一种基于LCL滤波的三相有源电力滤波器及其控制方法与流程

本发明属于三相有源电力滤波器技术领域，尤其涉及一种基于lcl滤波的三相有源电力滤波器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子变流装置的广泛应用，电能得到了更加充分的利用，但大量非线性负载装置在电网中的广泛使用，使得电网中的谐波污染问题日益严峻，谐波治理受到人们越来越多的重视。有源电力滤波器(activepowerfilter，apf)与传统的由电感、电容以及电阻组成的无源电力滤波器相比，具有滤波特性好、可控性高、响应速度快、应用灵活等特点。随着半导体器件成本的降低，apf逐渐成为国内外供电系统谐波抑制的研究热点和发展方向。

apf常用的电流控制方法主要有滞环电流控制、重复控制和pi控制。滞环电流控制具有实现简单、鲁棒性好的优点，但不能实现无静差控制，而且开关频率不确定，给输出滤波器的设计带来困难；重复控制能够对复杂周期信号实现零稳态误差跟踪，但其动态性能较差，不能对扰动进行实时反应，通常会产生一个参考周期的延迟。pi控制是最为经典、应用最为广泛的控制方法。其结构简单，易于设计，可以实现无静差跟踪，但由于apf指令信号中含有多个频率正弦信号，而pi控制方法对较高频率的周期指令信号的控制效果并不理想，难以实现零稳态误差跟踪。此外，广义积分控制、滑模控制以及多种控制方法的复合控制越来越受到学者的广泛关注。

随着半导体技术的不断发展，其容量不断提高，价格逐步降低，使得apf逐渐朝着大容量、高功率密度的方向发展，为了抑制apf开关频率电流谐波，输出滤波器的选择尤为重要。传统的l型滤波器滤除开关纹波效果较差，在大功率应用场合下需要较大的电感值才能满足相应需求，这不仅使输出的补偿电流变化率下降，系统动态性能降低，而且导致整个系统体积大，成本高，功率损耗大。近年来lcl滤波器成为人们的研究热点，其相对前者的突出优点是以较小的总电感量即可实现较理想的高频谐波衰减以及开关纹波抑制，在大功率应用场合，成本优势明显，同时也提高了系统的动态性能，但需要加入阻尼控制以抑制谐振尖峰。目前有无源阻尼和有源阻尼两种方法，无源阻尼简单可靠，但在高压大功率场合下损耗严重。有源阻尼通过控制算法来避免谐振问题，主要有前向通路附加数字滤波器的有源阻尼法、基于模型降阶的有源阻尼方法、和基于状态变量反馈的有源阻尼法。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种基于lcl滤波的三相有源电力滤波器及其控制方法，避免了传统的负载电流检测方法存在的检测延迟和幅值相位偏移的问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种基于lcl滤波的三相有源电力滤波器，其包括三相逆变器、输出滤波器以及控制系统；

所述三相逆变器为电压型逆变器，储能原件为直流电容；

所述输出滤波器为三阶滤波器，包含逆变器侧滤波电感，滤波电容，电网侧滤波电感；

所述控制系统为电网电流检测、逆变器侧电流反馈的电流双闭环控制。

优选的，所述三相有源电力滤波器的逆变器为三相电压型逆变器。

优选的，所述三相有源电力滤波器的输出滤波器采用lcl型滤波器。

优选的，电网侧电流检测闭环控制方式直接对电网电流谐波分量进行控制。

优选的，在电网电流闭环控制中引入逆变器侧电感电流反馈，通过采样逆变器侧电感电流经比例环节后加入电流指令中。

优选的，电网侧电流控制包括谐波电流控制回路和基波电流控制回路；

所述谐波电流控制回路采用多谐振控制器对电网电流的谐波分量进行控制，使得被控电流无差跟踪谐波指令电流；

所述基波电流控制回路采用比例谐振控制器对电网电流的基波分量进行控制，使得被控电流无差跟踪基波指令电流。

一种对如以上所述的基于lcl滤波的三相有源电力滤波器进行控制的控制方法，其包括以下步骤：

步骤一：对电网电流进行检侧，作为电网侧电流闭环控制中谐波控制回路的控制对象，控制目标是使得注入电网的谐波电流分量为零；谐波电流指令

步骤二：检测直流母线电压和电网a相电压的相位，通过直流母线电容电压参考值减去其检测到的实际值，得到直流母线电压的误差值，经过pi控制器得到基波电流幅值，再乘以检测得到的相位信息，即可得到基波指令电流；

步骤三：基波指令电流作为基波控制回路的指令信号；

步骤四：进而通过谐波电流指令加上基波电流指令得到补偿电流的指令电流；

步骤五：结合电流指令对有源电力滤波器的逆变器侧电感电流进行闭环控制，电流环控制器采用比例控制方式得到调制波。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明提供的基于lcl滤波的三相有源电力滤波器及其控制方法具有以下优点：

本发明基于lcl滤波的三相有源电力滤波器控制系统，通过采集电网电流，直流电容电压，逆变器侧电感电流进行控制逆变器输出一个互补的谐波电流，实现滤波功能。

本发明提出的基于lcl滤波的三相有源电力滤波器控制方法，通过检测电网电流对电网电流的谐波分量进行直接控制避免了传统的负载电流检测方法存在的检测延迟和幅值相位偏移；补偿效果及实时性优于传统的负载侧电流检测控制。

进一步，通过采用多谐振控制器和比例谐振控制器实现谐波电流和基波电流的分频独立控制，同时也实现了谐波补偿和直流母线电压控制相互独立控制。

本发明提出的基于lcl滤波的三相有源电力滤波器控制方法，采用电网电流闭环控制，同时加入逆变器侧电感电流反馈的有源阻尼控制，引入虚拟阻尼，抑制lcl滤波器谐振尖峰，使补偿电流准确跟踪指令电流。

附图说明

图1基于lcl滤波的三相有源电力滤波器系统整体控制框图；

图2单相lcl型有源电力滤波器控制框图；

图3电网电流闭环控制策略系统框图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明公开了一种基于lcl滤波的三相有源电力滤波器，其包括三相逆变器t1、输出滤波器以及控制系统。三相逆变器t1为电压型逆变器，储能原件为直流电容cdc；输出滤波器为lcl三阶滤波器，包含逆变器侧滤波电感l1，滤波电容c，电网侧滤波电感l2；控制系统为电网电流检测、逆变器侧电流反馈的电流双闭环控制。

本lcl型有源电力滤波器的控制方法：通过电网电流检测闭环控制方式直接对电网电流谐波分量进行控制，避免了传统的负载电流检测方法存在的检测延迟和赋值相位偏移；通过逆变器侧电流反馈引入虚拟阻尼抑制lcl滤波器的谐振尖峰；通过控制器设计实现谐波和基波的分频独立控制，同时实现谐波补偿和直流母线电压的独立控制。

其中，三相有源电力滤波器的逆变器t1为三相电压型逆变器。有源电力滤波器的输出滤波采用lcl型滤波器。

采用电网电流检测闭环控制，直接对电网电流谐波分量进行控制，避免了传统的负载电流检测方法存在的检测延迟和赋值相位偏移；补偿效果及实时性优于传统的负载侧电流检测控制

在电网电流闭环控制中引入逆变器侧电感电流反馈，通过采样逆变器侧电感电流经比例环节后加入电流指令中，实现电容并联虚拟电阻，从而增加阻尼，抑制lcl滤波器的谐振尖峰；

采用的电网电流控制包括谐波电流控制回路和基波电流控制回路。谐波电流控制回路采用多谐振控制器对电网电流的谐波分量进行控制，使得被控电流无差跟踪谐波指令电流；基波电流控制回路采用比例谐振控制器对电网电流的基本分量进行控制，使得被控电流无差跟踪基波指令电流。

在本实施方式中，还提供了一种对以上所述基于lcl滤波的三相有源电力滤波器进行控制的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：对电网电流进行检侧，作为电网侧电流闭环控制中谐波控制回路的控制对象，控制目标是使得注入电网的谐波电流分量为零；谐波电流指令

步骤二：检测直流母线电压和电网a相电压的相位，通过直流母线电容电压参考值减去其检测到的实际值，得到直流母线电压的误差值，经过pi控制器得到基波电流幅值，再乘以检测得到的相位信息，即可得到基波指令电流；

步骤三：基波指令电流作为基波控制回路的指令信号；

步骤四：进而通过谐波电流指令加上基波电流指令得到补偿电流的指令电流；

步骤五：结合电流指令对有源电力滤波器的逆变器侧电感电流进行闭环控制，电流环控制器采用比例控制方式得到调制波。

本发明基于lcl滤波的三相有源电力滤波器控制方法适用于与三相系统和单相系统，其整体控制框图如图1所示，包括lcl型三相有源电力滤波器主电路拓扑以及电流控制部分。所述电流控制部分在以sp28335为核心的数字处理器中实现。现以单相为例说明其具体控制方法。

基于lcl滤波的单相有源电力滤波器控制框图如图2，由单相逆变器t1、lcl滤波器、电流电压采样电路及控制电路组成。单相逆变器t1直流侧并联直流电容cdc，交流侧为lcl滤波器，包括逆变器侧电感l1，滤波电容c，网侧电感l2；控制系统分别通过电网电流采样电路、电网电压采样电流、锁相环、直流电容电压采样电路、逆变器侧电流采样电路与电网、直流电容cdc及单相逆变器t1的输出端连接。

检测电网电流的幅值相位信息、电网电压相位以及直流电容电压，通过谐波电流和基波电流的分频独立控制，结合逆变器侧电流反馈的有源阻尼控制，使逆变器输出一个互补的谐波电流，实现滤除电网谐波的功能。

如图3所示，在控制算法中采用多谐振控制和比例谐振控制，分别实现谐波电流和基波电流的误差跟踪；由于基波电流控制器只对基频信号产生控制作用，因此直接反馈逆变器侧电感电流实现直流电容电压的稳定控制。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。