基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有源濾波系統(tǒng)，有源濾波系統(tǒng)由連接電抗器和三電平三橋臂逆變器串聯(lián)組成，有源濾波系統(tǒng)并聯(lián)接入公共電網(wǎng)；空間矢量脈寬調(diào)制器分別與電流控制器Ⅰ和電流控制器Ⅱ相連接，電流控制器Ⅰ分別與電壓控制器、諧波檢測器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器相連接，電流控制器Ⅱ分別與諧波檢測器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器相連接；磁鏈計算器與并聯(lián)在三相電源與諧波源負載之間的磁鏈定向角器相連。利用虛擬磁鏈來獲取電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，最終實現(xiàn)諧波和無功電流的檢測，采用類似于交流電機磁鏈觀測的方法通過電流和重構(gòu)電壓來觀測這個虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免了電網(wǎng)電壓畸變對電網(wǎng)電壓定向的影響。
【專利說明】
基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及有源電力濾波器，具體設(shè)及一種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力 濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向諧波電流檢測方法，首先通過電壓傳感器和AD采樣電路獲得 和電網(wǎng)電壓同步的離散化數(shù)字信號，在經(jīng)過軟件鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓的相位和頻率，然后 利用上述過程中所獲取的相位和頻率信息進行諧波電流的檢測。由于鎖相環(huán)的存在，其鑒 相的準確度對檢測結(jié)果存在很大的影響，顯然在電網(wǎng)電壓存在崎變的情況下由于鎖相環(huán)自 身的工作原理必然無法獲得準確的相位。而采用虛擬磁鏈定向的諧波電流檢測方法在電網(wǎng) 電壓崎變時受電網(wǎng)條件影響較小。
[0003] 在基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法中，其前提條件是知道電壓合成空 間矢量的相位和頻率信息。雖然通過鎖相環(huán)可W得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正余弦信 號，但運全部是基于電網(wǎng)電壓平衡或理想狀態(tài)下所獲得的結(jié)論，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動較嚴重或 者出現(xiàn)不平衡時，均會使電壓頻率偏離50化并在其左右變化，而鎖相環(huán)正是通過自身的壓 控振蕩器發(fā)出一個和輸入信號同頻的正弦信號來鎖定輸入信號的相位，因此電網(wǎng)電壓頻率 波動會使鎖相環(huán)無法準確地進行相位跟蹤處于失鎖狀態(tài)，從而無法準確地進行諧波和無功 電流的檢測。在虛擬磁鏈定向系統(tǒng)中，通過對磁鏈的觀測實現(xiàn)矢量定向，磁鏈是電網(wǎng)電壓的 積分，根據(jù)對于積分器的分析，積分環(huán)節(jié)帶有低通濾波器的特性，系統(tǒng)中的諧波在經(jīng)過純積 分器后，Κ次諧波電壓的幅值W基波的Κ倍衰減，對于高次諧波有一定的濾除作用，因此虛擬 磁鏈定向角的觀測在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時，對干擾有良好的抑制作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控 制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，避免了電網(wǎng)電壓崎變對電網(wǎng)電壓定向的影響。
[0005] 本實用新型按W下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0006] -種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有源濾波系 統(tǒng)，還包括磁鏈計算器、磁鏈定向角器、電壓控制器、電流控制器I、電流控制器Π 、諧波檢測 器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器及空間矢量脈寬調(diào)制器;所述有源濾波系統(tǒng)由連接電抗器和Ξ電平Ξ 橋臂逆變器串聯(lián)組成，所述有源濾波系統(tǒng)并聯(lián)接入公共電網(wǎng)；所述空間矢量脈寬調(diào)制器分 別與電流控制器I和電流控制器Π 相連接，所述電流控制器I分別與電壓控制器、諧波檢測 器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器相連接，所述電流控制器Π 分別與諧波檢測器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器相連 接;所述磁鏈計算器與并聯(lián)在Ξ相電源與諧波源負載之間的磁鏈定向角器相連。
[0007] 所述Ξ電平Ξ橋臂逆變器包括Ξ個橋臂，每一個橋臂由四個開關(guān)管組成，上下兩 橋臂中點之間反并聯(lián)兩個巧位二極管。
[000引本實用新型有益效果：
[0009] 本實用新型中的Ξ電平Ξ橋臂逆變器中的每個橋臂可輸出3種開關(guān)狀態(tài)，因此，3 橋臂共可得到27個基本電壓空間矢量，其中又可分為長矢量，中矢量，短矢量和零矢量，合 理選擇運四種矢量組合，可W使變流器輸出期望的反諧波電流，達到濾除電網(wǎng)諧波的目的； 利用虛擬磁鏈來獲取電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，最終實現(xiàn)諧波和無功電流的檢測，采用 類似于交流電機磁鏈觀測的方法通過電流和重構(gòu)電壓來觀測運個虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免 了電網(wǎng)電壓崎變對電網(wǎng)電壓定向的影響。
【附圖說明】
[0010] 圖1為按照本實用新型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例電路原理圖；
[0011] 圖2為Ξ相電壓型有源電力濾波器主電路；
[0012] 圖3為Ξ相變頻器供電的感應(yīng)電機主電路；
[0013] 圖中：1-Ξ相電源，2-諧波源負載，3-連接電抗器，4-Ξ電平Ξ橋臂逆變器， 5-磁鏈計算器，6-磁鏈定向角器，7-電壓控制器，8-電流控制器I，9-電流控制器Π ， 10-諧波檢測器，11-旋轉(zhuǎn)坐標變換器，12-空間矢量脈寬調(diào)制器，41-開關(guān)管，42-巧位 二極管。
【具體實施方式】
[0014] W下結(jié)合附圖，通過具體實施例對本實用新型作進一步的說明。
[001引實施例一；
[0016] 如圖1所示，一種基于虛擬磁鏈的Ξ電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有 源濾波系統(tǒng)，還包括磁鏈計算器5、磁鏈定向角器6、電壓控制器7、電流控制器18、電流控制 器Π 9、諧波檢測器10、旋轉(zhuǎn)坐標變換器11，空間矢量脈寬調(diào)制器12;有源濾波系統(tǒng)由連接電 抗器3和Ξ電平Ξ橋臂逆變器4串聯(lián)組成，有源濾波系統(tǒng)并聯(lián)接入公共電網(wǎng)；空間矢量脈寬 調(diào)制器12分別與電流控制器18和電流控制器Π 9相連接，電流控制器18分別與電壓控制器 7、諧波檢測器10、旋轉(zhuǎn)坐標變換器11相連接，電流控制器Π 9分別與諧波檢測器10、旋轉(zhuǎn)坐 標變換器11相連接;磁鏈計算器5與并聯(lián)在Ξ相電源1與諧波源負載2之間的磁鏈定向角器6 相連。Ξ電平Ξ橋臂逆變器4包括Ξ個橋臂，每一個橋臂由四個開關(guān)管41組成，上下兩橋臂 中點之間反并聯(lián)兩個巧位二極管42。每個橋臂可輸出巧中開關(guān)狀態(tài)，因此，3橋臂共可得到27 個基本電壓空間矢量，其中又可分為長矢量，中矢量，短矢量和零矢量，合理選擇運四種矢 量組合，可W使變流器輸出期望的反諧波電流，達到濾除電網(wǎng)諧波的目的；利用虛擬磁鏈來 獲取電網(wǎng)電壓的相位和頻率信息，最終實現(xiàn)諧波和無功電流的檢測，采用類似于交流電機 磁鏈觀測的方法通過電流和重構(gòu)電壓來觀測運個虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免了電網(wǎng)電壓崎變 對電網(wǎng)電壓定向的影響。
[0017] 工作原理；
[0018] 傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向諧波電流檢測方法，首先通過電壓傳感器和AD采樣電路獲得 和電網(wǎng)電壓同步的離散化數(shù)字信號，在經(jīng)過軟件鎖相環(huán)得到電網(wǎng)電壓的相位和頻率，然后 利用上述過程中所獲取的相位和頻率信息進行諧波電流的檢測。由于鎖相環(huán)的存在，其鑒 相的準確度對檢測結(jié)果存在很大的影響，顯然在電網(wǎng)電壓存在崎變的情況下由于鎖相環(huán)自 身的工作原理必然無法獲得準確的相位。而采用虛擬磁鏈定向的諧波電流檢測方法在電網(wǎng) 電壓崎變時受電網(wǎng)條件影響較小。
[0019] 在基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法中，其前提條件是知道電壓合成空 間矢量的相位和頻率信息。雖然通過鎖相環(huán)可W得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正余弦信 號，但運全部是基于電網(wǎng)電壓平衡或理想狀態(tài)下所獲得的結(jié)論，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動較嚴重或 者出現(xiàn)不平衡時，均會使電壓頻率偏離50化并在其左右變化，而鎖相環(huán)正是通過自身的壓 控振蕩器發(fā)出一個和輸入信號同頻的正弦信號來鎖定輸入信號的相位，因此電網(wǎng)電壓頻率 波動會使鎖相環(huán)無法準確地進行相位跟蹤處于失鎖狀態(tài)，從而無法準確地進行諧波和無功 電流的檢測。在虛擬磁鏈定向系統(tǒng)中，通過對磁鏈的觀測實現(xiàn)矢量定向，磁鏈是電網(wǎng)電壓的 積分，根據(jù)對于積分器的分析，積分環(huán)節(jié)帶有低通濾波器的特性，系統(tǒng)中的諧波在經(jīng)過純積 分器后，K次諧波電壓的幅值W基波的K倍衰減，對于高次諧波有一定的濾除作用，因此虛擬 磁鏈定向角的觀測在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時，對干擾有良好的抑制作用。
[0020] 有源濾波系統(tǒng)中的虛擬電網(wǎng)磁鏈概念是從電機中的磁鏈控制得到的。圖2是Ξ相 電壓型有源電力濾波器的主電路，其中L、R分別是公共電網(wǎng)等效系統(tǒng)阻抗，Usa、Usb、Usc分別 是Ξ相電網(wǎng)電壓。圖3是一臺由Ξ相變頻器供電的感應(yīng)電機，其中L、R分別是定子繞組的漏 感與電阻，ea、eb、ec分別是電機Ξ相定子繞組的感應(yīng)電勢。比較兩圖不難發(fā)現(xiàn)二者在主電路 拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理上具有很大的相似性，Ξ相電壓型有源電力濾波器中的電網(wǎng)電壓可W 等效為感應(yīng)電機的氣隙磁場在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，進線電抗器的阻抗等效于電 機定子繞組的漏阻抗。在感應(yīng)電機的矢量控制中，為了將電流中的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進 行獨立控制簡化控制模型，通常采用磁鏈作為定向矢量進行控制；而磁鏈無法直接通過測 量獲得，一般是利用電流和重構(gòu)電壓等信號通過電壓或電流磁鏈觀測器的方法獲得磁鏈矢 量。通過對感應(yīng)矢量控制的分析，可W將感應(yīng)電機矢量控制中磁鏈觀測的思想用在Ξ相電 壓型有源電力濾波器中，可W將電網(wǎng)電壓看成是一個虛擬的磁鏈微分量，電網(wǎng)電壓和虛擬 出來的磁鏈相位上存在固定的數(shù)量關(guān)系，從而可W利用虛擬磁鏈來獲取電網(wǎng)電壓的相位和 頻率信息，最終實現(xiàn)諧波和無功電流的檢測。采用類似于交流電機磁鏈觀測的方法通過電 流和重構(gòu)電壓來觀測運個虛擬電網(wǎng)磁鏈，從而避免了電網(wǎng)電壓崎變對電網(wǎng)電壓定向的影 響。
[0021] 基于Ξ相電壓型有源濾波器與Ξ相交流變頻調(diào)速電機定子電路的相似性，有源電 力濾波器同樣可W構(gòu)造一個虛擬電網(wǎng)磁鏈，用虛擬磁鏈定向來獲得電網(wǎng)電壓相位和頻率的 信息。在虛擬磁鏈定向有源濾波系統(tǒng)中，通過觀測電網(wǎng)虛擬磁鏈可W獲得磁鏈定向角，磁鏈 角滯后電壓矢量角90°，運樣不需要鎖相環(huán)可W獲得與電網(wǎng)電壓同相位的正弦余弦信號，從 而實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓相角的準確觀測。
[0022] 觀測出電網(wǎng)虛擬磁鏈矢量Φ的空間位置角Θ是實現(xiàn)無鎖相環(huán)控制的核屯、。
[0023]
(站
[0024] 根據(jù)式(a),對Θ的觀測就轉(zhuǎn)化為對虛擬磁鏈在αβ坐標系中α、β分量的估算。根據(jù)磁 鏈與電壓的關(guān)系擇成可W計算出郵坐標系中電網(wǎng)側(cè)的磁鏈為
[0025]
肋：
[0026] 其中ea，ee為Ξ相電網(wǎng)電壓的α、β分量，如，化分別為虛擬電網(wǎng)磁鏈的α、β分量。
[0027] 由式(b)，虛擬磁鏈α、β分量可W通過分別對有源電力濾波器交流側(cè)電壓α、β分量 的積分獲得。然而由于積分初值的問題，在計算虛擬磁鏈時采用純積分環(huán)節(jié)作為磁鏈觀測 器時容易引入初值偏差，最終使得虛擬磁鏈定向產(chǎn)生偏差。另外一方面，單一的積分器無法 抑制輸入信號中直流分量，即使很小的直流分量也會導(dǎo)致積分器的飽和。因此，虛擬磁鏈算 法的關(guān)鍵問題所在就是解決積分初值和直流分量問題帶來的偏差影響，W達到準確觀測磁 鏈的目的。
【主權(quán)項】
1. 一種基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括有源濾波系統(tǒng)， 其特征在于:還包括磁鏈計算器、磁鏈定向角器、電壓控制器、電流控制器I、電流控制器Π 、 諧波檢測器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器及空間矢量脈寬調(diào)制器； 所述有源濾波系統(tǒng)由連接電抗器和三電平三橋臂逆變器串聯(lián)組成，所述有源濾波系統(tǒng) 并聯(lián)接入公共電網(wǎng)； 所述空間矢量脈寬調(diào)制器分別與電流控制器I和電流控制器π相連接，所述電流控制 器I分別與電壓控制器、諧波檢測器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器相連接，所述電流控制器Π 分別與諧 波檢測器、旋轉(zhuǎn)坐標變換器相連接； 所述磁鏈計算器與并聯(lián)在三相電源與諧波源負載之間的磁鏈定向角器相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于虛擬磁鏈的三電平有源電力濾波器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其 特征在于:所述三電平三橋臂逆變器包括三個橋臂，每一個橋臂由四個開關(guān)管組成，上下兩 橋臂中點之間反并聯(lián)兩個箝位二極管。
【文檔編號】H02J3/01GK205429733SQ201620284840
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月6日
【發(fā)明人】王峰, 張旭隆, 邵曉根, 曹言敬, 于蕾
【申請人】徐州工程學(xué)院