中压并联型有源电力滤波器及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，本发明涉及一种中压并联型有源电力滤波器及控制方法。

背景技术

随着高压电网及电力电子技术的迅猛发展，大量电力电子设备的增加对电网产生的谐波污染日益严重，对中高压大容量有源电力滤波器的需求越来越迫切。目前中高压大容量有源电力滤波器的实现方式主要有两种方案，一种是采用级联多电平技术，另一种是采用升压变压器。

虽然有源电力滤波器经历了多年的发展，在低压配电系统中的应用也日臻完善，但在中高压大容量领域的应用还不成熟，如何利用有源电力滤波器解决中高压大容量交流配电系统中存在的谐波污染，对电力电子技术的发展具有重要意义。

在中高压大容量有源电力滤波器的实现方案中，级联多电平技术控制过于复杂，稳定性和可靠性较差，动态响应较慢，特别是随着电压等级的提高其级联单元过多，成本较高。

微电网和传统电网的主要的区别在于微电网可以以孤岛方式运行，对分布式能源进行就地消化、就地平衡，同时也可与大电网进行能量交换。因此，微电网内部的控制和相关保护技术和大电网相比有相应的区别：大电网主要是单向潮流、简单交互，从发电厂通过输电线路连接到用户；而微电网是内部的循环，是双向操作，用户和微电网之间可交换能量，是主动交互。

如果微电网控制得好，当大电网故障时，可对大电网起到支撑作用以提高供电可靠性。微电网还可对大电网提供调频、调压服务以提高电能质量。因此微电网控制性能至关重要，由于相比于大电网，微电网中可再生能源渗透率高，加之储能等设备，使其电力电子化特征明显、惯性小、谐波含量高。因此，微电网的谐波抑制必不可少。

发明内容

采用升压变压器的方案是对中高压大容量有源电力滤波器级联多电平技术实现方案的有力补充，其容量可大可小，控制相对简单、可靠性更高，且变压器网侧角型连接的设计合理的解决了中高压系统无中线的问题，单相H桥的拓扑结构也便于独立控制。

本发明的目的在于至少部分克服现有电力滤波器中的不足，提供一种中压(35kV以下，例如10kV)并联型有源电力滤波器及控制方法。采用三个单相H桥的主电路拓扑结构，经三个单相升压变压器(工作在B-H曲线的线性段)输出到电网，解决了有源电力滤波器在中压系统的应用问题。三个单相升压变压器的高压侧(网侧)采用角型连接方式，解决了中压系统无中线的问题。基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环解决了单相变量的锁相问题。基于瞬时无功功率理论的构思，对负载电流做坐标变换和滤波控制，解决了单相电路的谐波检测问题。直流电压控制环输出量乘以cosωt变换到交流系统下，作为电流环给定输入，解决了直流电压的控制问题。在并联型有源电力滤波器中采用单相SVPWM控制技术。

根据本发明的一方面，一种中压三相并联型有源电力滤波器包括：三个单相H桥；三个单相变压器，三个单相变压器的低压侧通过滤波组件分别连接到所述单相H桥中的对应一个，并且三个单相变压器的高压侧均连接到电网；有源电力滤波器中的三个单相变压器的高压侧采用角型连接，三个单相变压器的低压侧采用星型连接。

所述中压三相并联型有源电力滤波器，还包括控制器，所述控制器采用电压和电流双闭环反馈控制策略独立地控制所述三个单相H桥中的每个H桥以进行谐波补偿。所述控制器被配置为：将电压外环调节量和从电网提取的谐波电流与变压器变比的乘积叠加作为电流环给定值，并将电流环给定值与每个H桥的交流侧的电流测量值求差值，并对求差值的结果进行整理调节，以得到所述每个H桥的空间矢量脉宽调制控制的输入，其中，控制器将所述每个H桥的直流侧的电压参考值和所述每个H桥的直流侧的电压测量值求差值、针对求差值的结果执行整理调节、并将整理调节后的结果乘以电网电压相位的余弦值得到所述电压外环调节量。

在电压和电流双闭环反馈控制策略中，所述控制器控制电流内环用于控制主电路跟踪电流给定值，控制直流电压外环用于控制所述每个H桥的直流侧电压稳定。

在电压和电流双闭环反馈控制策略中，所述直流电压外环在所述电流内环外侧。

在电压和电流双闭环反馈控制策略中，所述控制器选择单相变压器低压侧进行电压采集，以进行交流电压前馈控制。

在电压和电流双闭环反馈控制策略中，所述控制器基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环来获取线电压相位。

在电压和电流双闭环反馈控制策略中，所述控制器将单相变压器的高压侧以角型连接的有源电力滤波器的电网负载电流转换为角内相电流。

在电压和电流双闭环反馈控制策略中，所述控制器以单相变压器的高压侧以角型连接的有源电力滤波器的角内相电流为控制对象，从电网负载电流减去基波无功电流和基波有功电流来提取谐波电流信号。

所述整理调节包括比例积分调节和限幅调节。

根据本发明的另一方面，一种中压三相并联型有源电力滤波控制方法，包括：

采用电压和电流双闭环反馈控制策略，有源电力滤波器的三个单相变压器的高压侧采用角型连接，三个单相变压器的低压侧采用星型连接，所述控制方法包括：将电压外环调节量和从电网提取的谐波电流与变压器变比的乘积叠加作为电流环给定值，并将电流环给定值与有源电力滤波器的三个单相H桥中的每个H桥的交流侧的电流测量值求差值，并对求差值的结果进行整理调节，以得到所述每个H桥的空间矢量脉宽调制控制的输入，其中，由所述每个H桥的直流侧的电压参考值和所述每个H桥的直流侧的电压测量值求差值、并针对求差值的结果执行整理调节、并将整理调节后的结果乘以电网电压相位的余弦值得到所述电压外环调节量。

所述控制方法中，在电压和电流双闭环反馈控制策略中，电流内环用于控制主电路跟踪电流给定值，直流电压外环用于控制所述每个H桥的直流侧电压稳定。

所述控制方法中，在电压和电流双闭环反馈控制策略中，所述直流电压外环在所述电流内环外。

所述控制方法中，在电压和电流双闭环反馈控制策略中，选择单相变压器低压侧进行电压采集，以进行交流电压前馈控制。

所述控制方法中，在电压和电流双闭环反馈控制策略中，基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环来获取线电压相位。

所述控制方法中，在电压和电流双闭环反馈控制策略中，将单相变压器的高压侧以角型连接的有源电力滤波器的电网负载电流转换为角内相电流。

所述控制方法中，在电压和电流双闭环反馈控制策略中，以单相变压器的高压侧以角型连接的有源电力滤波器的角内相电流为控制对象，从电网负载电流减去基波无功电流和基波有功电流来提取谐波电流信号。

所述控制方法中，所述整理调节包括比例积分调节和限幅调节。

根据本发明的另一方面，一种用于微电网的中压三相并联型有源电力滤波器，所述有源电力滤波器包括：三个单相H桥；三个单相变压器，三个单相变压器的低压侧通过滤波组件分别连接到所述单相H桥中的对应一个，并且三个单相变压器的高压侧均连接到微电网的母线，其中，有源电力滤波器中的三个单相变压器的高压侧采用角型连接，三个单相变压器的低压侧采用星型连接。

根据本发明的另一方面，一种用于微电网的中压三相并联型有源电力滤波控制方法，所述控制方法采用电压和电流双闭环反馈控制策略，有源电力滤波器的三个单相变压器的连接到微电网母线的高压侧采用角型连接，三个单相变压器的低压侧采用星型连接，其中，所述控制方法还包括：将电压外环调节量和从电网提取的谐波电流与变压器变比的乘积叠加作为电流环给定值，并将电流环给定值与有源电力滤波器的三个单相H桥中的每个H桥的交流侧的电流测量值求差值，并对求差值的结果进行整理调节，以得到所述每个H桥的空间矢量脉宽调制控制的输入，其中，由所述每个H桥的直流侧的电压参考值和所述每个H桥的直流侧的电压测量值求差值、并针对求差值的结果执行整理调节、并将整理调节后的结果乘以电网电压相位的余弦值得到所述电压外环调节量。

根据本发明的另一方面，一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当所述计算机程序在被处理器执行时实现上述中压三相并联型有源电力滤波控制方法。

根据本发明的另一方面，一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现上述中压三相并联型有源电力滤波控制方法。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的有源电力滤波器(APF)结构的示意性示图；

图2是根据本发明的实施例的基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环控制的示图；

图3是根据本发明的实施例的基于单相电力系统谐波检测原理的APF角内相电流计算的示图；

图4是根据本发明的实施例的直流电压及谐波电流跟踪控制的示图；

图5A是根据本发明的实施例的补偿前的线电压U

图5B是根据本发明的实施例的补偿前的电流I

图6是根据本发明的实施例的I

图7是根据本发明的实施例的谐波电流I

图8是根据本发明的实施例的负载电流I

图9A是根据本发明的实施例的补偿后的线电压U

图9B是根据本发明的实施例的补偿后的电流I

具体实施方式

为了使本领域技术人员能够更好的理解本发明，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

在本发明中使用的技术术语的定义如下：

APF：Active Power Filter，有源电力滤波器，也称有源滤波器；

SVPWM：Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制；

FFT：Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换，将周期性信号分解为一系列不同频率的正弦信号；

THD：Total Harmonic Distortion，总谐波畸变。

图1是根据本发明的实施例的APF拓扑结构及信号测量点的示意性示图。

本发明的实施例是基于磁通补偿的并联型APF拓扑结构，如图1所示，有源电力滤波器的控制系统(未示出)采用单相独立控制结构对系统谐波电流进行补偿。有源电力滤波器的控制系统可以是任意类型的控制器。在有源电力滤波器中，三个单相变压器的低压侧通过滤波组件分别连接到三个单相H桥中的对应一个并且变压器的高压侧W1(网侧)均连接到电网。有源电力滤波器中的三个单相变压器的高压侧采用角型连接，三个单相变压器的低压侧采用星型连接。拓扑结构中的信号测量点已在图中以箭头标注，以A相为例具体说明如下：

(1)谐波电流i

(2)补偿电流i

(3)采集三相H桥直流侧电容电压U

(4)交流电压前馈控制选择单相变压器低压侧W2(H桥的逆变侧)端口电压U

(4)涉及锁相控制测量电网线电压信号U

(5)采集变压器电网侧电流信号I

图1中PI Section为例如10kV电网至有源电力滤波器及谐波负载并网点的电缆线路参数设置模块，U

图2是根据本发明的实施例的基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环控制的示图。

如图2所示的锁相控制系统中，基于单相变量的单相锁相环方案借鉴乘法鉴相锁相的基本思路，直接构建一个闭环锁相环路，即以两正交变量乘积的平均值为给定变量，并令该给定变量为零构建闭环系统可实现锁相控制。

假设输入电压e

图2中虚拟无功功率的

采用低通滤波器(LPF)对式(1)中的无功功率交流量进行滤除，可以得到无功功率的平均值

从式(2)中可以看出，若控制平均无功功率

图3是根据本发明的实施例的基于单相电力系统谐波检测原理的APF角内相电流计算的示图。

理想的补偿效果是使电网侧功率因数为1，即网侧电流与电网电压同相位，且不包含谐波电流。因此，在不考虑无功补偿及不平衡控制时，APF需要向电网中注入与负荷电流谐波分量相反的谐波电流。网侧角型连接的APF以角内相电流

式(4)中零序电流

通常情况下，负荷的三相线电流已知，参考式(4)，由于零序电流未知，将负荷电流转换成角型相电流存在无穷组解。但从物理意义上分析，负荷电流的等效角内零序电流对三相系统的无功功率及不平衡度不产生影响，因此，零序电流的取值不影响补偿电流参考值的提取。为了与基频电流参考值做统一处理，不妨假设

式(5)的变换根据变压器网侧角型连接的特殊连接方式，并结合谐波提取及补偿控制前提，因为网侧角型的连接方式使得APF注入的补偿电流也必然是对线电流的补偿，所以将线电流转换为角内相电流是前提。因此，只需要对负荷电流的等效角内相电流

以下将描述单相电力系统谐波检测方法。传统的电流检测方法适用于三相电力系统中，不能运用在单相环境里。设单相电路的电网电压为：

e

则与其同频同相且幅值为1的电压正弦信号为：

u

含有谐波的周期非正弦的电网电流信号为：

将式(8)进行傅里叶变换可得到：

令

明显可以看出，式(10)中I

由式(11)可知，该式中直流分量的幅值为I

将u

式(12)中直流分量的幅值为I

用电网负载电流减去求得的基波无功电流与基波有功电流分量之后，可求得单相电网中的谐波电流分量I

I

图4是根据本发明的实施例的直流电压及谐波电流跟踪控制的示图。

以下将描述直流电压及谐波电流跟踪控制策略。对于单相并联型APF而言，电压电流双闭环反馈控制是应用最为广泛的控制策略。其中，电压环控制目标是维持直流侧电压的稳定，直流电压的稳定是单相H桥稳定工作的前提，电流环控制目标是对谐波电流进行补偿，但不同于常用的将控制量变换到dq坐标系下做直流控制，此处电流环控制输入量是交流分量，而直流电压环控制输出量为直流分量，为将直流电压控制输出量叠加在交流电流控制环中，使直流电压环PI输出乘以cosω At。电流内环和电压外环是APF正常运行的基础。PI控制器(例如，可包括在有源电力滤波器的控制器中)作为一种经典的控制技术具有结构简单、便于实现、性能良好等优点，因此，本发明设计的电流环与电压环将均采用PI控制器。可选地，控制器还可以采用重复控制器、PR控制器、P控制器或PID控制器。以A相为例，其控制策略如图4所示。

本发明的实施例采用电压和电流双闭环反馈控制策略独立地控制所述三个单相H桥中的每个H桥以进行谐波补偿，直流电压外环在电流内环外侧。在图4中，U

将电压外环调节量和从电网提取的谐波电流i

图5A是根据本发明的实施例的补偿前的线电压U

如图1中所示拓扑结构中，谐波负载的容量可设置为380kVA。以A相为例，未投入有源电力滤波器时并网点处线电压U

投入有源电力滤波器后，如图7至图9所示。图7所示为谐波分离环节所得谐波电流I

本发明所提供的方法可提供如下优点：采用三个单相H桥的主电路拓扑结构，经三个单相升压变压器(工作在B-H曲线的线性段)输出到电网，解决了有源电力滤波器在中压系统的应用问题；三个单相升压变压器的高压侧(网侧)采用角型连接方式，解决了中压系统无中线的问题；基于虚拟平均无功鉴相的单相锁相环解决了单相变量的锁相问题；基于瞬时无功功率理论的思想，对负载电流做坐标变换和滤波控制，解决了单相电路的谐波检测问题；直流电压控制环输出量乘以cos ωt变换到交流系统下，作为电流环给定值输入，解决了直流电压的控制问题；在并联型有源电力滤波器中采用单相SVPWM控制技术。

根据本发明的示例性实施例还提供一种用于微电网的中压三相并联型有源电力滤波器，所述有源电力滤波器包括：三个单相H桥；三个单相变压器，三个单相变压器的低压侧通过滤波组件分别连接到所述单相H桥中的对应一个，并且三个单相变压器的高压侧均连接到微电网的母线。有源电力滤波器中的三个单相变压器的高压侧采用角型连接，三个单相变压器的低压侧采用星型连接。

所述有源电力滤波器还包括：控制器，采用电压和电流双闭环反馈控制策略独立地控制所述三个单相H桥中的每个H桥以进行谐波补偿。所述控制器被配置为：将电压外环调节量和从电网提取的谐波电流与变压器变比的乘积叠加作为电流环给定值，并将电流环给定值与每个H桥的交流侧的电流测量值求差值，并对求差值的结果进行整理调节，以得到所述每个H桥的空间矢量脉宽调制控制的输入，其中，控制器将所述每个H桥的直流侧的电压参考值和所述每个H桥的直流侧的电压测量值求差值、针对求差值的结果执行整理调节、并将整理调节后的结果乘以电网电压相位的余弦值得到所述电压外环调节量。

根据本发明的示例性实施例还提供一种用于微电网的中压三相并联型有源电力滤波控制方法，所述控制方法采用电压和电流双闭环反馈控制策略，有源电力滤波器的三个单相变压器的连接到微电网母线的高压侧采用角型连接，三个单相变压器的低压侧采用星型连接。所述控制方法还包括：将电压外环调节量和从电网提取的谐波电流与变压器变比的乘积叠加作为电流环给定值，并将电流环给定值与有源电力滤波器的三个单相H桥中的每个H桥的交流侧的电流测量值求差值，并对求差值的结果进行整理调节，以得到所述每个H桥的空间矢量脉宽调制控制的输入。由所述每个H桥的直流侧的电压参考值和所述每个H桥的直流侧的电压测量值求差值、并针对求差值的结果执行整理调节、并将整理调节后的结果乘以电网电压相位的余弦值得到所述电压外环调节量。

根据本发明的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的中压并联型有源电力滤波器控制方法。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。

根据本发明的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。所述计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的中压并联型有源电力滤波器控制方法。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可对这些实施例进行修改和变型，这些修改和变型也应在本发明权利要求的保护范围内。