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CN113904350A - 一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法 - Google Patents

一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法 Download PDF

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CN113904350A
CN113904350A CN202111216022.8A CN202111216022A CN113904350A CN 113904350 A CN113904350 A CN 113904350A CN 202111216022 A CN202111216022 A CN 202111216022A CN 113904350 A CN113904350 A CN 113904350A
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Abstract

本发明的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，涉及不对称电网电压条件下有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，目的是为了克服在正常性的电网电压不平衡条件下，采用现有的滞环电流控制方法，存在开关损耗大和平均开关频率高，无法保证电网电流质量的问题，本发明方法具体步骤如下：步骤一、计算得到有源电力滤波器中所有开关组合状态下的所有接口电感器两端的电压；步骤二、根据a相、b相和c相的开关状态，划分多个扇区；步骤三、检测扇区的有效性，并判断开关切换操作所存在的扇区是否有效，如果开关切换操作所存在的扇区有效，则将开关切换操作保持在扇区内；否则，将开关切换操作向其他扇区转移，直至转移到最接近的有效的扇区。

Description

一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法
技术领域
本发明涉及不对称电网电压条件下有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法。
背景技术
目前，针对有源电力滤波器的控制策略都是基于理想电网电压的情况下，此时三相电网电压的幅值相同、相位相差120。然而在实际电力系统中存在着大量的单相负载，会导致三相电网电压的幅值和相位不相同，即三相电网电压不平衡。
一般而言，产生三相电网电压不平衡的原因主要分为两种：事故性和正常性。其中事故性是指由系统故障引起的，包括一相、两相断线、单相接地等。而对于此类故障，电网一般会设有保护功能，当事故发生后电网会切除故障源，保证系统正常运行。而正常性的电网电压不平衡现象主要由三相负荷不平衡和输电线路参数不平衡等原因造成。
而在正常性的电网电压不平衡条件下，采用现有的滞环电流控制方法，存在开关损耗大和平均开关频率高的问题，同时无法保证电网电流质量。
发明内容
本发明的目的是为了克服在正常性的电网电压不平衡条件下，采用现有的滞环电流控制方法，存在开关损耗大和平均开关频率高，无法保证电网电流质量的问题，提供了一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法。
本发明的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，方法具体步骤如下：
步骤一、计算得到有源电力滤波器中所有开关组合状态下的所有接口电感器两端的电压vLa、vLb、vLc和vLn；
其中，vLa、vLb、vLc和vLn分别为a相、b相、c相和中性线的接口电感器两端的电压；
步骤二、根据a相、b相和c相的开关状态，划分多个扇区；
步骤三、检测所有扇区的有效性，并判断开关切换操作所存在的扇区是否有效，
如果开关切换操作所存在的扇区有效，则将开关切换操作保持在扇区内；
否则，将开关切换操作向其他扇区转移，直至转移到最接近的有效的扇区，从而对滞环电流进行动态控制；
扇区有效需满足的条件为：该扇区内vLa、vLb、vLc和vLn的最大值均为正，最小值均为负。
进一步地，步骤二中的扇区分别为S1、S2、S3、S4、S5和S6，其中各扇区满足如下条件：
S1：a相下桥臂开关管an保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和c相桥臂；
S2：a相上桥臂开关管ap保持导通，且被控桥臂为b相桥臂和c相桥臂；
S3：b相下桥臂开关管bn保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和b相桥臂；
S4：b相上桥臂开关管bp保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和c相桥臂；
S5：c相下桥臂开关管cn保持导通，且被控桥臂为b相桥臂和c相桥臂；
S6：c相上桥臂开关管cp保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和b相桥臂。
进一步地，步骤三中各扇区内vLa、vLb、vLc和vLn的最大值和最小值如下：
S1：vLa的最大值为
Figure BDA0003310673500000021
最小值为
Figure BDA0003310673500000022
vLb的最大值为
Figure BDA0003310673500000023
最小值为
Figure BDA0003310673500000024
vLc的最大值为
Figure BDA0003310673500000025
最小值为
Figure BDA0003310673500000026
S2：vLa的最大值为
Figure BDA0003310673500000027
最小值为
Figure BDA0003310673500000028
vLb的最大值为
Figure BDA0003310673500000029
最小值为
Figure BDA00033106735000000210
vLc的最大值为
Figure BDA00033106735000000211
最小值为
Figure BDA00033106735000000212
S3：vLa的最大值为
Figure BDA00033106735000000213
最小值为
Figure BDA00033106735000000214
vLb的最大值为
Figure BDA00033106735000000215
最小值为
Figure BDA00033106735000000216
vLc的最大值为
Figure BDA00033106735000000217
最小值为
Figure BDA00033106735000000218
S4：vLa的最大值为
Figure BDA00033106735000000219
最小值为
Figure BDA00033106735000000220
vLb的最大值为
Figure BDA00033106735000000221
最小值为
Figure BDA00033106735000000222
vLc的最大值为
Figure BDA00033106735000000223
最小值为
Figure BDA00033106735000000224
S5：vLa的最大值为
Figure BDA00033106735000000225
最小值为
Figure BDA00033106735000000226
vLb的最大值为
Figure BDA00033106735000000227
最小值为
Figure BDA00033106735000000228
vLc的最大值为
Figure BDA00033106735000000229
最小值为
Figure BDA0003310673500000031
S6：vLa的最大值为
Figure BDA0003310673500000032
最小值为
Figure BDA0003310673500000033
vLb的最大值为
Figure BDA0003310673500000034
最小值为
Figure BDA0003310673500000035
vLc的最大值为
Figure BDA0003310673500000036
最小值为
Figure BDA0003310673500000037
其中，vsa、vsb和vsc分别为有源电力滤波器的等效电路中a相、b相和c相的电压，vsum＝(vsa+vsb+vsc)/4；E为有源电力滤波器中直流电容器电压。
进一步地，步骤三中，将开关切换操作向其他扇区转移的顺序依次为：S1、S2、S3、S4、S5、S6、S1。
进一步地，直流电源器电压E的取值范围为：
Figure BDA0003310673500000038
并且，
Figure BDA0003310673500000039
本发明的有益效果是：
本发明的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，在正常性的电网电压不平衡条件下，提高了有源电力滤波器的性能和电源开关的寿命，优化控制技术降低开关频率。相比现有的滞环电流控制方法，在同样大小的滞环宽度下，该控制方案能够降低开关频率的50％以上，，解决了在不对称电网电压下的滞环控制开关损耗大和平均开关频率高的问题，同时也保证了电网电流的质量。
附图说明
图1为有源电力滤波器应用状态下电路拓扑结构示意图；
图2为图1中有源电力滤波器在开关组合状态为(a,b,c,n)＝(1,0,0,0)下等效电路拓扑结构示意图；
图3为动态扇区检测的状态图；
图4为在不对称电网电压情况下实施现有滞环电流控制方法情况下的六个开关管信号波形图；
图5为在不对称电网电压情况下实施本发明的动态滞环电流控制方法情况下六个开关管信号波形图；
图6为负载电流THD(total harmonic distortion，总谐波失真)分析波形图。
具体实施方式
具体实施方式一，本实施方式的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，目的在于解决电网电压不平衡的情况下有源电力滤波器控制策略，设计一种降低有源电力滤波器开关损耗的电流滞环调制方法。以最小化跟踪参考电流的开关频率。所提出的控制方案是一种在不降低补偿源电流质量的前提下，在平衡和不平衡电压下补偿非线性负载的通用方案，并且开关触发信号生成电路结构简单，既可以用模拟电路实现，也可以用数字电路实现。
具体步骤如下：
将如图1所示的有源电力滤波器转等效电路拓扑图，其中图2为开关组合在(a,b,c,n)＝(1,0,0,0)的等效电路，根据这个等效电路，电感两端电压可以写成：
Figure BDA0003310673500000041
从公式(1)可以算出：
Figure BDA0003310673500000042
并且，由于三相电网电压不平衡，因此三相电压和将不再为0，在这里设(vsa+vsb+vsc)/4＝vsum，因此公式(2)可以重写为
Figure BDA0003310673500000043
因此，四相(a、b、c、n)电感两端电压可计算如下：
Figure BDA0003310673500000044
同理，基于所有开关组合状态下的等效电路拓扑图(未示出)，可以计算出所有开关组合状态下的电感两端的电压，如表1所示。
表1
Figure BDA0003310673500000051
需要在表1中找出一个可固定的桥臂，并动态执行滞后电流控制，以跟踪参考电流。由于滞环电流控制用于通过选择开关状态将接口电感上的电压带到所需的极性，从而将实际电流保持在基准周围的预定滞环范围内。
因此，如果想通过固定一只桥臂来执行滞环电流控制，就应该有一个开关状态，使得在接口电感器上同时存在正负极性，以通过接口电感器的正负极性确保使用滞环控制能够正确跟踪参考电流。
从表1可以看出，当n＝0时，vLn在一段时间内大部分为负值，因为vsum与E/4相比非常小。类似地，当n＝1时，vLn在一段时间内大部分为正。即通过固定中性线桥臂，无法在接口电感上实现两个极性，所以不可能固定中性线桥臂开关。
因此，通过固定a相、b相、c相三相的开关来定义扇区，见表2：
表2
sector 不被控开关 被控桥臂
S1 a＝0(a<sub>n</sub>保持导通) a,c
S2 a＝1(a<sub>p</sub>保持导通) b,c
S3 b＝0(b<sub>n</sub>保持导通) a,b
S4 b＝1(b<sub>p</sub>保持导通) a,c
S5 c＝0(c<sub>n</sub>保持导通) b,c
S6 c＝1(c<sub>p</sub>保持导通) a,b
结合表1和表2可以看出，对于S1扇区，分别在给定的电源电压vsa、vsb和vsc下，给定的通过a相、b相和c相三相的接口电感器两端电压最大值分别为-E/4+vsum-vsa、3E/4+vsum-vsb和3E/4+vsum-vsc，最小值分别为-E/2+vsum-vsa、-E/2+vsum-vsb和-E/2+vsum-vsc。
对于扇区，如果三相的接口电感器的电压最大值为正，三相接口电感器的电压最小值为负，然后将有开关状态用于滞环电流控制，以跟踪参考电流。因此，在任何给定时刻，扇区是有效扇区的条件应为扇区内三相的电压最大值为正，同时最小值为负；例如S1中：
Figure BDA0003310673500000061
根据表2和公式(4)，当an保持导通时，由于vLa，vLb，vLc和vLn之间的最大和最小电压分别为正和负，所以vLa，vLb，vLc和vLn之间同时存在正负极性，即使一个桥臂是固定的，这确保了所有开关的完全滞后控制。类似地，从表3中，通过比较每个接口电感器的最大和最小可用电压分别为正和负，来制定其他扇区有效的类似条件。
表3
Figure BDA0003310673500000071
从公式(4)可以看出，扇区有效的间隔仅取决于三相电源电压。由于供电电压是不平衡和扭曲的，扇区将不是固定的，而是动态的。因此，根据电源电压，扇区有效性条件将在每一时刻被计算出来，并且开关操作将只在相应扇区条件有效的扇区中执行，这称为动态扇区检测。如图3所示，为动态扇区检测的状态图。如果开关切换操作存在于这些扇区中的任何一个，并且对应扇区的扇区条件有效(逻辑1)，则开关切换操作将保持在该扇区中。但如果相应扇区的扇区条件无效(逻辑0)，则开关切换操作将根据其条件有效性(逻辑1或0)切换到下一扇区，并最终转到最近的有效扇区。
例如，如果开关切换操作在一个扇区内，并且相应的扇区有效(逻辑1)，则切换操作将保持在扇区S中；否则，如果相应的扇区无效(逻辑0)，则开关切换操作将转移到下一个有效扇区。这些扇区在每一时刻被检测到，并根据它们的状况动态更新。
并且，在动态扇区检测方法中，在任何给定时间内，开关切换操作不能出现在多个扇区中。
因此，由于一个特定的开关在相应扇区有效的间隔期间是固定的，又降低了该特定开关的平均开关频率。同样，对于所有的开关，所提出的动态滞环电流控制方法通过动态地固定与其扇区对应的桥臂，并且只对未固定的桥臂进行滞环控制，从而降低了开关频率。通过引入参考电流极性，可以进一步降低开关频率。
本实施例的方法中，选择图1和图2中的直流电容器电压E将取决于电源电压。从表3可以看出所有桥臂的电感两端电压最大值和最小值分别为
Figure BDA0003310673500000081
和
Figure BDA0003310673500000082
其中j＝a、b和c。所有相的电感两端电压的最大值和最小值在任何给定时刻分别必须为正和负；因此，在任何给定的时间，应该有：
Figure BDA0003310673500000083
Figure BDA0003310673500000084
通过公式(5)和(6)，可计算得出直流电容器电压E的下限取值范围为：
Figure BDA0003310673500000085
同理，根据表3，所有桥臂中最大可用电压的最小值为-E/4+vsum-vsj最小可用电压的最高值为E/4+vsum-vsj。因此，为保证六个扇区中至少有一个是有效的，在任何特定时间，所有相之间的最大电压的最小值和最小电压的最高值必须分别是正的和负的，因此，在任何特定的时刻，应满足：
Figure BDA0003310673500000086
Figure BDA0003310673500000087
通过公式(8)和(9)，可计算得出直流电容器电压E的上限取值范围
E＜4(min(|vsj-vsum|))＞0 for j＝a,b,c (10)
综上，本发明提出一种不对称电网电压条件下有源电力滤波器控制方法，解决了在不对称电网电压下的滞环控制开关损耗大和平均开关频率高的问题，同时保证补偿电流质量。开关触发信号生成电路结构简单，既可以用模拟电路实现，也可以用数字电路实现。
图4和图5分别为在不对称电网电压情况下实施现有滞环电流控制方法和本发明的动态滞环电流控制方法情况下六个开关管信号波形图，表4为一个周期内两种控制方法开关频率仿真结果对比分析，从表4中和图4可以看出，本发明的动态滞环电流控制方法可以实现降低有源电力滤波器的开关损耗与平均开关频率，同时保证了电网电流质量，具有很好的补偿效果。如图6所示，电网电流总谐波畸变率仅为1.82％，远低于IEEE规定5％的标准。
表4
Figure BDA0003310673500000091

Claims (5)

1.一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下：
步骤一、计算得到有源电力滤波器中所有开关组合状态下的所有接口电感器两端的电压vLa、vLb、vLc和vLn；
其中，vLa、vLb、vLc和vLn分别为a相、b相、c相和中性线的接口电感器两端的电压；
步骤二、根据a相、b相和c相的开关状态，划分多个扇区；
步骤三、检测所有扇区的有效性，并判断开关切换操作所存在的扇区是否有效，
如果开关切换操作所存在的扇区有效，则将开关切换操作保持在所述扇区内；
否则，将开关切换操作向其他扇区转移，直至转移到最接近的有效的扇区，从而对滞环电流进行动态控制；
所述扇区有效需满足的条件为：该扇区内vLa、vLb、vLc和vLn的最大值均为正，最小值均为负。
2.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，其特征在于，步骤二中的扇区分别为S1、S2、S3、S4、S5和S6，其中各扇区满足如下条件：
S1：a相下桥臂开关管an保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和c相桥臂；
S2：a相上桥臂开关管ap保持导通，且被控桥臂为b相桥臂和c相桥臂；
S3：b相下桥臂开关管bn保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和b相桥臂；
S4：b相上桥臂开关管bp保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和c相桥臂；
S5：c相下桥臂开关管cn保持导通，且被控桥臂为b相桥臂和c相桥臂；
S6：c相上桥臂开关管cp保持导通，且被控桥臂为a相桥臂和b相桥臂。
3.根据权利要求1或2所述的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，其特征在于，步骤三中各扇区内vLa、vLb、vLc和vLn的最大值和最小值如下：
S1：vLa的最大值为
Figure FDA0003310673490000011
最小值为
Figure FDA0003310673490000012
vLb的最大值为
Figure FDA0003310673490000013
最小值为
Figure FDA0003310673490000014
vLc的最大值为
Figure FDA0003310673490000015
最小值为
Figure FDA0003310673490000016
S2：vLa的最大值为
Figure FDA0003310673490000017
最小值为
Figure FDA0003310673490000018
vLb的最大值为
Figure FDA0003310673490000019
最小值为
Figure FDA00033106734900000110
vLc的最大值为
Figure FDA00033106734900000111
最小值为
Figure FDA00033106734900000112
S3：vLa的最大值为
Figure FDA0003310673490000021
最小值为
Figure FDA0003310673490000022
vLb的最大值为
Figure FDA0003310673490000023
最小值为
Figure FDA0003310673490000024
vLc的最大值为
Figure FDA0003310673490000025
最小值为
Figure FDA0003310673490000026
S4：vLa的最大值为
Figure FDA0003310673490000027
最小值为
Figure FDA0003310673490000028
vLb的最大值为
Figure FDA0003310673490000029
最小值为
Figure FDA00033106734900000210
vLc的最大值为
Figure FDA00033106734900000211
最小值为
Figure FDA00033106734900000212
S5：vLa的最大值为
Figure FDA00033106734900000213
最小值为
Figure FDA00033106734900000214
vLb的最大值为
Figure FDA00033106734900000215
最小值为
Figure FDA00033106734900000216
vLc的最大值为
Figure FDA00033106734900000217
最小值为
Figure FDA00033106734900000218
S6：vLa的最大值为
Figure FDA00033106734900000219
最小值为
Figure FDA00033106734900000220
vLb的最大值为
Figure FDA00033106734900000221
最小值为
Figure FDA00033106734900000222
vLc的最大值为
Figure FDA00033106734900000223
最小值为
Figure FDA00033106734900000224
其中，vsa、vsb和vsc分别为有源电力滤波器的等效电路中a相、b相和c相的电网电压，vsum＝(vsa+vsb+vsc)/4；E为有源电力滤波器中直流电容器电压。
4.根据权利要求3所述的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，其特征在于，步骤三中，将开关切换操作向其他扇区转移的顺序依次为：S1、S2、S3、S4、S5、S6、S1。
5.根据权利要求3所述的一种有源电力滤波器的动态滞环电流控制方法，其特征在于，直流电容器电压E的取值范围为：
Figure FDA00033106734900000225
并且，
Figure FDA00033106734900000226
4(min(|vsj-vsum|))＞0，j＝a,b,c。
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