专利名称：一种基于spwm半波倍频控制的有源电力滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，尤其涉及双降 压全桥并联型有源电力滤波器，属于电力谐波抑制技术领域。
技术背景随着国民经济的发展和现代化技术的进步，电网负荷急剧增大，对电网无功功率 补偿的要求与日俱增。特别是如轧机、电弧炉等冲击、非线性负荷的不断增加，加上电力电 子技术的普遍应用，使得电网发生了电压波形畸变、电压波动闪变和三相不平衡等问题，产 生电能质量降低、网络损耗严重等不良影响。有源电力滤波器作为谐波及无功滤除装置的发展趋势之一，其拓扑结构、谐波及 无功检测和电流控制策略受到了广泛研究。比较两种主流型有源电力滤波器拓扑——半桥 型和全桥型结构，半桥结构虽然结构简单，控制容易，但表现出直流侧电容电压利用率低， 补偿特性一般，功率器件电压容量等级要求高等不可忽视的缺点，使得全桥型拓扑更具优 势，更为研究人员所关注。为了提高全桥型拓扑结构的有源电力滤波器的系统可靠性，控制 驱动环节不可避免需要增加一定的死区时间，影响补偿性能。而且，随着开关频率的增加， 有源电力滤波器的补偿性能会得到提升。因此在解决大容量的电网谐波及无功补偿问题 时，往往采取多级并联或级联等手段来缓解功率管开关频率在容量上的矛盾，以便得到更 优的补偿特性，这会带来成本的增加和控制的更为复杂。双降压全桥并联型有源电力滤波 器的功率管控制不需要死区时间，可完全杜绝桥臂直通问题，提高系统可靠性，同时功率管 体二极管的剥离，降低了功率管开关损耗，有益开关频率的提高。将常规的全桥型结构的控 制策略应用于双降压全桥并联型有源电力滤波器会造成电感出现环流，虽然对有源电力滤 波器的补偿特性影响不大，但会带来不必要的损耗，考虑到系统安全可靠性也不允许。因此 如何减少双降压全桥并联型有源电力滤波器的运行损耗，提高其装置效率，避免过热引起 设备安全性等问题有一定现实意义。考虑全桥型结构的有源电力滤波器控制策略已经采用 倍频技术，有利于提高功率管等效开关频率，从而带来滤波特性的优势，双降压全桥并联型 有源电力滤波器虽然有其特殊结构，如何引进这种先进技术对其实际应用同样十分重要。
实用新型内容实用新型目的本实用新型的目的在于以双降压全桥并联型有源电力滤波器为对象，针对其控制 技术存在的不足，提出一种SPWM半波倍频控制系统，避免有源电力滤波器工作时交流侧并 联双电感环流侧存在，并能缓解功率管开关频率与容量的矛盾，有利于降低有源滤波器系 统损耗，提高系统效率和滤波性能。技术方案本实用新型为实现上述实用新型目的采用如下技术方案一种基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，包括滤波器主电路、采样电路和控制及驱动电路；所述滤波器主电路的输入端分别与电网正母线、非线性负载的一端连接， 滤波器主电路的输出端分别与非线性负载的另一端、电网的负母线连接，采样电路的输入 端分别与滤波器主电路、电网侧电路连接，用于采集电流、电压的采样值；控制及驱动电路 包括无功检测环、电压环、电流环、逻辑控制及隔离驱动环；其中无功检测环的第一输入端、 电压环的输入端、电流环的第一输入端分别与采样电路的输出端连接；电压环的输出端与 无功检测环的第二输入端连接，无功检测环的输出端与电流环的第二输入端连接；电流环 的输出端与逻辑控制及隔离驱动环输入端连接，逻辑控制及隔离驱动环的输出端与滤波器 主电路连接。进一步地，上述基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器的滤波器主电路包括 交流侧并联电感电路、第一单功率管桥臂、第二单功率管桥臂和直流侧电容；其中交流侧并 联电感电路包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感；所述第一单功率管桥臂、第二单 功率管桥臂分别包括两个并联的桥臂；其中第一电感的一端、第二电感的一端相连作为滤 波器主电路的正输入端，第一电感的另一端与第一单功率管桥臂中任一桥臂的中点相连， 第二电感的另一端与第二单功率管桥臂中任一桥臂的中点相连；第三电感的一端、第四电 感的一端相连作为滤波器主电路的负输出端，第三电感的另一端与第一单功率管桥臂中的 另一桥臂的中点相连，第四电感的另一端与第二单功率管桥臂中的另一桥臂的中点相连； 所述直流侧电容的两端分别连接滤波器主电路的正负直流母线；所述采样电路包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2和电网电压采样VT1、直 流侧电容电压采样VT2 ；其中所述直流侧电容电压采样VT2的采样值输入至电压环的输入 端；所述负载电流采样CTl的采样值、电网电压采样VTl的采样值分别输入谐波及无功检测 电路的第一输入端；所述补偿电流采样CT2的采样值输入电流环的第一输入端。进一步地，上述基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器的第一单功率管桥臂 的第一桥臂包括第一功率管、第一二极管，第二桥臂包括第三功率管、第三二极管；其中第 一功率管的源极与第一二极管的阴极相连，第三功率管的源极与第三二极管的阴极相连；所述第二单功率管桥臂的第一桥臂包括第二功率管、第二二极管，第二桥臂包括 第四功率管、第四二极管；其中第二功率管的漏极与第二二极管的阳极连接，第四功率管的 漏极与第四二极管的阳极连接；第一功率管、第三功率管的漏极、第二二极管的阴极、第四二极管的阴极分别与 滤波器主电路的直流正母线连接，第二功率管的源极、第四功率管的源极、第一二极管、第 三二极管的阳极分别与滤波器主电路的直流负母线连接。进一步地，上述基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器的电压环包括第三减 法器、电压调节器；其中直流侧电压参考值、直流侧电容电压采样VT2的采样值分别输入所 述第三减法器的正、负输入端，第三减法器的输出端输出电压误差值输入至电压调节器的 输入端，电压调节器的输出端与谐波及无功检测电路的第二输入端连接。进一步地，上述基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器的谐波及无功检测环 包括第一乘法器、低通滤波器、加法器、第二乘法器、第二减法器、锁相环、比例系数调节器； 其中所述第一乘法器的输入端作为谐波及无功检测环的第一输入端，第一乘法器的输出端 连接低通滤波器的输入端；低通滤波器的输出端与加法器的第一输入端连接，加法器的第 二输入端作为谐波及无功检测电路的第二输入端与电压环的输出端连接；加法器的输出端连接比例系数调节器的输入端，比例系数调节器的输出端连接第二乘法器的第一输入端； 电网电压VTl的采样值输入锁相环后得到同步单位电网电压输入第二乘法器的第二输入 端；第二乘法器的输出端连接第二减法器的正输入端；负载电流CTl的采样值输入第二减 法器的负输入端；第二减法器的输出端作为谐波及无功检测环的输出端，输出谐波及无功 电流与电流环的第二输入端连接。进一步地，上述基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器的电流环包括第四减 法器、电流调节器、过零比较器、第二比较器和第三比较器；其中谐波及无功检测环的输出 端、补偿电流CT2的采样值分别连接第四减法器的正、负输入端；第四减法器的输出端连接 电流调节器的输入端；电流调节器的输出端分别接入第二比较器、第三比较器的正输入端， 第二比较器、第三比较器的负输入端分别接等频等幅反相的三角载波；过零比较器的正输 入端接谐波及无功检测环的输出端；过零比较器、第二比较器、第三比较器的输出端分别与逻辑控制及隔离驱动环的 输入端连接。进一步地，上述基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器的逻辑控制及隔离驱 动环包括三个非门、四个与门以及四个隔离驱动；其中三个非门分别为第一非门、第二非 门、第三非门，四个与门分别为第一与门、第二与门、第三与门、第四与门，四个隔离驱动分 别为第一隔离驱动、第二隔离驱动、第三隔离驱动、第四隔离驱动；其中所述过零比较器的输出端分别与第一非门、第二与门、第三与门的输入端连 接；所述第二比较器的输出端分别与第二非门、第三与门的输入端连接；所述第三比较器 的输出端分别第三非门、第二与门的输入端连接；所述第一非门的输出端分别与第一与门、 第四与门的输入端连接；所述第二非门的输出端连接第四与门的输入端，所述第三非门的 输出端连接第一与门的输入端；所述四个与门的输出端分别连接所述四个隔离驱动的输入 端，所述四个隔离驱动的输出端分别输出驱动信号至滤波器主电路中的四个功率管。有益效果1、本实用新型拓扑结构简单，控制容易，易于实现；2、本实用新型的单管桥臂结构将体二极管从功率管分离开，能分别优化功率开关 管和功率二极管，为进一步提高开关频率创造条件，以便提高滤波器谐波补偿特性；3、本实用新型相对于传统并联型有源电力滤波器，能杜绝桥臂直通的危险，系统 可靠性高；4、本实用新型能避免交流侧并联双电感间环流的产生，降低有源滤波器系统损 耗，提高系统效率；实际开关频率不变，提高等效开关频率，优化了有源电力滤波器补偿特 性。
图1是本实用新型的有源电力滤波器的结构示意图。图2本实用新型的有源电力滤波器的控制原理示意图。图3是本实用新型应用于115V/400HZ电网的负载电流、补偿电流、电网电流和电 网电压的仿真波形。图4是本实用新型应用于115V/400HZ电网的驱动信号和电感电流仿真波形。[0029]图中标号1、滤波器主电路，2、采样电路，3、控制及驱动电路，4、谐波及无功检测 环，5、电压环，6、电流环，7、逻辑控制及隔离驱动环。
具体实施方案
以下结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述如图1所示，本实用新型的有源电力滤波器包括滤波器主电路1、采样电路2和控 制及驱动电路3 ；滤波器主电路1与电网连接，采样电路2的输入端分别与滤波器主电路1、 电网侧电路连接，用于采集电流、电压的采样值；控制及驱动电路3包括无功检测环4、电压 环5、电流环6、逻辑控制及隔离驱动环7 ；其中无功检测环4的第一输入端、电压环5的输 入端、电流环6的第一输入端分别与采样电路2的输出端连接；电压环5的输出端与无功检 测环4的第二输入端连接，无功检测环4的输出端与电流环6的第二输入端连接；电流环6 的输出端与逻辑控制及隔离驱动环7输入端连接，逻辑控制及隔离驱动环7的输出端与滤 波器主电路1连接。如图2所示，本实用新型的控制原理示意图，主电路1由两组交流侧并联双电感L1 和L2, L3和L4,四组单功率管桥臂S1Dp S2D2, S3D3、S4D4以及直流侧电容(C)。采样电路2包 括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2和电网电压采样VT1、直流侧电容电压采样VT2。控 制及驱动电路3包括谐波及无功检测环4、电压环5、电流环6和逻辑控制及隔离驱动环7， 谐波及无功检测环4输入为电压环5输出、CTl负载电流采样值k和VTl电网电压采样值 us,其输出接入电流环6 ；电流环6输入为谐波及无功检测电路4输出和CT2采样值，其输出 三个信号分别接入逻辑控制及隔离驱动环7 ；逻辑控制及隔离驱动环7输入为电流环6三 个输出信号，其输出接入主电路1功率管栅极。谐波及无功检测环4利用瞬时功率算法，将CTl负载电流采样值k和VTl电网电 压采样值％输入乘法器M1,输出负载瞬时功率，然后经过低通滤波器LPF滤除瞬时无功及谐 波功率后得到瞬时有功功率，将低通滤波器LPF输出接入加法器B1输入之一另一输入接电 压环5输出，加法器B1输出乘以比例系数K (K取电网电压最大值Um倒数的2倍)后得到的 基波有功电流有效值，作为乘法器M2—个输入，VTl电网电压采样值us输入锁相环PLL后 得到同步单位电网电压作为乘法器M2另一个输入，乘法器M2输出为基波有功电流，将其和 CTl负载电流采样值k分别接入减法器B2正负输入，减法器B2输出为谐波及无功电流，即 补偿电流基准。电压环5中，减法器B3正负输入分别接直流侧电压参考VMf和VT2直流侧电容电 压采样值\，减法器B3输出电压误差接入电压调节器PI，电压调节器PI输出作为加法器B1 另一个输入，以保持直流侧电容电压恒定。电流环6中，减法器B4正负输入分别接谐波及无功检测环4输出和CT2补偿电流 采样值ie，减法器B4输出补偿电流误差接入电流调节器P，电流调节器P输出调制波分别接 入比较器J2和比较器J3正输入，两个比较器负输入分别接等频等幅反相的三角载波，分别 与调制波比较后比较器J3输出功率管S1和S2的SPWM控制信号，比较器J2输出功率管S3和 S4的SPWM控制信号；过零比较器J1正输入接谐波及无功检测环4输出，输出半波逻辑控制 信号。逻辑控制及隔离驱动环7用以分配SPWM信号，产生驱动信号，当过零比较器J1输出半波逻辑控制信号大于零时(即补偿电流基准的极性大于零)，过零比较器J1输出接入 非门F1后产生信号将与门Y1和与门Y4信号封锁，仅控制功率管S2和S3 ；反之，当过零比较 器J1输出半波逻辑控制信号等于零时(即补偿电流基准的极性小于零)，过零比较器J1输 出将与门Y2和Y3信号封锁，仅控制功率管S1和S4 ；比较器J2输出分别接入非门F2和与门 Y3，非门F2输出接入与门Y4 ；比较器J3输出分别接入非门F3和与门Y2，非门F3输出接入与 门Y1 ；与门YpY2、Y3、Y4输出分别接隔离驱动DRpDR2JRy DR4，最后得到滤波器主电路1中 功率管Sp S2, S3> S4的驱动信号。本实用新型采用的SPWM半波倍频控制的原理是使双降压全桥并联型有源电力滤 波器工作在两种工作模态在补偿电流大于零时，桥臂S2D2和S3D3参与工作；在补偿电流小 于零时，桥臂S1D1和S4D4参与工作，两种模态互补工作。电流控制策略采用SPWM控制方式， 调制波始终保持不变，桥臂S1D1和S2D2的调制共用一个三角载波，S3D3和S4D4的调制共用另 外一个三角载波，两个三角载波同频同幅反相，使得补偿电流每半波中都会出现零和正负 直流侧电压三个电位，实际开关频率不变，增加等效开关频率，有利于提高有源电力滤波器 的补偿特性。附图3是本实用新型应用于115V/400HZ电网的负载电流、补偿电流、电网电流和 电网电压的仿真波形。通过仿真发现本实用新型的电路拓扑具有良好的谐波补偿特性，电 网电流经过补偿后基本不含有谐波和无功分量，电网电流THD仅为2. 75%。附图4是本实用新型应用于115V/400HZ电网的驱动信号和电感电流仿真波形。由 驱动和电感的电流可以得知，每个桥臂均只在补偿电流单极性半波互补工作，不会出现环 流情况。单相双降压全桥并联型有源电力滤波器应用于115V/400HZ电网，电流控制策略 分别采用本实用新型的SPWM半波控制技术和SPWM半波倍频控制技术，对补偿后的电网电 流波形THD进行比较发现采用两种控制方式后，谐波及无功电流都得到较好了补偿，但是 采用本实用新型SPWM半波倍频控制技术的电网电流THD值要优于前者，分别为5. 21 %和 2. 75%。仿真结果表明本实用新型能够较好实现电网谐波治理，降低有源电力滤波系统 的损耗，并且能够提高其滤波效果。
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权利要求一种基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，包括滤波器主电路(1)、采样电路(2)和控制及驱动电路(3)；所述滤波器主电路(1)的输入端分别与电网正母线、非线性负载的一端连接，滤波器主电路(1)的输出端分别与非线性负载的另一端、电网的负母线连接，采样电路(2)的输入端分别与滤波器主电路(1)、电网侧电路连接，用于采集电流、电压的采样值；其特征在于所述控制及驱动电路(3)包括无功检测环(4)、电压环(5)、电流环(6)、逻辑控制及隔离驱动环(7)；其中无功检测环(4)的第一输入端、电压环(5)的输入端、电流环(6)的第一输入端分别与采样电路(2)的输出端连接；电压环(5)的输出端与无功检测环(4)的第二输入端连接，无功检测环(4)的输出端与电流环(6)的第二输入端连接；电流环(6)的输出端与逻辑控制及隔离驱动环(7)输入端连接，逻辑控制及隔离驱动环(7)的输出端与滤波器主电路(1)连接。
2.根据权利要求1所述的基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，其特征在于所 述滤波器主电路(1)包括交流侧并联电感电路、第一单功率管桥臂、第二单功率管桥臂和 直流侧电容C ；其中交流侧并联电感电路包括第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四 电感L4 ；所述第一单功率管桥臂、第二单功率管桥臂分别包括两个并联的桥臂；其中第一电 感！^的一端、第二电感L2的一端相连作为滤波器主电路(1)的正输入端，第一电感L1的另 一端与第一单功率管桥臂中任一桥臂的中点相连，第二电感L2的另一端与第二单功率管桥 臂中任一桥臂的中点相连；第三电感L3的一端、第四电感L4的一端相连作为滤波器主电路 (1)的负输出端，第三电感“的另一端与第一单功率管桥臂中的另一桥臂的中点相连，第四 电感L4的另一端与第二单功率管桥臂中的另一桥臂的中点相连；所述直流侧电容C的两端 分别连接滤波器主电路(1)的正负直流母线；所述采样电路(2)包括负载电流采样CT1、补偿电流采样CT2和电网电压采样VT1、直 流侧电容电压采样VT2 ；其中所述直流侧电容电压采样VT2的采样值(Vc)输入至电压环 (5)的输入端；所述负载电流采样CTl的采样值(ij、电网电压采样VTl的采样值(Us)分别 输入谐波及无功检测电路(4)的第一输入端；所述补偿电流采样CT2的采样值(ic)输入电 流环(6)的第一输入端。
3.根据权利要求2所述的基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，其特征在于所 述第一单功率管桥臂的第一桥臂包括第一功率管S1、第一二极管D1,第二桥臂包括第三功 率管S3、第三二极管D3 ；其中第一功率管S1的源极与第一二极管D1的阴极相连，第三功率 管S3的源极与第三二极管D3的阴极相连；所述第二单功率管桥臂的第一桥臂包括第二功率管S2、第二二极管D2,第二桥臂包括 第四功率管S4、第四二极管D4 ；其中第二功率管S2的漏极与第二二极管D2的阳极连接，第 四功率管S4的漏极与第四二极管D4的阳极连接；第一功率管S1、第三功率管S3的漏极、第二二极管D2的阴极、第四二极管D4的阴极分 别与滤波器主电路(1)的直流正母线连接，第二功率管S2的源极、第四功率管S4的源极、第 一二极管D1、第三二极管D3的阳极分别与滤波器主电路(1)的直流负母线连接。
4.根据权利要求2所述的基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，其特征在于所 述电压环(5)包括第三减法器(B3)、电压调节器(PI)；其中直流侧电压参考值(Vref)、直流 侧电容电压采样VT2的采样值(Vc)分别输入所述第三减法器(B3)的正、负输入端，第三减 法器(B3)的输出端输出电压误差值输入至电压调节器(PI)的输入端，电压调节器(PI)的输出端与谐波及无功检测电路(4)的第二输入端连接。
5.根据权利要求2所述的基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，其特征在于所 述谐波及无功检测环(4)包括第一乘法器(M1)、低通滤波器(LPF)、加法器(B1)、第二乘法器 (M2)、第二减法器(B2)、锁相环(PLL)、比例系数调节器⑷；其中所述第一乘法器(M1)的输 入端作为谐波及无功检测环(4)的第一输入端，第一乘法器(M1)的输出端连接低通滤波器 (LPF)的输入端；低通滤波器(LPF)的输出端与加法器(B1)的第一输入端连接，加法器(B1) 的第二输入端作为谐波及无功检测电路(4)的第二输入端与电压环(5)的输出端连接；加 法器(B1)的输出端连接比例系数调节器⑷的输入端，比例系数调节器⑷的输出端连接 第二乘法器(M2)的第一输入端；电网电压VTl的采样值(Us)输入锁相环(PLL)后得到同步 单位电网电压输入第二乘法器(M2)的第二输入端；第二乘法器(M2)的输出端连接第二减 法器(B2)的正输入端；负载电流CTl的采样值(ij输入第二减法器(B2)的负输入端；第二 减法器(B2)的输出端作为谐波及无功检测环(4)的输出端，输出谐波及无功电流与电流环 (6)的第二输入端连接。
6.根据权利要求2所述的基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，其特征在于所 述电流环(6)包括第四减法器(B4)、电流调节器(P)、过零比较器α)、第二比较器(J2)和 第三比较器(J3)；其中谐波及无功检测环⑷的输出端、补偿电流CT2的采样值(ie)分别 连接第四减法器(B4)的正、负输入端；第四减法器(B4)的输出端连接电流调节器(P)的输 入端；电流调节器(P)的输出端分别接入第二比较器(J2)、第三比较器(J3)的正输入端，第 二比较器(J2)、第三比较器(J3)的负输入端分别接等频等幅反相的三角载波；过零比较器 (J1)的正输入端接谐波及无功检测环⑷的输出端；过零比较器α)、第二比较器α)、第三比较器(J3)的输出端分别与逻辑控制及隔离 驱动环(7)的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器，其特征在于所 述逻辑控制及隔离驱动环(7)包括三个非门、四个与门以及四个隔离驱动；其中三个非门 分别为第一非门F1、第二非门F2、第三非门F3,四个与门分别为第一与门Y1、第二与门Y2、第 三与门Y3、第四与门Y4,四个隔离驱动分别为第一隔离驱动DR1、第二隔离驱动DR2、第三隔离 驱动DR3、第四隔离驱动DR4 ；其中所述过零比较器(J1)的输出端分别与第一非门F1、第二与门Y2、第三与门Y3的输 入端连接；所述第二比较器(J2)的输出端分别与第二非门F2、第三与门Y3的输入端连接； 所述第三比较器(J3)的输出端分别第三非门F3、第二与门Y2的输入端连接；所述第一非门 F1的输出端分别与第一与门Y1、第四与门Y4的输入端连接；所述第二非门F2的输出端连接 第四与门Y4的输入端，所述第三非门F3的输出端连接第一与门Y1的输入端；所述四个与门 的输出端分别连接所述四个隔离驱动的输入端，所述四个隔离驱动的输出端分别输出驱动 信号至滤波器主电路(1)中的四个功率管。
专利摘要本实用新型公开了一种基于SPWM半波倍频控制的有源电力滤波器。本实用新型包括滤波器主电路(1)、采样电路(2)和控制及驱动电路(3)；控制及驱动电路(3)包括无功检测环(4)、电压环(5)、电流环(6)、逻辑控制及隔离驱动环(7)；无功检测环(4)利用低通滤波器对有功功率、谐波及无功功率进行分离控制可得谐波及无功电流，电压环(5)、电流环(6)分别用以稳定直流侧电容电压和跟踪补偿谐波及无功电流基准，逻辑控制及隔离驱动环(7)进行逻辑信号分配和产生驱动信号。本实用新型不仅能够避免交流侧并联双电感环流存在，同时有利于提高功率管等效开关频率，缓解功率管容量与开关频率的矛盾，优化有源滤波器系统补偿特性。
文档编号H02J3/01GK201758283SQ201020294290
公开日2011年3月9日 申请日期2010年8月17日 优先权日2010年8月17日
发明者陈仲 申请人:南京航空航天大学