有源电力滤波器的制作方法

本实用新型一种滤波器，具体是一种有源电力滤波器，属于电能质量控制技术领域。

背景技术：

近年来，随着电力需求的增加，电网结构越来越复杂，导致谐波问题越来越严重。apf作为一个高效的谐波补偿装置，其因具有不断补偿谐波的能力而受到广泛关注，而无源滤波器则不能，此外，apf响应更快，并且具有高精度的补偿谐波能力。lcl滤波器是apf的重要组成部分，其与l输出滤波器相比具有更显著的滤波效果，由于lcl滤波器中的谐振点会影响系统的稳定性，因此，研究lcl滤波器的阻尼控制策略至关重要。

常见的阻尼策略可分为两类：无源阻尼策略和有源阻尼策略，其中，有源电力滤波器，其基本原理是检测负载谐波，注入反向谐波，以谐波的相互抵消达到滤波的目的，一般的有源电力滤波器是一个电流模式的电压源逆变器，其输出电流是通过逆变器输出电压作用在输出电感上产生的。有源阻尼策略近年来成为研究的热点，因为它可以通过改变系统结构来抑制共振而没有功率损耗，能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性。

目前市场上有多种有源阻尼策略，其中一种是为了消除lcl滤波器的共振现象，计算和预测转换器侧的电感电压，然后从高通滤波器获得高频分量并在控制器前设置比例反馈回路。但是，感应电压预测的过程涉及数值微分，这可能引入高频噪声，该方法仅适用于有源整流器场合，如果应用于apf系统，高频噪声问题对于多次谐波变得更加严重，使得此方法难以实现。

有学者提出了一种采用带电容电压反馈的方法，但在参数选择过程中，需要准确的电网等效阻抗参数，此外，还需要额外的传感器来获取滤波电容电压，并对超前-滞后环节参数进行重复计算，这种方法不适合实际应用。

还有学者提出了一种利用数字控制中固有的一阶延迟来稳定lcl滤波器的电流环控制方法，该方法不需要额外的传感器，只需要补偿电流检查，其操作简单，成本低。但是电流回路的稳定性不是很高，虽然应用更多时间延迟且低通滤波器可以提系统稳定性，但仍会导致严重的相位延迟。另外，向控制器添加相应的相位延迟补偿涉及复杂的操作，效果不太明显。

上述有源阻尼策略实现了几种不同的lcl滤波器共振抑制方法，但它们都有相应的缺点，因此，阻尼抑制需要进一步优化。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题，本实用新型提供一种有源电力滤波器，无需额外的传感器来获取滤波电容电压，电流回路稳定性高，能够提高谐波电流检测精度，降低检测失真，提高谐波电流补偿效果。

本实用新型一种有源电力滤波器，包括检测与控制模块、驱动模块、功率单元和apf模块，其中，检测与控制模块包括：

两相坐标系变换模块，用于将三相负载电流变换为两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流，其中两相坐标系与电路中电压矢量同步旋转；

低通滤波器，用于将两相坐标系变换模块输出的二相负载电流中d、q分量各自的谐波分量电流滤除，以获得基波电流分量；

三相坐标系变换模块，用于将经低通滤波器处理后的基波分量电流变换为三相(a-b-c)坐标系下的三相负载电流的基波分量电流；

减法器，用于将三相负载电流与三相坐标系变换模块206输出的基波分量电流相减，获得谐波电流；

pr控制器模块，其输入端与减法器输出端相连，用于将其内部的pr控制器的输出减去经虚拟电阻反馈的电容电流以衰减apf的谐振峰值；pr控制器模块内部的pr控制器用于跟踪负载电流中指定频率的正弦信号；

pwm模块，其输入端与rp控制器模块输出端相连，其输出端通过驱动模块与功率单元输入端相连，用于产生控制有源电力滤波器的功率单元210脉冲宽度调制信号；

功率单元输出端与apf模块输入端相连，apf模块输出端通过电抗器与电网的一根母线相连。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型通过坐标变换、低通滤波器实现精确检测谐波电流，利用pwm模块207产生功率单元210的控制信号。采用虚拟电阻抑制apf的谐振峰，相比于无源阻尼策略更加节能，比陷波滤波器等策略有着更优的普遍性及实用性，不仅具有精确检测并滤除谐波电流的特点，还有效地解决了apf的谐波共振问题。

2.本实用新型将得到的基波分量反馈到谐波电流检测环节，降低了检测失真，提高了谐波电流补偿效果。

3.本实用新型谐波电流直接由三相负载得到，不需做任何计算，避免了计算过程中四舍五入的偏差，提高了谐波电流的检测精度。

4.本实用新型在三相坐标变换模块中加入了算法延时补偿功能，对软件算法所产生的延时进行了补偿，从而使基波电流基波分量更加准确。

5.本实用新型采用pr控制器，通过调节比例增益和积分增益来满足稳定性、稳态性能和动态性能，通过调节截止频率来抑制频率波动给apf带来的扰动，解决了坐标变换的问题，容易实现。

附图说明

图1是本实用新型虚拟电阻策略等效控制结构图；

图2是本实用新型结构框图；

图3是本实用新型基于虚拟电阻策略的有源电力滤波器仿真滤波效果展示。

图中：202.电流互感器，203.整流非线性负载，204.两相坐标系变换模块，205.低通滤波器，206.三相坐标系变换模块，207.pwm模块，209.igbt驱动电路，210.功率单元，211.电抗器，213.减法器，214.pr控制器模块，215.apf模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，为虚拟电阻策略等效控制结构图，adsv(虚拟电路策略)只需要在lcl电路中引入一个k＝l1/(cfrd)的比例回路，简单易行。

相比于无源阻尼方法，有源阻尼方法不需要引入实际电阻，不会增加系统功率损耗，提高了apf系统效率。虚拟电阻法的原理是：通过控制算法来替代实际阻尼电阻的作用，实现谐振抑制，硬件上，该方法需要在电容支路上添加一组传感器，对电容电流进行检测。

图1中展示的是虚拟电阻并电容法，实线部分为未引入并联虚拟电阻的系统控制框图，三者构成lcl模块。电流流入pr控制器，流入lcl模块，最后输出，其中电容的电流通过虚线部分一个的比例环节，反馈到电压给定。

如图2所示，为本实用新型结构框图，本实用新型一种有源电力滤波器，检测与控制模块、igbt驱动电路209、功率单元210和apf模块215，其中，检测与控制模块包括两项坐标变换模块204、低通滤波器205、三项坐标变换模块206、减法器213、pr控制器模块214、pwm模块207；

两项坐标变换模块204输出端与低通滤波器205输入端相连，低通滤波器205输出端与三项坐标变换模块输入端相连，三项坐标变换模块输出端与减法器213输入端相连，减法器213输出端与pr控制器模块214输入端相连，pr控制器模块214输出端与pwm模块207输入端相连，pwm模块207输出端与igbt驱动电路209输入端相连，igbt驱动电路209输出端与功率单元210输入端相连，功率单元210输出端与apf模块215输入端相连，apf输出端通过电抗器211与电网的一根母线相连。

其中，两相坐标系变换模块204，用于将三相负载电流变换为两相坐标系即d-q坐标系下的二相负载电流，其中两相坐标系与电路中电压矢量同步旋转；

低通滤波器205，用于将两相坐标系变换模块204输出的二相负载电流中d、q分量各自的谐波分量电流滤除，以获得基波电流分量；

三相坐标系变换模块206，用于将经低通滤波器205处理后的基波分量电流变换为三相a-b-c坐标系下的三相负载电流的基波分量电流；

减法器213，用于将三相负载电流与三相坐标系变换模块206输出的基波分量电流相减，获得谐波电流；

pr控制器模块214，其输入端与减法器213输出端相连，用于将其内部的pr控制器的输出减去经虚拟电阻反馈的电容电流以衰减apf的谐振峰值；pr控制器模块214内部的pr控制器用于跟踪负载电流中指定频率的正弦信号，即需向电网补偿的谐波电流；

pwm模块207，用于产生控制有源电力滤波器的功率单元210脉冲宽度调制信号。

工作时，电网给整流非线性负载203供电，电流互感器202采样三相负载电流ila、ilb、ilc，通过两相坐标系变换模块204，将il变换为二相负载电流，再低通滤波器205模块205滤除二相负载电流的谐波分量，得到基波分量电流，经过三相坐标系变换模块206变换为三相负载电流的基波分量电流，三相负载电流ila、ilb、ilc通过减法器213去除基波电流成分，得到三相谐波电流，再减去apf模块215的输出电流，作为pr控制器模块214内部pr控制器的给定输入，pr控制器用于跟踪负载电流中指定频率的正弦信号，即需向电网补偿的谐波电流。pr控制器模块214有两个方面的功能，即包含了pr控制器，并将pr控制器的输出减去经虚拟电阻反馈的电容电流以衰减apf的谐振峰值，所得输出信号再作为pwm生成模块207的给定信号，pwm生成模块207采用pwm调制技术获得调制波，作为igbt驱动电路209的输入信号，igbt驱动电路209输出的控制信号用以控制功率单元210的输出，最后依次通过apf模块215、电抗器211向电网注入指定的补偿电流，达到补偿电网的谐波和无功功率、提高电能质量、增强电网的可靠性和稳定性的目的。

如图3所示，为系统仿真结果图，在本实用新型的一个实施例中，在仿真系统中输入一套仿真数据参数，图1中各器件相关仿真参数如下：栅极等效电感ls为0.1mh；逆变器侧电感l1为2mh；网络侧电感l2为0.784mh；滤波电容cf为5μf。系统仿真交流电压us为380v,50hz；其他仿真参数还包括：直流测电压udc为750v，开关频率f为10khz；整流桥负载电阻r为4ω；

由图3可知，基于虚拟电阻策略的有源电力滤波器仿真网侧电流畸变率为1.82％，滤波效果显著。