一种串联型有源电力滤波器的控制方法

专利名称：一种串联型有源电力滤波器的控制方法
技术领域：
本发明涉及电网电能质量优化领域，特别涉及一种串联型有源电力滤波 器的控制方法。
背景技术：
电力电子装置等非线性设备的逐渐普及给电网产生了严重的谐波污染。
特别是近年来，以变频器、UPS和通讯开关电源为代表的装置发展迅速，它们 都是电压型谐波源，而无源LC滤波器和并联型有源电力滤波器都不适合补偿 这类电压型谐波源。串联型有源电力滤波器(Series Active Power Filter, 简称SAPF)是近年来发展迅速的一类补偿装置，可有效补偿电压型谐波源引 发的谐波问题。
串联型有源电力滤波器(SAPF)的主电路结构，主要由直流侧储能装置、 电压源型PWM变换器、输出滤波器和耦合变压器构成。SAPF可以根据需要产 生任意波形的电压，因此，它可以用来模拟一个对于谐波电流表现出高阻抗 而对于基波电流表现出短路的特殊阻抗。换言之，其电路模型相当于一个对 基波和谐波阻值不同的电阻。对谐波来讲可等效为阻值是《Q的电阻，而对基 波来讲，其阻值为OQ。
串联型有源电力滤波器的控制方法决定了 SAPF的补偿性能， 一直以来都 是人们关注的重点。传统的控制方法的核心是复杂的谐波检测算法，常见的 有利用快速傅立叶变换、瞬时无功功率理论等方法检测谐波，但无论哪种方 法，都需要复杂的运算，而且计算所导致的延时和计算本身的精度都将影响 谐波补偿的效果。另外，传统的控制方法中的SAPF直流侧电压控制环路的电 压控制环路存在潜在的不稳定因素。闭环控制的前提是整个环路负反馈的存在，这样才可能将系统稳定在一个特定的平衡工作状态。而这个直流侧电压
控制环路的负反馈有被破坏的可能。直流侧电压控制的调节器输出控制SAPF 输出电压的基波幅度，而这个基波幅度与SAPF所吸收的有功功率的关系是非 线性的，在整个可能的区间里不具备单调性。换言之，当SAPF输出电压的基 波幅度增加时，具体会导致直流侧电压上升或下降是不确定的，还取决于系 统的当前工作状态。因此，当系统工作状态由一个单调区间转移到另一个单 调区间内后，原先设计的负反馈就成为了正反馈，系统进入不稳定状态。

发明内容
本发明的目的在于一种串联型有源电力滤波器的控制方法，它摒弃了传 统方法中的复杂的谐波检测算法，大大减少了控制系统的软、硬件开销，降 低SAPF控制系统的成本。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。 一种串联型有
源电力滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤
步骤l，检测三相电源电流/,，分别通过三路比例调节器调整，其输出作
为SAPF三相补偿电压参考值Wc *的谐波控制量；
步骤2，检测SAPF直流侧电压&，并与直流侧电压设定值"^*经过单路
减法器相比较，其输出经单路比例积分调节器调整，单路比例积分调节器的 输出作为SAPF的三相补偿电压参考值^*的基波幅度信号^/;
步骤3，检测三相电源电压w,，通过三路锁相环分别获取三相电源电压相 位6U，并分别通过三路正弦波发生器，输出为与三相电源电压同相位的三路 正弦波信号，该三路正弦波信号幅度相同；
步骤4，将三路正弦波信号通过三路乘法器分别与SAPF的三相补偿电压 参考值的基波幅度信号^,相乘，三路乘法器的输出作为SAPF的三相补偿电
压参考值^ *的基波控制量《。自；
步骤5，将SAPF的三相补偿电压参考值wz的谐波控制量和基波控制量
5""自经过三路加法器相加后，作为SAPF的三相补偿电压参考值w^;检测 SAPF的实际三相补偿电压为&，构成电压控制闭环，跟踪SAPF的三相补偿电 压参考值&*。
本发明的进一步改进在于
所述SAPF的三相补偿电压参考值的基波幅度信号^,，经过动态限幅器
限幅后，输入三路乘法器；所述动态限幅器的上限值f4 —^和下限值C^,。—,im 通过以下方式确定首先，采集SAPF的直流侧电压i^，并求取其一阶导数
^(A0和二阶导数^(A0，其当前时刻的二阶导数,(iV)与前一时刻的二 阶导数,(iV-l)同号时，上限值f/^—論和下限值C/w,不变；当前时刻的 二阶导数,(iV)与前一时刻的二阶导数^(iV-l)异号或其中有一个为零， 且当前时刻的一阶导数,(AO大于0时，当前时刻的三相补偿电压参考值的
基波幅度信号^/AO作为上限值"^一旨；当前时刻的二阶导数,(AO与前一 时刻的二阶导数^(iV-l)异号或其中有一个为零，且当前时刻的一阶导数 ^(AO小于等于0时，当前时刻的三相补偿电压参考值的基波幅度信号
作为下限值"w 。
本发明串联型有源电力滤波器的控制方法，摒弃了传统方法中的复杂的 谐波检测算法，相应的控制系统中省去了三相电源电流谐波的检测装置，大 大减少了控制系统的软、硬件开销，降低SAPF控制系统的成本。同时，本发 明中，增加了动态限幅器，直流侧电压控制的幅度信号为w^，经过动态限幅
器限幅后，作为SAPF三相输出电压参考值^*的基波控制量的共同幅度信号， 避免了在某些非线性段负反馈变为正反馈的风险，使得SAPF控制系统始终工作在稳定状态。


图1为串联型有源电力滤波器的主电路结构图； 图2为本发明中的控制装置系统图3为本发明中的控制框图4为本发明中动态限幅器的上限值和下限值t/《w—m的自适应修 正流程框图5为SAPF的三相补偿电压参考值的基波幅度信号w^与SAPF吸收的有 功功率之间的关系曲线图。
具体实施例方式
参照图1，三相电源1和非线性负载3之间连接串联型有源电力滤波器2。 串联型有源电力滤波器2的主电路结构，主要包括直流侧储能装置201、电 压源型PWM变换器202、输出滤波器203和耦合变压器204四部分构成。直流 侧储能装置202 —般由电力电容器串并联构成。电压源型PWM变换器202采 用全控器件如IGBT、 GTO等组成。输出滤波器203采用串联在电压源型PWM 变换器202交流侧的滤波电感以及并联的LC滤波器实现；LC滤波器参数的选 择主要取决于电压源型PWM变换器的开关频率，LC滤波器可附加阻尼电阻抑 制振，其参数要求在滤波效果和阻尼效果间折中选用即可。耦合变压器204 连接在三相电源1和电压源型P丽变换器202之间，其作用主要是将电压源 型PWM变换器202产生的补偿电压耦合到三相电源1以抵消非线性负载3产 生的谐波电压。
为了叙述方便，本发明中，三相电源电压记为w,，即w^、 三相电源电压相位&,艮P- &a、 &6、 三相电源电流记为/,，艮P:
&、 &。串联型有源电力滤波器(SAPF)的直流侧电压记为i^，直流侧电压 设定值记为* 。串联型有源电力滤波器(SAPF)输出的三相补偿电压记为wc ，即l、 W&、 l,三相补偿电压参考值记为W ;三禾9#偿龟压参考值的 基波幅度信号记为we/ ，三相补偿电压参考值的基波控制量记为《_。自。
参照图2、图3，本发明的串联型有源电力滤波器的控制方法，包括以下
步骤
步骤l，检测三相电源电流"，分别通过三路比例调节器调整，其输出作 为SAPF三相补偿电压参考值W。 *的谐波控制量；
步骤2，检测SAPF直流侧电压&，并与直流侧电压设定值"^*经过单路
减法器相比较，其输出经单路比例积分调节器调整，单路比例积分调节器的
输出经过动态限幅器限幅后，作为SAPF的三相补偿电压参考值的基波幅度信
号W j c/，
步骤3，检测三相电源电压w,，通过三路锁相环分别获取三相电源电压相 位6U，并分别通过三路正弦波发生器，输出为与三相电源电压同相位的三路
正弦波信号，该三路正弦波信号幅度相同；
步骤4，将三路正弦波信号通过三路乘法器分别与SAPF的三相补偿电压 参考值的基波幅度信号w^相乘，三路乘法器的输出作为SAPF的三相补偿电
压参考值"e *的基波控制量w"自；
步骤5，将SAPF的三相补偿电压参考值wz的谐波控制量和基波控制量 ";。^经过三路加法器相加后，作为SAPF的三相补偿电压参考值w,;检测 SAPF的实际三相补偿电压为^，构成电压控制闭环，跟踪SAPF的三相补偿电 压参考值w 。
SAPF的三相补偿电压参考值We *与检测SAPF的实际三相补偿电压为&相 比较，控制SAPF中的电压源型PWM变换器输出，实现三相补偿电压为Wc的控 制；在上述电压控制闭环内，涉及电压源型PWM变换器的控制方式可以采用 传统的控制方式。参照图4，动态限幅器的上限值^f和下限值C/^^^,通过以下方式确 定首先，采集SAPF的直流侧电压&，并求取其一阶导数,和二阶导数
#，其当前时刻的二阶导数,(iV)与前一时刻的二阶导数^KW-l)同号 cfr2 <*2 d"
时，即,(AO.,(iV-1)>0时，上限值t/勿-歸和下限值C/一w不变；当前
时刻的二阶导数^(AO与前一时刻的二阶导数^Kiv-i)异号或其中有一个
为零，且当前时刻的一阶导数,(AO大于0时，艮^ ,(AO.,(iV-l)SO， 且^(iV)X)时，当前时刻的三相补偿电压参考值的基波幅度信号1^(A0作为
上限值;当前时刻的二阶导数,与前 一 时刻的二阶导数
,(iV-I)异号或其中有一个为零，且当前时刻的一阶导数,(iV)小于等于0
时，艮卩f^(A0.,(iV-1)《0，且,(AT^O时，当前时刻的三相补偿电压
参考值的基波幅度信号we/(A0作为下限值~,。_—論。
实践中，下限值^的初始值的一般取0;上限值C/^f的初始值可 以根据系统的容量设定一个比较大的值，例如取平稳运行时w^的3-5倍，目
的是在没有计算出限幅值之前，允许所有的信号都通过，且不限幅。
参照图5，说明SAPF的三相补偿电压参考值的基波幅度信号w《与SAPF
吸收的有功功率之间的关系。图中，SAPF交流侧吸收的有功功率为Pe， SAPF 损耗的有功功率为PlQSS。当SAPF交流侧吸收的有功功率Pc大于SAPF损耗的有 功功率P^时，如图中m至U2区间，直流侧储能装置吸收有功功率，直流侧 电压升高。SAPF交流侧吸收的有功功率Pc:小于SAPF损耗的有功功率P^s时， 如图中0至lh区间和U2至Us区间，直流侧储能装置释放有功功率，直流侧电压降低。由图可见，三相补偿电压参考值的基波幅度信号W^的变化可以使
得SAPF处于不同的工作状态，最优的情况是当SAPF需要吸收有功功率时， 提高直流侧电压，吸收的有功功率尽可能多；而当SAPF需要释放有功功率， 降低直流侧电压，释放的有功功率尽可能多。
一般情况下，SAPF的三相补偿电压的基波成分越大，直流侧储能装置所 吸收的有功功率越大，但由于伴随着三相补偿电压的基波成分增大，电源电 流的基波成分减小，因此当三相补偿电压的基波成分增大到一定程度后，反 倒会出现直流侧储能装置所吸收的有功功率随之减小的现象，如图5中Us至 Us区间中，这便会导致系统进入不稳定状态。而SAPF的直流侧储能装置所吸 收和释放的有功功率直接体现在直流侧电压的变化率(即直流侧电压的一阶 导数的幅度)上，当直流侧电压的一阶导数幅度处于峰(谷)值时，当前时 刻的三相补偿电压参考值的基波幅度信号^,便是期望的上(下)限幅值。因
此，先求取直流侧电压的二阶导数，当二阶导数等于零时， 一阶导数达到极 值；之后再判断一阶导数的正负，即可获得期望的上(下)限幅值。
由于SAPF的三相补偿电压的基波成分与SAPF吸收的有功功率存在非线 性关系，存在有潜在的不稳定问题，增加动态限幅器，能够有效避免传统的 串联型有源电力滤波器的控制方法中潜在的不稳定问题，并将抑制电流谐波 的功能主要由三相补偿电压的参考值中谐波控制量来实现。
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权利要求
1、一种串联型有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1，检测三相电源电流is，分别通过三路比例调节器调整，其输出作为SAPF三相补偿电压参考值uc*的谐波控制量；步骤2，检测SAPF直流侧电压udc，并与直流侧电压设定值udc*经过单路减法器相比较，其输出经单路比例积分调节器调整，单路比例积分调节器的输出作为SAPF的三相补偿电压参考值uc*的基波幅度信号ucf；步骤3，检测三相电源电压us，通过三路锁相环分别获取三相电源电压相位θus，并分别通过三路正弦波发生器，输出为与三相电源电压同相位的三路正弦波信号，该三路正弦波信号幅度相同；步骤4，将三路正弦波信号通过三路乘法器分别与SAPF的三相补偿电压参考值的基波幅度信号ucf相乘，三路乘法器的输出作为SAPF的三相补偿电压参考值uc*的基波控制量步骤5，将SAPF的三相补偿电压参考值uc*的谐波控制量和基波控制量经过三路加法器相加后，作为SAPF的三相补偿电压参考值uc*；检测SAPF的实际三相补偿电压为uc，构成电压控制闭环，跟踪SAPF的三相补偿电压参考值uc*。
2、 根据权利要求1所述的串联型有源电力滤波器的无谐波检测控制方 法，其特征在于，所述SAPF的三相补偿电压参考值的基波幅度信号w^，经过动态限幅器限幅后，输入三路乘法器；所述动态限幅器的上限值^^f和 下限值^^w通过以下方式确定首先，采集SAPF的直流侧电压z^，并求取其一阶导数^(iV)和二阶导数,(W)，其当前时刻的二阶导数,(jv)与 前一时刻的二阶导数,(W-1)的同号时，上限值V勿—編和下限值^w不变；当前时刻的二阶导数^KAO与前一时刻的二阶导数^(W-l)异号或其 中有一个为零，且当前时刻的一阶导数,(AO大于零时，当前时刻的三相补偿电压参考值的基波幅度信号^/w作为上限值^/f;当前时刻的二阶导数,(AA)与前一时刻的二阶导数,(iV —i)异号或其中有一个为零，且当前时刻的一阶导数^(AO小于等于零时，当前时刻的三相补偿电压参考值的基 波幅度信号W^(AO作为下限值K/w,,。
全文摘要
本发明涉及电网电能质量优化领域，公开了一种串联型有源电力滤波器的控制方法，包括以下步骤检测三相电源电流i_s，分别通过三路比例调节器调整，其输出作为三相补偿电压参考值u_c^*的谐波控制量；检测SAPF直流侧电压u_dc，并与直流侧电压设定值u_dc^*经过单路减法器、单路比例积分调节器和动态限幅器后，作为SAPF的三相补偿电压参考值u_c^*的基波幅度信号u_cf；检测三相电源电压u_s，通过三路锁相环、三路正弦波发生器，输出为与三相电源电压同相位的三路正弦波信号；将三路正弦波信号通过三路乘法器分别与基波幅度信号u_cf相乘，得到基波控制量u_C-active^*；将谐波控制量和基波控制量u_C-active^*经过三路加法器相加后，作为SAPF的三相补偿电压参考值u_c^*，控制SAPF的实际三相补偿电压为u_c。
文档编号H02J3/18GK101505064SQ20091002137
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月4日 优先权日2009年3月4日
发明者刘进军, 王兆安, 王晓钰, 敞 袁 申请人:西安交通大学