CN109698616B - 有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法 - Google Patents

有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力技术应用领域,具体是涉及一种有效吸收有源电力滤波器直流侧电压波动、使得有源电力滤波器***稳定运行的有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法，包括有源电力滤波器***、并联型有源电力滤波器***的直流侧波动电路、各个直流侧波动补偿电路以及控制各个直流侧波动补偿电路的控制环电路，所述并联型有源电力滤波器***包括并联的三相平衡电路、滤波电路以及非线性负载，其工作方法包括利用直流侧波动补偿电路电容的波动吸收有源电力滤波器***的电压波动。

Description

有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法
技术领域
本发明涉及电力技术应用领域,具体是涉及一种有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法。
背景技术
常规的有源电力滤波器在补偿三相平衡的谐波负载时，直流侧波动很小，但随着有源电力滤波器的发展，对其补偿效果的要求也越来越高，因而有源电力滤波器需要在一定情况下，补偿负载无功、不平衡，此外三相四线制的分相控制，也要求有源电力滤波器具有不平衡补偿的能力。此时，有源电力滤波器正常工作时，不可避免的会出现直流侧电压脉动问题，对于非对称负载，此时直流侧电压脉动则会产生较大影响，有源电力滤波器控制中采用电流跟踪内环和直流侧电压外环控制的双环嵌套模式，直流电压外环的控制输出直接叠加在电流内环的给定上的控制方式无法起到直流侧电流抑制的效果，反而会在输出电流上叠加一个谐波的脉动，影响有源电力滤波器的补偿性能，严重时甚至造成有源电力滤波器装置的损坏。
如附图1所示，由于负载的不平衡性可能存在，则并联型有源电力滤波器***对基波负序、零序，以及谐波进行补偿，不同电流的补偿将会对***产生不同的影响。
为分析直流侧电压波动，可利用功率守恒分析交直流侧功率流动，此时由于LCL滤波器中的电容支路因流过高频纹波，在进行分析时可以忽略省去，故其等效电路如附图2所示：图中L是包含LCL滤波器电感以及变压器漏感在内的等效电感，R代表线路上电抗器、电容以及逆变器损耗的等效电阻，Cdc为电压源型逆变器直流母线的电容。vj(j＝a、b、c)是电网电压，ij(j＝a、b、c)为补偿电流，idc为直流侧电流。每一部分的瞬时功率为：
Figure GDA0002372090740000021
其中：
Figure GDA0002372090740000022
由于此时输出滤波器和等效电阻上消耗的能量较小，可以忽略，则有p1≈p3。由于并联型有源电力滤波器***需补偿三相不平衡电流，由对称分量法可知，补偿的每一次谐波电流都可分为正负零序，即：
Figure GDA0002372090740000023
式中ipk，ink，izk分别为k次谐波的正负零序电流有效值。下面分别就各次谐波的正负零序对直流侧波动的影响进行分析。
当输出电流为k次正序电流时，交流侧功率为：
Figure GDA0002372090740000024
由三相对称可知，式中含三相相角关系的一项三相总和必然为0，则三相正序电流引起的波动为每一次正序电流的叠加，则总功率波动为：
Figure GDA0002372090740000031
可知，基波正序的功率为一恒定功率，此时将引起直流侧电压往一固定方向偏离，该偏离可由直流侧稳压环注入反向功率消除。
特别的，当补偿的正序电流为无功时，此时
Figure GDA0002372090740000032
基波正序电流引起的固定功率偏移量为0，即基波正序无功电流不引起直流侧变化。
因此，当补偿所有的正序电流时，直流侧上的电流应为：
Figure GDA0002372090740000033
由功率平衡可知，由正序电流引起的直流侧电压波动为：
Figure GDA0002372090740000034
同理，可以推出负序电流引起的直流侧电压波动为：
Figure GDA0002372090740000035
而零序电流由于电压为三相对称电压，故此时零序电流瞬时功率总为0，即对称的零序电流仅在三相间流动，不引起直流侧电压变化。
则直流侧电压总波动为：
Figure GDA0002372090740000041
由上式可知，k次谐波引起的直流侧电压波动值与谐波次数有关在相同输出电流有效值下，次数越高则波动范围越小。
下面以A相为例，分析直流侧波动对控制环的影响。
直流侧电压环控制如附图3所示，以负序电流导致的二倍频波动为例，由以上分析可知，当直流侧存在二倍频波动时，生成的指令电流为:
Figure GDA0002372090740000042
即直流侧电压波动将对补偿电流注入额外的3次谐波电流量，该电流将影响输出补偿精度。
同理，其他次谐波引起的直流侧电压波动，也会通过直流侧稳压环向输出电流注入额外的谐波电流，严重时，并联型有源电力滤波器***非但补偿不了负载谐波，反而会向电网注入额外的谐波，而成为一个需要治理的谐波源。
此外，假设并联型有源电力滤波器***采用SPWM方式进行调制，在标幺化调制波时，一般采用直流侧电压参考值进行标幺化，此时由于直流侧波动的存在，会使得逆变器输出电压与理想输出电压存在波动误差，该误差的累计将导致控制精度的下降，甚至导致过调制的产生，影响并联型有源电力滤波器***的稳定运行。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种有效吸收有源电力滤波器直流侧电压波动、使得有源电力滤波器***稳定运行的有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，包括有源电力滤波器***、有源电力滤波器***的直流侧波动电路、各个直流侧波动补偿电路以及控制各个直流侧波动补偿电路的控制环电路，所述有源电力滤波器***包括互相连接的三相平衡电路、滤波电路以及非线性负载。
优选的：所述有源电力滤波器***为并联型有源电力滤波器***。
优选的：所述直流侧波动补偿电路为非隔离升降压式PWM DC/DC转换电路。
优选的：所述直流侧波动补偿电路为直流纹波补偿电路，所述直流纹波补偿电路包括一个半桥，一个滤波电感，一个吸收电容。
优选的：所述控制环电路包括并联型有源电力滤波器***直流侧波动重复控制外环、直流侧波动补偿电路电容均值稳压环、PI电流内环通过跟踪电感电流以及并联型有源电力滤波器***直流侧电压前馈。
提供有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法：通过有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值，与通过平均值滤波器计算的有源电力滤波器***直流侧做差得到有源电力滤波器***直流侧波动量，作为重复控制外环的输入，从而得到波动补偿值，利用直流侧波动补偿电路电容的波动吸收有源电力滤波器***的电压波动，直流侧波动补偿电路稳压量为一直流量，故参考信号直接利用电流内环PI控制即可实现直流侧波动补偿电路电容的稳压，PI电流内环通过跟踪电感电流，控制直流侧波动补偿电路电容从有源电力滤波器***吸收或释放能量，从而实现直流侧波动补偿电路电容吸收有源电力滤波器***电容电压波动的控制结果。
通过采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：本发明首先针对有源电力滤波器的直流侧电压进行建模，依据瞬时功率平衡理论，对其直流侧电压波动的原因进行分析，并基于此设计了一种直流侧波动吸收电路，该电路通过在直流侧加上额外吸收回路，使其直流侧波动的能量转移到吸收电路的电容上，而直流侧波动吸收电路上的电压波动并不会对有源电力滤波器桥臂输出电压产生影响，因此其允许的波动可大大增加，从而设计时直流侧电容的取值可大大减少，该方式即提高了有源电力滤波器的补偿性能，也提高有源电力滤波器装置的整机功率密度。
附图说明
图1为本发明实施例中并联型有源电力滤波器***的结构图；
图2为本发明实施例中并联型有源电力滤波器***的等效电路原理图；
图3为本发明实施例中直流侧电压控制框图；
图4为本发明实施例中直流侧波动补偿电路的电路拓扑图；
图5为本发明实施例中直流侧波动补偿电路的电路控制框图；
图6为本发明实施例中直流侧波动补偿电路运行前后，直流侧电压和直流侧波动补偿电路电容电压波形；
图7(a)为直流侧波动补偿电路投入前负载电流，补偿电流和电网电流波形；
图7(b)为直流侧波动补偿电路投入后负载电流，补偿电流和电网电流波形；
图7(c)为直流侧波动补偿电路投入前电网电流FFT分析结果；
图7(d)为直流侧波动补偿电路投入后电网电流FFT分析结果。
具体实施方式
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:
如图4、图5所示，一种有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，包括有源电力滤波器***、并联型有源电力滤波器***的直流侧波动电路、各个直流侧波动补偿电路以及控制各个直流侧波动补偿电路的控制环电路，所述并联型有源电力滤波器***包括并联的三相平衡电路、滤波电路以及非线性负载，所述有源电力滤波器***为并联型有源电力滤波器***，所述直流侧波动补偿电路为非隔离升降压式PWM DC/DC转换电路，所述直流侧波动补偿电路为直流纹波补偿电路，所述直流纹波补偿电路包括一个半桥，一个滤波电感，一个吸收电容，所述控制环电路包括并联型有源电力滤波器***直流侧波动重复控制外环、直流侧波动补偿电路电容均值稳压环、PI电流内环通过跟踪电感电流以及并联型有源电力滤波器***直流侧电压前馈。
工作方法：通过有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值，与通过平均值滤波器计算的有源电力滤波器***直流侧做差得到有源电力滤波器***直流侧波动量，作为重复控制外环的输入，从而得到波动补偿值，利用直流侧波动补偿电路电容的波动吸收有源电力滤波器***的电压波动，直流侧波动补偿电路稳压量为一直流量，故参考信号直接利用电流内环PI控制即可实现直流侧波动补偿电路电容的稳压，PI电流内环通过跟踪电感电流，控制直流侧波动补偿电路电容从有源电力滤波器***吸收或释放能量，从而实现直流侧波动补偿电路电容吸收有源电力滤波器***电容电压波动的控制结果。
工作原理：关于直流侧波动补偿电路设计：
由背景技术分析可知，为降低直流侧电压的波动，需增大直流侧电容，但直流侧电容增大又不利于并联型有源电力滤波器***的功率密度和经济性。为解决并联型有源电力滤波器***直流侧波动问题，本发明根据单相逆变器常用的功率解耦电路，设计了一个直流波动补偿直流侧波动补偿电路以降低直流侧电压波动：
如附图4所示，为吸收直流侧的电压的波动，针对上下电容的波动分别设计了如图所示的直流侧波动补偿电路拓扑，每个电路包含一个半桥，一个滤波电感，一个吸收电容。
由背景技术分析可知，当并联型有源电力滤波器***补偿基波负序电流时，引起的直流侧波动最大，故以下的电路设计以波动最大的负序电流补偿时的波动作为设计依据。
该直流侧波动补偿电路为buck-boost型电路，设并联型有源电力滤波器***直流侧上的波动完全转移到直流侧波动补偿电路的直流侧电容上，当并联型有源电力滤波器***满功率补偿基波负序电流时，则直流侧波动补偿电路上的电压波动为：
Figure GDA0002372090740000081
因此，为降低并联型有源电力滤波器***直流侧和直流侧波动补偿电路直流侧总电容值，提高***功率密度，可采用提高吸收电路上电容压降，同时提高吸收电路上电容的电压波动允许值。
因此，将直流侧波动补偿电路设计为工作于boost工作模式下，将直流侧波动补偿电路上的电容压降升高，同时提高直流侧波动补偿电路上电容电压波动的允许值，但需注意的是，此时直流侧波动补偿电路上电容CR的电压应保证大于并联型有源电力滤波器***直流侧电压值，同时直流侧波动补偿电路直流侧波动会导致电容电压峰值提高，从而加大直流侧波动补偿电路上开关管的电压应力，设计时需综合考虑该因素。
设并联型有源电力滤波器***直流侧电压值为Vdc，允许的波动为ΔVdc，而直流侧波动补偿电路上电容电压值为VdcR，允许的波动为ΔVdcR，则理论上总电容值最大能减小的倍数为：
Figure GDA0002372090740000091
直流侧波动补偿电路的滤波电感设计方法与并联型有源电力滤波器***输出滤波器电感设计思路一致，电感设计需要考虑电感电流的变化率，如果设计的电感量太大，会导致电感电流的变化率下降，无法准确的跟踪参考电流的变化；但是如果设计的电感量太小，电感电流的变化率较大，此时电感和开关管的损耗将会增大。因此设计电感量时需要综合考虑两个的关系。
当直流侧波动补偿电路完全吸收并联型有源电力滤波器***直流侧波动时，电感电流即并联型有源电力滤波器***直流侧电压波动电流，可表示为：
Figure GDA0002372090740000092
对上式求导，可得电感电流参考的变化率
Figure GDA0002372090740000093
由于直流侧波动补偿电路工作在boost模式，故在一个boost开关动作周期内，滤波电感电流上升的斜率为：
Figure GDA0002372090740000094
下降的斜率为：
Figure GDA0002372090740000095
为使电感电流对参考电流保持良好的跟踪，需要上升和下降的速度皆超过直流侧电流的变化率，即：
Figure GDA0002372090740000101
Figure GDA0002372090740000102
则可求得滤波电感的选择条件为：
Figure GDA0002372090740000103
关于直流侧波动补偿电路控制环设计：
由于直流侧波动补偿电路目标是将并联型有源电力滤波器***直流侧波动量吸收至自身电路的储能电容中，区别于传统的功率解耦电路，并联型有源电力滤波器***的直流侧波动更加复杂，由上述分析可知，直流侧电压波动量含有多个频率的波动，为同时跟踪多个波动频率，提高跟踪精度，控制环采用PI+重复控制的双环控制的方法：
并联型有源电力滤波器***直流侧电压波动值可利用所述的MAF滤波器与采样实时值获得，并作为参考量输出重复控制器，来跟踪直流侧波动的变化，将所得误差与稳压环输出输入PI环调节，生成控制量来控制直流侧波动补偿电路半桥占空比的变化，完成整个直流侧波动补偿电路的控制，同时，为消除并联型有源电力滤波器***直流侧电压对控制的影响，引入并联型有源电力滤波器***直流侧电压前馈控制。
整个控制器包含以下4个部分:
1)并联型有源电力滤波器***直流侧波动重复控制外环：通过并联型有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值，与通过平均值滤波器(MAF)计算的并联型有源电力滤波器***直流侧做差得到并联型有源电力滤波器***直流侧波动量，作为重复控制外环的输入，从而得到波动补偿值。
2)直流侧波动补偿电路电容均值稳压环：为保证直流侧波动补偿电路的正常工作，应是直流侧波动补偿电路电容均值保持在一个稳定量，利用直流侧波动补偿电路电容的波动吸收并联型有源电力滤波器***的电压波动，直流侧波动补偿电路稳压量为一直流量，故参考信号直接利用电流内环PI控制即可实现直流侧波动补偿电路电容的稳压。
3)PI电流内环通过跟踪电感电流，控制直流侧波动补偿电路电容从并联型有源电力滤波器***吸收或释放能量，从而实现直流侧波动补偿电路电容吸收并联型有源电力滤波器***电容电压波动的控制结果。
4)引入并联型有源电力滤波器***直流侧电压前馈以消除并联型有源电力滤波器***直流侧电压波动对控制效果的影响。
可以看出，在控制带宽设计合理的情况下，该控制环可以控制并联型有源电力滤波器***的所有次谐波的直流侧波动，将并联型有源电力滤波器***的直流侧波动量转移至直流侧波动补偿电路上。
试验：现将负载设置为A相和B相接阻性负载2欧姆，C相断相，此时并联型有源电力滤波器***仅补偿三相不平衡电流，由之前分析可知，此时直流侧电流波动达到最大，在运行一段时间后，投入直流侧波动补偿电路，和并联型有源电力滤波器***直流侧波动波形
如图6所示：在直流侧波动补偿电路不工作的情况下，并联型有源电力滤波器***直流侧存在严重的二倍频波动，波动峰峰值达到了20V，当直流侧波动补偿电路投入工作后，直流侧波动被直流侧波动补偿电路吸收，并联型有源电力滤波器***的直流侧电压基本不波动，可见，采用本文的直流侧波动补偿电路后，能够有效的抑制直流侧电压的波动。
如图7(a)、7(b)、7(c)、7(d)所示，直流侧波动补偿电路投入前后并联型有源电力滤波器***的负载电流波形，补偿电流波形。
由实验结果可以看出，当直流侧波动补偿电路投入前，虽然并联型有源电力滤波器***能够正常的输出负序补偿电流，但此时负序补偿电流存在较大的畸变，由上文分析可知，此时输出电流会往电网电流注入3次谐波，由电网电流FFT分析结果可以看出，此时电网3次谐波含量达到了3.66％，而当直流侧波动补偿电路投入后，由于直流侧电容波动被消除，此时并联型有源电力滤波器***输出的负序补偿电流波形得到了改善，输出电流往电网电流注入的3次谐波被基本被消除，由电网电流FFT分析结果可以看出，此时电网电流3次谐波含量仅有0.24％。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，其特征在于：包括有源电力滤波器***、有源电力滤波器***的直流侧波动电路、各个直流侧波动补偿电路以及控制各个直流侧波动补偿电路的控制环电路；
所述有源电力滤波器***包括互相连接的三相平衡电路、滤波电路以及非线性负载；
所述控制环电路包括：
有源电力滤波器***直流侧波动重复控制外环，输入有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值，经平均值滤波器后得到有源电力滤波器***直流侧电压的直流分量，与原输入信号做差后，得到有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值的直流侧波动量，输入重复控制器后，得到波动补偿值；
直流侧波动补偿电路电容均值稳压环，其利用直流侧波动补偿电路电容的波动吸收有源电力滤波器***的电压波动，使得直流侧波动补偿电路稳压量为一直流量，输入实际直流侧波动补偿电路电容电压瞬时值，经平均值滤波器后，得到直流侧波动补偿电路电容电压的实际平均值，与直流侧波动补偿电路电容电压参考值做差后，得到直流侧波动补偿电路电容电压误差值；
PI电流内环，其通过跟踪电感电流，控制直流侧波动补偿电路电容从有源电力滤波器***吸收或释放能量，从而实现直流侧波动补偿电路电容吸收有源电力滤波器***电容电压波动的控制结果，将直流侧波动补偿电路电容电压误差值与波动补偿值做差后，与反馈的电感电流值做差，得到电流误差值，再输入PI控制器后，得到电流控制指令；
有源电力滤波器***直流侧电压前馈，其用于消除有源电力滤波器***直流侧电压波动对控制效果的影响，输入电流控制指令，与采样到的有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值做差之后，得到该有源电力滤波器***直流侧电压前馈输出的调制波指令。
2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，其特征在于：所述有源电力滤波器***为并联型有源电力滤波器***。
3.根据权利要求1所述的有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，其特征在于：所述直流侧波动补偿电路为非隔离升降压式PWM DC/DC转换电路。
4.根据权利要求3所述的有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路，其特征在于：所述直流侧波动补偿电路为直流纹波补偿电路，所述直流纹波补偿电路包括一个半桥，一个滤波电感，一个吸收电容，该滤波电感与该半桥的中点连接，该吸收电容与该半桥的上下点连接。
5.根据权利要求1所述的有源电力滤波器直流侧电压波动吸收电路的工作方法，其特征在于：通过有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值，与通过平均值滤波器计算的有源电力滤波器***直流侧电压瞬时值做差得到有源电力滤波器***直流侧波动量，作为重复控制外环的输入，从而得到波动补偿值，利用直流侧波动补偿电路电容的波动吸收有源电力滤波器***的电压波动，直流侧波动补偿电路稳压量为一直流量，PI电流内环通过跟踪电感电流，控制直流侧波动补偿电路电容从有源电力滤波器***吸收或释放能量，从而实现直流侧波动补偿电路电容吸收有源电力滤波器***电容电压波动的控制结果。
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