前馈解耦控制模块中，先将I Mf_d与I_p_d、IMf_ q与与I_PJI分 别进行比较后，再经过PI调节；再将三相并网电压Ea ramp、Eb _p、E。。_经abc-dqO变换后得 到Ed__p、Ε_ ρ、Ε_ρ，经d、q轴交叉解耦和Ed_ramp与Ε_ ρ的前馈控制，得到VdMf和V_， 将馈控制，得到Vrf。
7. 根据权利要求1所述的三电平四桥臂有源滤波器补偿配网中性线电流的控制方法， 其特征在于：所述中性线电流反馈控制模块中，将中性线电流指令值Ι η μ与中性线电流反 馈值In__p比较，并经PI调节，输出中性线电压调制信号vmrf作为第四桥臂PWM控制的调 制波。
【文档编号】H02J3/01GK104218587SQ201410500286
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】祁欢欢, 赵波 申请人:国家电网公司, 国网智能电网研究院