CN102437576B - 一种有源电力滤波器的控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器的控制器及其控制方法，通过一种不失真的检波方法，并设计出有源电力滤波器的控制器，用于实现对有源电力滤波器的控制，从而实现对电力***中谐波、无功、三相不平衡的电能质量问题的治理。具有以下优点和积极效果；1、提出了改进的电流检波方法，该方法稳定性好，可以避免干扰，改善补偿效果；2、提出了完善的有源电力滤波器的控制器的电路，在根据该电路制作出的控制器上运行所设计的控制算法，可以实现对有源滤波器的有效控制，达到良好的谐波抑制效果，并可实现补偿无功功率、平衡三相负荷等功能；3、该控制器响应速度快，可在80微秒内响应负荷变化而进行跟踪补偿。

Description

一种有源电力滤波器的控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力滤波领域，具体地说涉及一种有源电力滤波器的控制器及其控制方法。

背景技术

随着科技的发展，谐波、无功、三相不平衡等电能质量问题越来越受到电力工作者和整个社会的重视。以往的无功补偿装置以并联电容器为主，谐波治理装置以无源滤波器为主。它们在特定的场合可以发挥相应的作用，但还存在以下几个方面的缺点：1、并联电容器补偿无功只适用于感性负荷的场合，不能对于容性负荷进行补偿；2、并联电容器只能有级差的产生无功，不能实现连续补偿电网的无功功率；3、并联电容器不能补偿谐波，还可能引起电力***谐振，无源滤波器可以补偿电流谐波，但配置不合理也会引起电力***谐振；4、并联电容器和无源滤波器都不能平衡三相负荷的有功功率。

采样现代电力电子技术开发的有源电力滤波器可以有效地滤除电流谐波，同时还能补偿无功功率和平衡三相负荷，而且有源电力滤波器真正实现了无级差的连续补偿以及动态跟踪补偿，响应速度快，响应时间在100微秒左右。有源电力滤波器是电能质量治理的先进方法。

在有源电力滤波器的控制算法中，提取谐波、无功、不平衡分量的检波技术是控制算法的关键技术之一。如果检波过程发生失真，则控制***会给出错误的控制指令，达不到好的补偿效果。目前的控制算法，在***电压畸变的情况下往往发生检波失真，而且，由于受有源电力滤波器自身控制频率的限制，有源电力滤波器并不能很好的处理高频信号，因此如果在控制算法中不能去除高频信号，则高频信号也会影响控制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对有源电力滤波器现有控制算法的检波技术中存在的问题，提供一种有源电力滤波器的控制器及其控制方法，通过一种不失真的检波方法，并设计出有源电力滤波器的控制器，用于实现对有源电力滤波器的控制，从而实现对电力***中谐波、无功、三相不平衡的电能质量问题的治理。

为解决上述技术问题，本发明技术方案是一种有源电力滤波器的控制器，其特征在于，它包括对电网的电压、电流电量进行量测的电压、电流信号采集电路和抗干扰滤波电路，输入端与抗干扰滤波电路输出端相连的A/D转换集成电路芯片，输入端与A/D转换集成电路芯片输出端相连的核心计算和控制芯片DSP数字信号处理器，依次与该DSP数字信号处理器输出端相连的输入/输出接口电路、驱动信号控制转换电路和双口存储器RAM芯片，与双口存储器RAM芯片输出端相连的用于通讯辅助功能的中央处理芯片，以及与该辅助中央处理芯片输出端相连的通讯接口电路。

所述的DSP数字信号处理器型号为TMS320F2812。

所述的输入/输出接口电路、驱动信号控制转换电路都采用了光电耦合隔离电路。

所述的辅助中央处理芯片采用单片机或采用DSP数字信号处理器。

一种有源电力滤波器的控制器控制方法，其特征在于，所述的DSP数字信号处理器内存贮控制程序，所述的方法包括下列步骤；

a)利用有源电力滤波器的控制器采集所得的***电压信号u_sa、u_sb、u_sc和负荷电流信号i_la、i_lb、i_lc计算出负荷的三相总有功功率P，相电压有效值U_s，利用有源电力滤波器的控制器采集所得的直流母线电压信号U_dc计算出直流母线电压偏差信号ΔU_dc，进而利用比例-积分环节计算出与ΔU_dc相对应的功率量ΔP，利用有源电力滤波器的控制器捕捉到的三相***电压过零点时间计算出当前三相的相位θ_a、θ_b、θ_c；

b)计算三相理想***电流(三相对称的正弦电流)，并将它与实际测量所得的负荷电流相比较，其差值就是检波所得结果，也就是需要补偿的电流。

三相理想***电流的有效值为；

$I_{\mathrm{sp}}=\frac{P+\mathrm{\ΔP}}{3U_s}$

三相理想***电流的瞬时值为；

$i_{\mathrm{ap}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{sp}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_a\right),$ $i_{\mathrm{bp}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{sp}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_b\right),$ $i_{\mathrm{cp}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{sp}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_c\right)$

由电流瞬时值的表达形式可以看出，它们不受***电压畸变的影响，在任何情况下都会是无畸变的理想正弦电流

检波结果为；

i_ac＝i_la-i_ap，i_bc＝i_lb-i_bp，i_cc＝i_lc-i_cp

c)对检波结果进行傅立叶分析，去除高频干扰分量而只保留与补偿目的相关的分量，进而排除可能的干扰，得到

傅立叶分析算法是成熟的数学算法；

d)将傅立叶分析去除高频干扰后的结果作为需要补偿的电流，用于计算生成PWM调制信号，控制有源电力滤波器输出电流

实现补偿目标。

一种有源电力滤波器的控制器及其控制方法，由于采用上述结构和方法，具有以下优点和积极效果；1、提出了改进的电流检波方法，该方法稳定性好，可以避免干扰，改善补偿效果；2、提出了完善的有源电力滤波器的控制器的电路，在根据该电路制作出的控制器上运行所设计的控制算法，可以实现对有源滤波器的有效控制，达到良好的谐波抑制效果，并可实现补偿无功功率、平衡三相负荷等功能。3、该控制器响应速度快，可在80微秒内响应负荷变化而进行跟踪补偿。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明；

图1为本发明一种有源电力滤波器的控制器电路原理框图；

图2为本发明一种有源电力滤波器的控制器控制方法主程序流程图；

在图1中，1、抗干扰滤波电路；2、A/D转换集成电路芯片；3、DSP数字信号处理器；4、输入/输出接口电路；5、驱动信号控制转换电路；6、存储器RAM芯片；7、辅助中央处理芯片；8、通讯接口电路。

具体实施方式

如图1所示，图1是控制器的控制电路原理框图，它描述了整个控制电路板的电路功能结构和信号传递。它包括对电网的电压、电流电量进行量测的电压、电流信号采集电路和抗干扰滤波电路1，输入端与抗干扰滤波电路1输出端相连的A/D转换集成电路芯片2，输入端与A/D转换集成电路芯片2输出端相连的核心计算和控制芯片DSP数字信号处理器3，依次与该DSP数字信号处理器3输出端相连的输入/输出接口电路4、驱动信号控制转换电路5和双口存储器RAM芯片6，与双口存储器RAM芯片6输出端相连的用于通讯的辅助中央处理芯片7，以及与该辅助中央处理芯片输出端相连的通讯接口电路8。

图1中，包括抗干扰滤波电路1，A/D转换集成电路芯片2，A/D转换集成电路芯片转换的结果送给DSP数字信号处理器3，本发明的DSP数字信号处理器3采用TI公司的TMS320F2812芯片。输入/输出接口电路4(I/O电路)，用于检测外部节点输入并控制节点输出，功能之一为控制接触器的合/切操作。驱动信号控制转换电路5是电力电子开关器件IGBT的控制转换电路，实现控制***的PWM控制信号输出与执行。双口存储器RAM存储器芯片6，辅助中央处理芯片7，通讯接口电路8。辅助中央处理芯片7通过存储器RAM存储器芯片6实现与DSP数字信号处理器3之间的数据交换，通过通讯接口电路8实现与外界的通讯，实现人机交互。

参见图2，图2为本发明一种有源电力滤波器的控制器控制方法主程序流程图；DSP数字信号处理器内存贮控制程序，程序在计算理想***电流时，将电流的幅值信息和相位信息分开计算，避免了目前所采用的检波方法可能受***电压畸变影响而检波失真的问题，它对检波结果进行傅立叶分析，去除高频干扰分量而只保留与补偿目的相关的分量，进而排除了可能的干扰，使控制效果进一步改善。步骤10开始，步骤11为信号的采集与存贮，在步骤12中对采集的信号初始化，在步骤13中对电压、电流、功率等变量进行计算，执行完步骤13后进入步骤14计算输出参考电流，在步骤15中对参考电流进行傅立叶分析，步骤16计算生成PWM调制信号，执行完步骤16后进入步骤17，输出控制信号。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种有源电力滤波器的控制器控制方法，所述的控制器包括对电网的电压、电流电量进行量测的电压、电流信号采集电路和抗干扰滤波电路（1），输入端与抗干扰滤波电路（1）输出端相连的A/D转换集成电路芯片（2），输入端与A/D转换集成电路芯片（2）输出端相连的核心计算和控制芯片DSP数字信号处理器（3），依次与该DSP数字信号处理器（3）输出端相连的输入/输出接口电路（4）、驱动信号控制转换电路（5）和双口存储器RAM芯片（6），与双口存储器RAM芯片（6）输出端相连的用于通讯的辅助中央处理芯片（7），以及与该辅助中央处理芯片输出端相连的通讯接口电路（8）；

所述的DSP数字信号处理器（3）型号为TMS320F2812；

所述的输入/输出接口电路（4）、驱动信号控制转换电路（5）都采用了光电耦合隔离电路；

所述的辅助中央处理芯片（7）采用单片机或采用DSP数字信号处理器；其特征在于，所述的核心计算和控制芯片DSP数字信号处理器内存贮控制程序，所述的程序在计算理想***电流时，将电流的幅值信息和相位信息分开计算，避免了目前所采用的检波方法可能受***电压畸变影响而检波失真的问题，它对检波结果进行傅立叶分析，去除高频干扰分量而只保留与补偿目的相关的分量，进而排除了可能的干扰，使控制效果进一步改善，所述的方法包括下列步骤；

a)利用有源电力滤波器的控制器采集所得的***电压信号u_sa、u_sb、u_sc和负荷电流信号i_la、i_lb、i_lc计算出负荷的三相总有功功率P，相电压有效值U_s，利用有源电力滤波器的控制器采集所得的直流母线电压信号U_dc计算出直流母线电压偏差信号ΔU_dc，进而利用比例－积分环节计算出与ΔU_dc相对应的功率量ΔP利用有源电力滤波器的控制器捕捉到的三相***电压过零点时间计算出当前三相的相位θ_a、θ_b、θ_c；

b)计算三相理想***电流，并将它与实际测量所得的负荷电流相比较，其差值就是检波所得结果，也就是需要补偿的电流；

三相理想***电流的有效值为；

$I_{\mathrm{sp}}=\frac{P+\mathrm{\ΔP}}{3U_s}$

三相理想***电流的瞬时值为；

$i_{\mathrm{ap}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{sp}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_a\right),i_{\mathrm{bp}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{sp}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_b\right),i_{\mathrm{cp}}=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{sp}}\sin \left({\mathrm{\θ}}_c\right)$

由电流瞬时值的表达形式可以看出，它们不受***电压畸变的影响，在任何情况下都会是无畸变的理想正弦电流，

检波结果为；

i_ac＝i_la-i_ap，i_bc＝i_lb-i_bp，i_cc＝i_lc-i_cp

c)对检波结果进行傅立叶分析，去除高频干扰分量而只保留与补偿目的相关的分量，进而排除可能的干扰，得到

傅立叶分析算法是成熟的数学算法；

d)将傅立叶分析去除高频干扰后的结果作为需要补偿的电流，用于计算生成PWM调制信号，控制有源电力滤波器输出电流

，实现补偿目标。

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