专利名称：一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法
技术领域：
本发明涉及有源电力滤波器的技术领域，特别涉及一种复合型的四桥臂并联有源电力 滤波器控制方法。
背景技术：
四桥臂并联有源电力滤波器被广域应用于解决三相四线制电力系统中日益严重的谐 波和中线电流过大的问题。随着非线性负荷应用的不断增加，三相四线制电力系统中的谐 波和中线电流出现了新的特征在不同季节、不同月份、不同工作日、甚至在同一工作日的 不同时段，谐波特性的变化较大。因此对有源电力滤波器新的要求是在负载谐波含量较大 时能对谐波和中线电流进行良好的补偿，即具有快速响应性；在负载谐波含量较小时自身 输出的纹波电流较小，即具有高控制精度。综合而言即要求有源电力滤波器具有较高的自 适应能力。影响有源电力滤波器补偿快速性和控制精度的因素主要包括(1)参考电流的计 算。其计算的速度和准确性将分别影响有源电力滤波器的响应速度和控制精度。(2)有源 电力滤波器的元件参数和运行参数。主要包括桥臂输出电感值、直流侧电压等。(3)开关 控制策略。有源电力滤波器基本的开关控制方法可分为开关频率不固定的方法，如电流滞 环控制，和开关频率固定的方法，后者又可分为载波型和空间矢量型两种。在上述影响因素 中，参考电流的计算方法和有源电力滤波器的参数一般在运行过程中基本保持不变，因此 研究适用的开关控制策略以确保有源电力滤波器具有较高的自适应能力是最可行的方案。在四桥臂并联有源电力滤波器的开关控制策略中，电流滞环控制能使得桥臂输出 电流在一个开关控制周期内具有恒定的变化率，相当于存在一定的过补偿，因此其响应速 度快，适用于谐波含量较大的情况。但这种过补偿使得在谐波含量较小时补偿电流中纹波 电流也较大，控制精度变差，同时它存在开关频率不固定的缺点。载波控制和空间矢量控制 均是通过改变一个开关控制周期内开关管开通和关断时间的比例来控制输出电流，控制精 度高，开关频率固定。但由于参考值计算和电流变化时必然存在的滞后，这两种控制方式均 存在当谐波含量较大时响应速度不足的问题。为了解决上述常规开关控制策略无法兼顾高谐波含量时响应速度要求和低谐波 含量时控制精度要求的矛盾，一些研究提出了诸如基于预测技术、基于人工智能技术等的 解决方法，但均存在实现复杂的缺点而未得到广泛应用。因此，若能设计一种将电流滞环与空间矢量控制相结合的复合控制策略，充分利 用电流滞环控制响应速度快以及空间矢量控制控制精度高的优点，将能保证并联有源电力 滤波器在不同谐波状况时均具有良好的补偿性能，提高有源电力滤波器的自适应能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法。该方 法使得四桥臂并联有源电力滤波器同时具有控制精度高和响应速度快的优点，能满足各种 谐波状况下谐波和中线电流补偿的要求。
本发明的技术方案为一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器的控制方法，所述 四桥臂并联有源电力滤波器，包括并联在电力系统和非线性负荷之间的四桥臂有源电力滤 波器，四桥臂有源电力滤波器中的桥臂A，B, C, N接入电力系统和非线性负荷之间的节点分 别记为ii，b，C，n，四桥臂有源电力滤波器中的桥臂A，B，C分别输出电流iFb, 4，电流 iFn流入桥臂N，直流侧电容与桥臂A，B, C, N均并联；非线性负荷的电流信号包括电流iLa, iLb, iLc, iz ，非线性负荷吸收电流4，iLb, 4，输出电流4，电流4，iLb, 4为补偿前的 电力系统电流，电流iz 为中线电流；电力系统提供电压信号&3，usb, ^，电力系统的电流 信号包括电流ife，isb, iSc, 4，电力系统提供电流、，isb, 4，电流4沿中线流回电力 系统，电流乙，isb, 4为补偿后的电力系统电流，电流4为中线电流；桥臂A的上下开关 管5 ，由控制脉冲幼/7，幼/7分别控制，桥臂B的上下开关管5F&由控制脉冲 SBp, 分别控制，桥臂C的上下开关管SWcp, 由控制脉冲5场，5 分别控制，桥臂 N的上下开关管5F#P，5F#/J由控制脉冲5膠，分别控制；通过设置控制脉冲幼/7，SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, 5M 消除谐波，并使得电力系统的中线电流乙减小为0，脉冲 设置实现方式包括以下步骤，
某一开关控制周期内补偿前电力系统的畸变电流信号为电流iZ3，iLb, 4，通过电流 iLa, iLb, 4得到50Hz正序有功分量iZ3/，iLbf, ，并作为补偿后电力系统电流的目标信 号；将电流iZ3，iLb, 4减去各自50Hz正序有功分量iZ3/，iLbf, 4，得到桥臂A，B，C输出 电流的参考电流信号^&，iFb,ref, &；桥臂N输出电流的参考电流信号等于非 线性负荷的中线电流
根据参考电流信号，iFb,ref, iFc,ref, 4m和四桥臂有源电力滤波器的电压电流 方程，计算得到桥臂A，B，C中点对桥臂N中点电压的参考电压信号《^6/ ，umref, Umref，然、 后计算得到桥臂A，B, C, N中点对直流侧电容中点M的参考电压信号基本量^fireil, Umrefl,
uCM refl J UNM，refl ‘
将桥臂A，B，C输出电流的参考电流信号 ，iFb:ref,分别减去桥臂A，B，C实际 的电流iFb, 4，得到桥臂A，B，C输出电流的误差信号iFb_err,根据误差信
号 iFa, err, 1Fbr err， Uc, err计算得到桥臂A, B, C参考电压信号调节量 UAMrref2-> UBM，ref2, UCMr ref2 ‘
将桥臂A，B，C的参考电压信号基本量^fireil, umrefl,和参考电压信号调节量
uAMr refl， UBM，refl， UCMr refl 分别相加，得到桥臂A，B, C的参考电压信号 UAM, ref, UBM，ref, UCMf ref ；价 臂N的参考电压信号uc ’ref等于桥臂N的参考电压信号基本量Umren ；
根据桥臂A，B，C，N的参考电压信号^fire/，umref, umref, 计算得到各桥臂上开 关管SWbp, SWcp, 5 ^在一开关控制周期内的开关状态转换时刻& & T0 7；，而同一桥 臂下开关管的开关状态与上开关管总是为相反状态，从而得到该开关控制周期内各开关管 SWAp, SWAn, SWbp, SWBn, SWcp, SWcn, SWjvp, 5F#/J 的相应控制脉冲幼/7，SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, SNn。本发明的四桥臂并联有源电力滤波器的复合型控制方法同时具有常规电流滞环 控制响应速度快和常规空间矢量控制控制精度高的优点，能提高四桥臂并联有源电力滤波 器的自适应能力，在各种不同的谐波状况下均具有良好的谐波和中线电流补偿效果。同时 计算简单，易于硬件实现。
图1是四桥臂并联有源电力滤波器的系统结构原理图； 图2是本发明原理图。图3是本发明实施例的参考电流计算原理图。图4是本发明实施例的桥臂N中点对直流电容中点M电压取值范围示意图。图5是本发明实施例的开关状态转换时刻计算公式中取负号的控制脉冲示意图。图6是本发明实施例的开关状态转换时刻计算公式中取正号的控制脉冲示意图。图7是电力系统补偿前的C相电流波形和中线电流波形图。图8是采用本发明技术方案的电力系统补偿后的C相电流波形和中线电流波形 图。图9是采用常规电流滞环控制方法的电力系统补偿后的C相电流波形和中线电流 波形图。图10是采用常规空间矢量控制方法的电力系统补偿后的C相电流波形和中线电 流波形图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步说明。利用四桥臂并联有源电力滤波器进行电力系统谐波和中线电流消除的原理已是 成熟公开的技术，结合附图1简要说明如下非线性负荷吸收的电流iZ3，iLb,怠(即补偿前 的电力系统电流)中包含大量谐波成分，且中线电流较大；四桥臂有源电力滤波器并联 在电力系统和非线性负荷之间，通过控制其桥臂A，B, C, N上下开关管的开关状态，使得桥 臂A，B，C注入的电流iFb, 4与电流iZ3，iLb, 4中除50Hz正序有功分量外的部分相 等，而流入其桥臂N的电流4与电流4相等。从而使得补偿后电力系统的电流i,3，isb, iSc为50Hz有功正序分量，而中线电流为零，从而达到消除谐波和中线电流的目的。图 中，乙为桥臂A，B, C的输出连接电抗的电感值-,Ln为桥臂N的输出连接电抗的电感值疋为 直流侧电容的直流电压值，直流侧电容中点标记为Μ,可分成两个电容值相等的电容，电压 也相等，为万/ 。附图2为本发明采用的复合型四桥臂并联有源电力滤波器控制方法的原理框图， 包括参考电流计算、参考电压基本量计算、参考电压调节量计算和控制脉冲生成四个部分。 参考电流计算部分根据非线性负荷的电流信号iZ3，iLb, iLc, 和电力系统电压信号&3， usb, I，计算得到有源电力滤波器四个桥臂输出电流的参考值信号，iFb,ref, iFc,ref, iFn,ref ；参考电压基本量计算部分根据电压电流方程，利用桥臂输出电流参考值信号i一 1Fkrefy 1Fcj ref> 4^/，桥臂输出电流实际值、，Ub, 4，4和电力系统电压信号^， usb, ^，计算得到各桥臂中点对直流侧电容中点电压参考值信号的基本量^㈣，Umrefl, Umrefl, ^pm ；参考电压调节量计算部分根据桥臂输出电流参考值信号，iFb,ref,
和桥臂输出电流的实际值信号43，iFb, 4，计算得到各桥臂中点对直流侧电容中 点电压参考值的调节量^&…，Umrefl, ^firei2;控制脉冲生成部分根据各桥臂中点对直流
侧电容中点电压参考值的基本量 uAM, ref\， UBM, ref\， UCM, ref\， UNM，ref\ 和调节量 UAMrref2-> UBM，ref2,
" /2，生成各开关管的控制脉冲幼/ ，SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, 5M ，用于控制各开关管 SWaii, SWbd, SWBn, SVcp-, SWcn, SWjvpy swNn的开关状态。下面结合附图和实施例说明上述四个部分的具体技术实现。一、参考电流计算
通过电流iZ3，iLb, 4得到50Hz正序有功分量iZ3/，iLbf, 4/，可以通过PQ算法或快 速傅里叶变换等方法实现。PQ算法因其响应速度快而得到广泛应用，本发明实施例采用该 算法来进行计算。附图3为本发明实施例采用的参考电流计算部分的原理框图。其原理和 具体实现已是成熟公开的技术，简要说明如下首先根据系统电压"fe，usb, ι通过闭环锁 相控制环节得到电压相位信号sirwi和；将非线性负荷电流信号iZ3，iLb, 4首先进 行零序电流分离，并经过3/2坐标变换，将经过3/2变换所得的信号ip, Iq分别通过低通滤
波器LPF得到其直流分量
该直流分量通过2/3坐标变换即可得到非线性负荷电流信号iZ3，iLb, 4中的50Hz正序有 功分量信号厶3/，iLbf, 4/·，从非线性负荷的电流信号厶3，iLb, 4中减去i Laf, 1Lbfy 1Lcf, 即得到桥臂A，B，C输出电流的参考值信号，iFb,ref, 。而桥臂N输出电流的参考 值信号为非线性负荷的中线电流iz 。上述参考值的计算的目标是通过有源电力滤波器补偿 后，电力系统电流乙，isb, 4为非线性负荷电流中的50Hz正序有功分量iZ3/，iLbf, iLcf， 即将50Hz正序有功分量iZ3/ ，iLbf, 作为补偿后电力系统电流的目标信号，而中线电流 Isn 为 0°二、参考电压基本量计算
参考电压基本量计算部分的目的是得到各桥臂A，B, C, N中点对直流侧电容中点M的电 压参考值的基本量“越财” Umrefl, Umrefl, Umreflo如图1中，"参UBM, Ucm,“履分别标识 各桥臂A，B，C，N中点和直流侧电容中点M之间的电压，^，uBN,如分别标识各桥臂A，B，C 中点和桥臂N中点之间的电压。实施例的参考电压基本量计算实现过程如下
首先根据四桥臂有源电力滤波器的电压电流方程计算得到桥臂A，B，C中点对桥臂N中 点电压的参考值量
权利要求
1. 一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法，所述四桥臂并联有源电力滤波 器，包括并联在电力系统和非线性负荷之间的四桥臂有源电力滤波器，四桥臂有源电力滤 波器中的桥臂A，B, C, N接入电力系统和非线性负荷之间的节点分别记为 b, c, η,四桥臂 有源电力滤波器中的桥臂A，B，C分别输出电流iFb, 4，电流流入桥臂N，直流侧电 容与桥臂A，B，C，N均并联；非线性负荷的电流信号包括电流iZ3，iLb, iLc, iZ/3，非线性负荷 吸收电流iZ3，iLb, 4，输出电流4，电流iZ3，iLb, 4为补偿前的电力系统电流，电流4 为中线电流；电力系统提供电压信号&3，usb, I，电力系统的电流信号包括电流ife，isb, iSc, 4，电力系统提供电流乙，isb, 4，电流4沿中线流回电力系统，电流、，isb, iSc 为补偿后的电力系统电流，电流乙为中线电流；桥臂A的上下开关管SWap, 由控制脉 冲幼/7，幼/7分别控制，桥臂B的上下开关管5F· 5F&由控制脉冲5彻，分别控制，桥 臂C的上下开关管5·%，由控制脉冲5场，5 分别控制，桥臂N的上下开关管5F· 5F#/J由控制脉冲5^，分别控制；其特征在于通过设置控制脉冲幼/7，SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, 消除谐波，并使得电力系统的中线电流减小为0，脉冲设置实现方 式包括以下步骤，某一开关控制周期内补偿前电力系统的畸变电流信号为电流iZ3，iLb, 4，通过电流 iLa, iLb, 4得到50Hz正序有功分量iZ3/，iLbf, ，并作为补偿后电力系统电流的目标信 号；将电流iZ3，iLb, 4减去各自50Hz正序有功分量iZ3/，iLbf, 4，得到桥臂A，B，C输出 电流的参考电流信号^&，iFb,ref, &；桥臂N输出电流的参考电流信号等于非 线性负荷的中线电流根据参考电流信号，iFb,ref, iFc,ref, 4m和四桥臂有源电力滤波器的电压电流 方程，计算得到桥臂A，B，C中点对桥臂N中点电压的参考电压信号^^/ ，umref, Umref，然、 后计算得到桥臂A，B, C, N中点对直流侧电容中点M的参考电压信号基本量^fireil, Umrefl,uCM refl J UNM，refl ‘将桥臂A，B，C输出电流的参考电流信号 ，iFb:ref,分别减去桥臂A，B，C实际 的电流iFb, 4，得到桥臂A，B，C输出电流的误差信号iFb_err,根据误差信号 iFa, err, 1Fbr err， Uc, err计算得到桥臂A, B, C参考电压信号调节量 UAMrref2-> UBM，ref2, UCMr ref2 ‘将桥臂A，B，C的参考电压信号基本量^fireil, umrefl,和参考电压信号调节量uAMr refl， UBM，refl， UCMr refl 分别相加，得到桥臂A，B, C的参考电压信号 UAM, ref, UBM，ref, UCMf ref ；价 臂N的参考电压信号uc ’ref等于桥臂N的参考电压信号基本量Umren ；根据桥臂A，B，C，N的参考电压信号^fire/，umref, umref, 计算得到各桥臂上开 关管SWbp, SWcp, 5 ^在一开关控制周期内的开关状态转换时刻& & T0 7；，而同一桥 臂下开关管的开关状态与上开关管总是为相反状态，从而得到该开关控制周期内各开关管 SWAp, SWAn, SWbp, SWBn, SWcp, SWcn, SWjvp, 5F#/J 的相应控制脉冲幼/7，SAn, SBp, SBn, SCp, SCn, SNp, SNn0
全文摘要
本发明涉及一种复合型的四桥臂并联有源电力滤波器控制方法，利用空间矢量控制方法作为核心计算得到桥臂输出电压参考值的基本量；利用电流滞环控制方法作为核心计算得到桥臂输出电压参考值的调节量。有源电力滤波器桥臂参考电流与实际输出电流之间的误差较小时，电流滞环控制不起作用，保证在负载谐波含量较小时有源电力滤波器具有较高的控制精度；而误差较大时，计算得到的调节量与基本量相加，保证在负载谐波含量较大时有源电力滤波器具有较快的响应速度。该方法能提高四桥臂有源电力滤波器的自适应能力，使得四桥臂有源电力滤波器能在各种不同的谐波状况下均能对谐波电流和系统中线电流进行良好的补偿。
文档编号H02J3/01GK102110984SQ201110054678
公开日2011年6月29日 申请日期2011年3月8日 优先权日2011年3月8日
发明者乐健, 刘开培 申请人:武汉大学