CN106253277B - 基于跟踪微分器的指令电流运算电路和有源电力滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于跟踪微分器的指令电流运算电路和有源电力滤波器，其中有源电力滤波器包括指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路，指令电流运算电路包括电压环、PI控制器、微分***、锁相环和乘法器。电压环根据直流侧电容电压实际值和电容电压参考值，输出二者的差值；PI控制器与电压环输出相连，用于输出对应的参考电流；微分***与所述PI控制器相连，用于跟踪参考电流，并滤除参考电流中的谐波；锁相环用于检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；乘法器与微分***和锁相环的输出连接，得到电网侧电流的参考值。

Description

基于跟踪微分器的指令电流运算电路和有源电力滤波器
技术领域
本发明涉及一种基于跟踪微分器的指令电流运算电路和有源电力滤波器。
背景技术
有源电力滤波器是一种用于实时补偿无功功率和抑制谐波电流的电力电子装置，能够对频率和大小都变化的谐波和变化的无功功率进行实时补偿，可以克服LC滤波器等传统谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点。其主要有两种控制方式：基于谐波电流检测的控制方式和双闭环控制方式。
基于谐波电流检测的控制方式基本原理为：首先检测负载电流中的谐波和无功分量，然后使变换器输出与之大小相等、方向相反的补偿电流来抵消，从而使得电网侧电流中谐波含量降低且与电网电压同频同相，实现谐波抑制和无功功率补偿的目的。但是这种方法需要检测负载电流、电网电流、补偿电流和电网电压，同时需要复杂的算法来处理负载电流以提取谐波和无功分量，需要多个电流互感器以及较高级的处理芯片，设备投入较大。
相比之下双闭环控制方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠。
采用双闭环控制方式的通常采用PI控制器来实时地调节输出电流的大小。但事实上，其输出信号中含有谐波，调节效果并不理想。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于跟踪微分器的指令电流运算电路和有源电力滤波器，在反应时间不变的前提下，极大地提升了有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力。
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种基于跟踪微分器的指令电流运算电路，包括：
电压环，根据直流侧电压实际值和电压参考值，输出二者的差值；
PI控制器，与电压环输出相连，用于输出对应的参考电流；
微分***，与所述PI控制器相连，用于跟踪参考电流，并滤除参考电流中的谐波；
锁相环，用于检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
乘法器，与微分***和锁相环的输出连接，得到电网侧电流的参考值。
所述跟踪微分器具有两个输出端口，端口1用于跟踪输入信号，并对输入信号作带有滤波效果的光滑趋近，端口2输出输入信号的广义导数，所述端口1与乘法器连接。
所述跟踪微分器具有可调参数R，其值同时满足跟踪微分器的相位跟踪和滤波效果要求。
微分***为线性跟踪微分器，用于提高电路响应时间。
线性跟踪微分器的线性参数满足赫尔维茨矩阵，用于稳定线性跟踪微分器。
一种基于跟踪微分器的有源电力滤波器，还包括：
电流跟踪控制电路，同时与电网侧线路和指令电流运算电路连接，通过检测电网侧电流实际值，输出电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；
驱动电路，与电流跟踪控制电路相连，并输出驱动信号。
主电路，与驱动电路相连，根据驱动信号向负载侧输出补偿电流。
电流跟踪控制电路包括电流检测器和电流环，电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，电流环同时与电流检测器和指令电流运算电路相连，输出电网侧电流的参考值和电网侧电流实际值的差值。
主电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。
本发明的有益效果：
(1)在不影响有源电力滤波器反应时间的前提下，极大地提升了有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力，***运行依旧稳定。
(2)减少了电能损耗，改善电能质量，利于电网稳定运行，具有较大应用价值。
附图说明
图1为现有的双闭环控制的有源电力滤波器原理图；
图2为现有的有源电力滤波器仿真模型；
图3为现有的有源电力滤波器仿真模型中非线性负载；
图4为现有的有源电力滤波器仿真结果：负载电流；
图5为现有的有源电力滤波器仿真结果：网侧电流；
图6为现有的有源电力滤波器仿真结果：PI调节器输出；
图7为现有的有源电力滤波器仿真结果：网侧电流参考信号；
图8为本发明基于微分***的有源电力滤波器原理图；
图9为本发明跟踪微分器示意图；
图10为本发明基于微分***的有源电力滤波器的仿真结果：网侧电流参考信号；
图11为本发明基于微分***的有源电力滤波器的仿真结果：网侧电流；
图12为本发明基于微分***的有源电力滤波器的仿真结果：PI调节器输出；
图13为现有的有源电力滤波器负载突变时的网侧电流；
图14为本发明基于微分***的有源电力滤波器负载突变时的网侧电流。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
双闭环控制的有源电力滤波器的基本原理如图1所示，由直流侧电压外环经PI控制得到网侧电流幅值参考值，将之与通过锁相环(PLL)得到的同电网电压同频同相的单位正弦量相乘，得到网侧电流的参考值，之后通过内环电流环，使实际电网电流跟踪参考值。图中，Vdc是直流侧电容两端电压，Vdcref是直流侧电压参考值，vs是电网电压，is是电网侧电流，isref是网侧电流参考值，iL是负载电流，ic是补偿电流。
为了观测该方法的效果，搭建了相应的MATLAB仿真模型，如图2所示。相关参数为：电网电压220V、50Hz，负载为两个相同的单相全桥不控整流电路(0.4s时切除其中一个)，直流侧电容C＝1500μF，输出滤波器L＝4mH，图3为非线性负载。
0.3～0.4s负载电流波形如图4所示，总谐波畸变率(THD)为55.55％，远远超过了相关标准。经有源电力滤波器处理后网侧电流波形如图5所示，THD降为4.25％，但依然过高。
探究原因，发现PI控制器的输出信号中含有谐波，如图6所示。如此，其与单位正弦信号相乘所得的网侧电流参考信号中必然含有大量谐波，如图7所示，最终使网侧电流中谐波含量过大。
为了提高双闭环控制方式有源电力滤波器的性能，本设计使用跟踪微分器对PI控制器输出信号进行处理。
图8是基于跟踪微分器的有源电力滤波器。包括指令电流运算电路、电流跟踪控制电路和主电路。
其中指令电流运算电路在PI控制器与乘法器之间设置跟踪微分器，跟踪微分器是这样一种机构，如图9所示：输入信号v(t)，可以输出两个信号z1和z2。其中z1是输入信号v(t)的光滑逼近，z2是v(t)的广义导数，即z1的导数。该求导过程可以避免高频噪声及不可导点的影响。由于本设计中不需要输出导数信号，所以跟踪微分器只输出跟踪信号，为单入单出。
对如下***
跟踪微分器的一般形式为
本设计使用的是线性跟踪微分器,线性跟踪微分器可以提高电路响应时间。
其中R是可调参数，决定跟踪微分器的滤波特性，R过高会降低微分***的滤波性能，R过低则会造成跟踪微分器跟踪相位延迟，本设计中取值为100，满足跟踪微分器的相位跟踪和滤波效果。
f为线性参数，这里选取-2与-5两个参数是因为其对应的矩阵满足(赫尔维茨)Hurwitz矩阵，当线性***的系数矩阵为赫尔维茨矩阵时，该***是渐近稳定的。
为了观测该方法的效果，搭建了相应的MATLAB仿真模型并得到了仿真结果。
实验结果如图10-12所示：经跟踪微分器改进后，PI控制器输出基本不含谐波；网侧电流参考信号的THD由原来的4.27％下降为0.47％；网侧电流的THD由原来的4.25％下降到1.56％，极大地提升了有源电力滤波器的谐波抑制能力，达到了理想的控制效果。
为了验证跟踪微分器对***反应时间的影响，设置负载在0.4s时突降，原有源电力滤波器及跟踪微分器改进的有源电力滤波器仿真结果分别如图13、14所示。可以看到在负载突变时，两种控制方式的反应时间基本一致。
综上，相比于原有源电力滤波器，跟踪微分器改进的有源电力滤波器在保持反应时间不变的前提下，极大地提升了单相有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于跟踪微分器的指令电流运算电路，其特征在于，包括：
电压环，根据直流侧电压实际值和电压参考值，输出二者的差值；
PI控制器，与电压环输出相连，用于输出对应的参考电流；
微分***，与所述PI控制器相连，用于跟踪参考电流，并滤除参考电流中的谐波；
锁相环，用于检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
乘法器，与微分***和锁相环的输出连接，得到电网侧电流的参考值。
2.根据权利要求1所述的指令电流运算电路，其特征在于：所述跟踪微分器具有两个输出端口，端口1用于跟踪输入信号，并对输入信号作带有滤波效果的光滑趋近，端口2输出输入信号的广义导数，所述端口1与乘法器连接。
3.根据权利要求1所述的指令电流运算电路，其特征在于：所述跟踪微分器具有可调参数R，其值同时满足跟踪微分器的相位跟踪和滤波效果要求。
4.根据权利要求1所述的指令电流运算电路，其特征在于：微分***为线性跟踪微分器，用于提高电路响应时间。
5.根据权利要求4所述的指令电流运算电路，其特征在于：线性跟踪微分器的线性参数满足赫尔维茨矩阵，用于稳定线性跟踪微分器。
6.一种基于权利要求1所述的基于跟踪微分器的指令电流运算电路的有源电力滤波器，
其特征在于，还包括：
电流跟踪控制电路，同时与电网侧线路和指令电流运算电路连接，通过检测电网侧电流实际值，输出电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；
驱动电路，与电流跟踪控制电路相连并输出驱动信号；
主电路，与驱动电路相连，根据驱动信号向负载侧输出补偿电流。
7.根据权利要求6所述的有源电力滤波器，其特征在于，电流跟踪控制电路包括电流检测器和电流环，电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，电流环同时与电流检测器和指令电流运算电路相连，输出电网侧电流的参考值和电网侧电流实际值的差值。
8.根据权利要求6所述的有源电力滤波器，其特征在于，主电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。
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