專利名稱：一種雙開關直流有源電力濾波器及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙開關直流有源電力濾波器及其控制方法，屬于電力諧波抑制 技術領域。
背景技術：
單相靜止變流器作為高壓直流電源系統(tǒng)的典型負載之一，其輸出為交流電壓， 輸出的瞬時功率是不停脈動的，因此，靜止變流器輸入的瞬時功率也必然是不斷脈動 的。靜止變流器的輸入為直流母線，其輸入電壓恒定，所以功率的脈動必然體現(xiàn)在輸入 電流的脈動上。
隨著機載電子設備的廣泛使用，大量的靜止變流器作為非線性負載接入高壓直 流電源系統(tǒng)中，其脈動的輸入電流對高壓直流電源系統(tǒng)造成嚴重的電網(wǎng)污染，如果紋波 過大，會產(chǎn)生諸多不良影響(1)當系統(tǒng)中存在紋波時，可能會引起局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，放大諧波分量，因 此增加了由于紋波所產(chǎn)生的附加損耗和發(fā)熱，使電力設備發(fā)生額外損耗而過熱；(2)對直流線路沿線附近的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，在嚴重的情況下會威脅通訊設備的 安全；(3)由于紋波的存在，增加了系統(tǒng)中元件的附加諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用 電設備的使用效率。紋波可能引起測量儀表的誤差及某些電力設備保護裝置的誤動作；(4)紋波使電力設備元件絕緣老化加速，縮短使用壽命等。
輸入電流中的高頻紋波用簡單的無源方案即可濾除，但無源電力濾波器本身存 在如下局限在諧振頻率時，系統(tǒng)阻抗與濾波器阻抗相比不是足夠大，因而不能徹底濾 除紋波；紋波源電流超量時，濾波器容易過載；由于工作頻率及濾波器元件參數(shù)的變化 (如溫度變化時)，濾波器可能失諧，從而影響濾波效果；濾波器的占地面積大等。并 且，最值得注意的是單相靜止變流器的輸入電流中還存在很難用無源方案濾除的低頻 紋波電流，其中最典型的就是二次諧波電流。
借鑒交流系統(tǒng)中有源電力濾波器的原理，把用于直流系統(tǒng)的有源濾波器稱為直 流有源濾波器。將這種裝置用于直流電源系統(tǒng)中以抑制其諧波電壓和電流，可以大大提 高直流輸電的性能，很大程度上減少諧波的污染，大幅度降低濾波裝置的造價。在高壓 直流電源系統(tǒng)中開展直流有源濾波器的理論及應用研究具有重要的意義。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的所要解決的技術問題是針對高壓直流電源系統(tǒng)中低頻紋波無源濾波器 無法完全濾除，提出一種雙開關直流有源電力濾波器及其控制策略，采用這種直流有源 電力濾波器和控制策略不但能較好的治理高壓直流電網(wǎng)中存在的紋波問題，同時具有很 好的穩(wěn)定特性。
本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術方案一種雙開關直流有源電力濾波器，包括相互串聯(lián)的第一電感、第二電感，相互并聯(lián) 的第一橋臂、第二橋臂、穩(wěn)壓電容；其中所述第一電感的一端與第二電感的一端連接后與直流電網(wǎng)的第一母線相連接，第一 電感的另一端與第二橋臂的中點連接，第二電感的另一端與第一橋臂的中點連接；所述第一橋臂包括第一功率開關管、第一功率二極管，第二橋臂包括第二功率開關 管、第二功率二極管；其中第一功率開關管的集電極與第一功率二極管的陽極連接，第二功率開關管的發(fā) 射極與第二功率二極管的陰極連接；第二功率開關管的集電極分別與第一功率二極管的 陰極、穩(wěn)壓電容的一端連接；第二功率二極管的陽極分別與第一功率開關管的發(fā)射極、 穩(wěn)壓電容的另一端以及直流電網(wǎng)的第二母線相連接。
一種雙開關直流有源電力濾波器的控制方法，包括以下步驟步驟A，檢測非線性負載的電流信號、直流有源電力濾波器的補償電流信號，直流 有源電力濾波器的直流母線電壓信號；步驟B，將所述非線性負載的電流信號經(jīng)過低通濾波器，獲得其直流分量； 步驟C，計算非線性負載的電流信號與步驟B得到的直流分量的差值，得到非線性負 載電流信號的紋波分量；步驟D，計算直流有源電力濾波器直流母線電壓參考信號與直流有源電力濾波器直 流母線電壓信號的差值；步驟E，將步驟D獲得的電壓差值用PI控制器進行調節(jié)后，然后加入步驟C獲得的 非線性負載電流信號的紋波分量，得到直流有源電力濾波器的補償電流基準值；步驟F，計算步驟E獲得的補償電流基準值與步驟A所述的補償電流信號的差值； 步驟G，將步驟F所得到的差值輸入電流滯環(huán)比較器獲得第一邏輯信號； 步驟H，將步驟E獲得的補償電流基準值輸入過零比較器獲得第二邏輯信號； 步驟I，將步驟G、步驟H獲得的兩個邏輯信號分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中經(jīng) 過邏輯“與”門得到第一 PWM控制信號；將步驟G、步驟H獲得的兩個邏輯信號分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中先經(jīng)過邏 輯“非”門后，再接入邏輯“與”門得到第二 PWM控制信號；步驟J，分別將步驟I得到的第一、第二 PWM控制信號輸入驅動電路得到第一、第 二功率開關管的驅動信號，控制直流有源電力濾波器。
本發(fā)明采用上述技術方案具有如下有益效果1、相對于傳統(tǒng)無源濾波器，能夠更好的濾除非線性負載引入的諧波，特別是二次低 頻諧波；2、相對于傳統(tǒng)無源濾波器，能夠抑制電網(wǎng)電壓畸變等因素造成的電網(wǎng)電流紋波問 題，提高濾波器諧波補償特性；3、提高負載的等效輸入阻抗，增強分布式電網(wǎng)總線的穩(wěn)定裕度；4、功率密度比高，能廣泛用于高壓直流電網(wǎng)的諧波治理。


圖1是本發(fā)明的雙開關直流有源電力濾波器主電路及其控制策略的結構示意圖。
圖2 (a)、 (b)、 (C)、 (d)是本發(fā)明的雙開關直流有源電力濾波器工作原理圖。
圖3是本發(fā)明應用于270V高壓直流航空電網(wǎng)的負載電流、補償電流和電網(wǎng)電流 仿真波形。
圖4是本發(fā)明應用于270V高壓直流航空電網(wǎng)的負載電流、補償電流和電網(wǎng)電流 實驗波形。
圖5是本發(fā)明應用于270V高壓直流航空電網(wǎng)前后電網(wǎng)電流的頻譜仿真分析圖。
圖6是本發(fā)明應用于270V高壓直流航空電網(wǎng)，電壓出現(xiàn)畸變時的負載電流、補 償電流和電網(wǎng)電流的仿真波形。
具體實施方案下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述附圖1是本發(fā)明的雙開關直流有源電力濾波器主電路及其控制策略的結構示意圖。
雙開關直流有源電力濾波器主電路由雙接口電感廠、L2,兩個功率開關管戈、 &分別與兩個功率二極管仏、叢串聯(lián)構成的兩個橋臂，以及穩(wěn)壓電容C構成。電感厶 一端接入功率開關管戈和功率二極管D7組成橋臂的中點，另一端與電感—端相連； 電感Zp—端與電感厶一端相連，另一端接入功率開關管其和功率二極管叢組成橋臂的 中點。有源電力濾波器的正負直流母線跨接穩(wěn)壓電容C。雙接口電感知、Zp的連接點 接入直流電網(wǎng)正母線，有源電力濾波器的負母線接入電網(wǎng)負母線。
檢測非線性負載電流信號直流有源電力濾波器的 補償電流信號t直流有源電力濾波器的直流母線電壓信號&；將負載電流信號4經(jīng)過 低通濾波器，獲得其直流分量4 ；計算負載電流信號^與其直流分量&的差值ΛΙ,即為 負載電流信號的紋波分量；計算直流有源電力濾波器直流母線電壓參考信號pW與直流有 源電力濾波器直流母線電壓信號G的差值；將電壓差值用PI控制器進行調節(jié) 后，加入負載電流差值41，兩者之和即為直流有源電力濾波器的補償電流基準 ；計算 補償電流基準 與補償電流信號t的差值耗；將補償電流差值信號耗輸入電流滯環(huán)比 較器獲得邏輯信號鴣；將補償電流基準《輸入過零比較器獲得邏輯信號碎；將邏輯信 號鴣、M1均輸入邏輯電路，過程為場、馬經(jīng)過邏輯“與”門得到PWM控制信號a; 鴣、均分別經(jīng)過邏輯“非”門后接入邏輯“與”門得到PWM控制信號ft ； PWM控制 信號fi、ft輸入驅動電路得到功率管戈、其的驅動信號控制直流有源電力濾波器。
以電流正半周為例說明其滯環(huán)控制原理當誤差信號大于正環(huán)寬時，滯環(huán)比較 器輸出正電平，功率管戈導通，電感電流正向上升；當誤差信號小于負環(huán)寬時，滯環(huán)比 較器輸出負電平，功率管戈關斷，而二極管D7續(xù)流，電感電流正向減小。為實現(xiàn)電流 的半周期控制，補償電流基準 經(jīng)過零比較器判斷電路的工作狀態(tài)當4>0時，控制功率管戈，封鎖功率管其控制信號；反之控制功率管其，封鎖功率管戈控制信號。
本發(fā)明的雙開關直流有源電力濾波器工作原理圖如圖2 (a)、(b)、 (C)、 (d)所示1)、Boost狀態(tài)4><3，控制功率管戈，封鎖功率管其控制信號。
當直流有源電力濾波器補償電流小于補償電流基準時，S1開通，電感兩端的電 壓即為電網(wǎng)電壓，補償電流正向增長。其等效電路如圖2(a)所示。則有& = i 嘗 >0當直流有源電力濾波器補償電流大于補償電流基準時，戈關斷，補償電流經(jīng)過A續(xù) 流，電感兩端的電壓為電網(wǎng)電壓和穩(wěn)壓容上的電壓差，補償電流正向減小，其等效電路 如圖2(b)所示。則有n 4 <o也2)、Buck狀態(tài)t<0，控制功率管其，封鎖功率管戈控制信號。
當直流有源電力濾波器補償電流大于補償電流基準時，^開通，電感兩端的電 壓為電網(wǎng)電壓和穩(wěn)壓容上的電壓差，補償電流負向增加，其等效電路如圖2(c)所示。則 有Wi% <0A當直流有源電力濾波器補償電流小于補償電流基準時，&關斷，補償電流經(jīng)過叢續(xù) 流，電感兩端的電壓為電網(wǎng)電壓，補償電流負向減小，其等效電路如圖2(d)所示。則 有>0也圖3、圖4和圖5是本發(fā)明應用于270V高壓直流航空電網(wǎng)的負載電流、補償電流和電 網(wǎng)電流的仿真波形、電感電流的仿真波形和負載電流、補償電流和電網(wǎng)電流實驗波形。 由圖4所示的電感電流仿真波形可見變換器的兩只電感各工作半個周期。由仿真波形和 實驗波形可以判斷，直流有源電力濾波器具有很好的動態(tài)補償性能，電網(wǎng)電流基本維持 恒定直流。
圖6是本發(fā)明應用于270V高壓直流航空電網(wǎng)前后電網(wǎng)電流的頻譜仿真分析圖。 接入本發(fā)明的直流有源電力濾波器之前，負載中除了包括含量最多的直流分量和800Hz 的諧波分量外，還包括頻率為300Hz，600Hz, 900Hz，1200Hz···.的諧波分量，這部分 諧波主要來自電網(wǎng)電壓，接入本發(fā)明的補償裝置后電網(wǎng)電流的頻譜基本不含任何諧波分 量。這說明，本發(fā)明不但可以補償來自負載的諧波，還可以補償由電網(wǎng)本身帶來的諧 波。
上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神 和權力要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1 一種雙開關直流有源電力濾波器，其特性在于包括相互串聯(lián)的第一電感、第二 電感，相互并聯(lián)的第一橋臂、第二橋臂、穩(wěn)壓電容；其中所述第一電感的一端與第二電感的一端連接后與直流電網(wǎng)的第一母線相連接，第一 電感的另一端與第二橋臂的中點連接，第二電感的另一端與第一橋臂的中點連接；所述第一橋臂包括第一功率開關管、第一功率二極管，第二橋臂包括第二功率開關 管、第二功率二極管；其中第一功率開關管的集電極與第一功率二極管的陽極連接，第二功率開關管的發(fā) 射極與第二功率二極管的陰極連接；第二功率開關管的集電極分別與第一功率二極管的 陰極、穩(wěn)壓電容的一端連接；第二功率二極管的陽極分別與第一功率開關管的發(fā)射極、 穩(wěn)壓電容的另一端、直流電網(wǎng)的第二母線相連接。
2.—種雙開關直流有源電力濾波器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟步驟A，檢測非線性負載的電流信號、直流有源電力濾波器的補償電流信號，直流 有源電力濾波器的直流母線電壓信號；步驟B，將所述非線性負載的電流信號經(jīng)過低通濾波器，獲得其直流分量； 步驟C，計算非線性負載的電流信號與步驟B得到的直流分量的差值，得到非線性負 載電流信號的紋波分量；步驟D，計算直流有源電力濾波器直流母線電壓參考信號與直流有源電力濾波器直 流母線電壓信號的差值；步驟E，將步驟D獲得的電壓差值用PI控制器進行調節(jié)，然后加入步驟C獲得的非 線性負載電流信號的紋波分量，得到直流有源電力濾波器的補償電流基準值；步驟F，計算步驟E獲得的補償電流基準值與步驟A所述的補償電流信號的差值； 步驟G，將步驟F所得到的差值輸入電流滯環(huán)比較器獲得第一邏輯信號； 步驟H，將步驟E獲得的補償電流基準值輸入過零比較器獲得第二邏輯信號； 步驟I，將步驟G、步驟H獲得的兩個邏輯信號分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中經(jīng) 過邏輯與門得到第一PWM控制信號；將步驟G、步驟H獲得的兩個邏輯信號分別輸入邏輯電路，在邏輯電路中先經(jīng)過邏 輯非門后，再接入邏輯與門得到第二 PWM控制信號；步驟J，分別將步驟I得到的第一、第二 PWM控制信號輸入驅動電路得到第一、第 二功率開關管的驅動信號，控制直流有源電力濾波器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙開關直流有源濾波器及其控制方法。該有源直流濾波器的主電路拓撲基于雙開關DC/AC變換器，包括相互串聯(lián)的第一電感、第二電感，相互并聯(lián)的第一橋臂、第二橋臂、穩(wěn)壓電容；其控制方法為負載電流采樣值經(jīng)過低通濾波器提取直流分量，再利用減法器獲得補償電流基準，最后通過電流控制器、邏輯電路以及驅動電路，從而控制補償電流跟蹤其基準。本發(fā)明將非線性負載帶來的諧波問題由直流有源電力濾波器補償，保證直流電網(wǎng)電流輸出為恒定直流。
文檔編號H02J1/02GK102025146SQ20101056141
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月27日 優(yōu)先權日2010年11月27日
發(fā)明者石磊, 陳仲, 陳淼 申請人:南京航空航天大學