使用模拟级联控制器的单相有源电力滤波器制造技术

本发明专利技术提出一种使用模拟级联控制器的单相有源电力滤波器，其包括控制电路和与其连接的主电路，控制电路包括第一比例积分控制器、乘法器、减法器、前馈控制器、第二比例积分控制器、加法器。其原理是：由这些模拟器件构成电压环在外电流环在内的两个控制环，通过电压环调节母线直流电压，以及为并联型滤波器产生参考电源电流，并通过电流环减少干扰效应，跟踪参考滤波器电流，最后产生指令信号给主电路来产生补偿电流。利用本发明专利技术，可以使用低成本的模拟设备而不需要微处理器就能实现可以很好地抑制谐波和校正功率因素的有源电力滤波器，从而大大降低了有源电力滤波器的生产成本，并且没有计算负载电流的基波和谐波所需要的大的数学负担。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及有源滤波技术，特别涉及一种使用模拟级联控制器的单相有源电力滤波器。
技术介绍
今天，对电能的使用已从简单的线性负载扩大到具有非线性、冲击性和不平衡性等用电特性的电子电力设备，例如固态马达驱动(solid-state motordrive)、个人计算机和节能镇流器。在这些具有畸变的输入电流的特性的设备中，往往使用整流器。此外，典型的开关电源采用二极管整流器来进行交直流转换。这些二极管从供电系统取用短脉冲的输入电流，而不是光滑的正弦波的输入电流。然后，为了用短脉冲传递相同量的功率，电流峰值会非常高。这就会给配线、电路断路器甚至公用事业公司提供的配电装置施加压力。同时，由于这些设备从供电系统取用的电流是非正弦的，这些类型的设备接口会产生谐波，从而输入功率因素(PF)低劣和总谐波畸变(total harmonicdistortion，即THD)高企，即，会对供电质量造成污染，导致电力系统产生问题。为了使功率处理能力最大化，可以增加功率因素校正(PFC)电路和有源功率滤波器，以改善输入电流的波形。理想情况下，输入电流应当是正弦的，并且与电源电压同相。没有PFC电路时，典型的开关电源具有大约0.6的功率因素并具有相当多的奇次谐波畸变。另外，欧共体还有限制输入谐波内容和产品的国际标准IEC61000-3-2，该标准建立了对输入电流的谐波的限制。为了符合这些标准例如IEC61000-3-2和IEEE 519，开关电源的设计需要这些特征，例如，降低输入电流谐波以符合谐波限值，得到高的输入功率从而最小化无功功率。为了一般目的的用途，优选的还是使用有源电力滤波器，因为它们可以安装在备种应用中。然而，只能买到三相商用有源电力滤波器产品，并且它们非常昂贵，因此安装数量不多。
技术实现思路
鉴于以上原因，本专利技术的目的是提供一种成本非常低、解决电能质量问题非常好的单相并联有源电力滤波器(single phase shunt active power filter，简称SPSAPF)。本专利技术的技术方案是这样实现的一种单相并联有源滤波器，并联在电力系统与非线性负载之间，包括控制电路和与其连接的主电路，其特征在于，所述控制电路包括第一比例积分控制器，其一个输入端接收参考电压，另一个输入端接收从所述主电路输出的已调直流母线电压，用于将所述参考电压减去所述已调直流母线电压之后进行第一比例积分；乘法器，其一个输入端接收所述第一比例积分控制器的输出，另一个输入端接收缩小的电源电压；减法器，其一个输入端接收所述乘法器的输出，另一个输入端接收负载电流，用于将所述乘法器的输出减去所述负载电流而得到参考电流；前馈控制器，其接收所述电源电压与所述已调直流母线电压，用于将所述电源电压与已调直流母线电压的和除以一个电压量；第二比例积分控制器，其一个输入端接收所述参考电流，另一个输入端接收从所述主电路输出的滤波器电流，用于将所述参考电流减去所述滤波器电流之后进行第二比例积分；加法器，其一个输入端接收所述前馈控制器的输出，另一个输入端接收所述第二比例积分控制器的输出，得到控制信号，并输出到所述主电路。本专利技术的原理是由这些模拟器件构成电压环在外电流环在内的两个控制环，通过电压环调节直流母线电压，以及为并联型滤波器产生参考电源电流，跟踪参考滤波器电流，最后产生指令信号给主电路来产生补偿电流。其中，第一比例积分控制器的积分增益KI1由公式15确定，比例增益KxP1由公式16确定，其中，fv为电源频率，n为正数，电压环的带宽是电源频率fv的1/n倍。其中，第二比例积分控制器的积分增益KI2由公式7确定，比例增益KP2由公式8确定，其中，fs为滤波器的开关频率，m为正数，电流环的未衰减的自然角频率ωI设置为滤波器的开关频率的1/m倍。其中，优选的是，前馈控制器除以的电压量为两倍的目标直流母线电压。利用本专利技术，可以使用低成本的模拟设备而不需要微处理器就能实现可以很好地抑制谐波和校正功率因素的有源电力滤波器，从而大大降低了有源电力滤波器的生产成本，并且没有计算负载电流的基波和谐波所需要的大的数学负担，可以安装在各种位置来解决电能质量问题。附图说明图1示出一般的单相并联型有源电力滤波器应用于电力系统的示意图；图2示出本专利技术电流环控制的方框图；图3(a)示出本专利技术电压控制环的方框图；图3(b)示出图3(a)在稳定状态电压环的方框图；图4示出本专利技术的由电流环和电压环两个控制环组成的并联型有源电力滤波器的级联控制方框图；图5(a)和图5(b)示出使用本专利技术参考滤波器电流和滤波器电流之间的传递函数的Bode图；图6(a)和图6(b)示出使用本专利技术参考电压和直流母线电压之间的传递函数的Bode图；图7示出本专利技术并联型有源电力滤波器的一种实例的电路原理图；图8(a)至图8(d)分别示出一般非线性负载时的系统电源电流波形、电源电流频谱、电源电流THD以及功率因素；图9(a)至图9(d)分别示出在加入本专利技术的有源电力滤波器于一般非线性负载时的系统后的电源电流频谱、电源电流THD以及功率因素；图10示出图9(a)至图9(d)所应用的有源电力滤波器的内部信号；图11(a)至图11(d)分别示出低的非线性负载时的系统的电源电流波形、电源电流频谱、电源电流THD以及来自功率因素；图12(a)至图12(d)分别示出在加入本专利技术的有源电力滤波器于低的非线性负载的系统后的电源电流频谱、电源电流THD以及功率因素；图13示出图12(a)至图12(d)所应用的有源电力滤波器的内部信号； 图14(a)至图14(d)分别示出在电源电压减少至80Vrms时的系统中的电源电流波形、电源电流频谱、电源电流THD以及功率因素；图15(a)至图15(d)分别示出在加入本专利技术的有源电力滤波器于电源电压减少至80Vrms时的系统后的电源电流频谱、电源电流THD以及功率因素；图16示出了图15(a)至图15(d)所应用的有源电力滤波器的内部信号。具体实施例方式为了更为有效地解决电源谐波问题，安装多个较小额定值的有源滤波器更好。同时，为了便于低成本模拟控制，在本专利技术中建议使用PFC并联型有源电力滤波器的级联控制。1.概述可以基于并联型有源电力滤波器的状态平均模型(state average model)很容易地设计简单的比例积分控制器。整个设计包括电压环在内电流环之外的两个控制环。只要内部的电流环的速度远远快于外部的电压环，就能够实施级联控制。为获得高的功率因素和低的电流THD，电流环的带宽必须足够快，以产生补偿电流。同时，电流环必须有足够的能力减少电源电压和已调直流母线电压(regulated DC busbar voltage)对感应器电流(即滤波器电流)的影响。为了能够执行级联控制以及提供稳定的参考感应器电流，电压环的带宽不能太快。下文将描述建立本专利技术有源电力滤波器的数学模型，以设计提供指令信号给主电路的控制电路，包括用于电流环和电压环的带宽的设置，为减少干扰影响和改善电流跟踪能力，对PI控制器的设计。最后，还将给出所采用的控制电路的电路实施方案和演示使用本专利技术有源电力滤波器的效果。2.建立本专利技术有源电力滤波器的数学模型图1示出一般的单相并联型有源电力滤波器应用于电力系统时的示意图。由图1可见，该有源本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相并联有源滤波器，并联在电力系统与非线性负载之间，包括控制电路和与其连接的主电路，其特征在于，所述控制电路包括：第一比例积分控制器，其一个输入端接收参考电压，另一个输入端接收从所述主电路输出的已调直流母线电压，用于将所述参考电 压减去所述已调直流母线电压之后进行第一比例积分；乘法器，其一个输入端接收所述第一比例积分控制器的输出，另一个输入端接收缩小的电源电压；减法器，其一个输入端接收所述乘法器的输出，另一个输入端接收负载电流，用于将所述乘法器的输出 减去所述负载电流而得到参考电流；前馈控制器，其接收所述电源电压与所述已调直流母线电压，用于将所述电源电压与已调直流母线电压的和除以一个电压量；第二比例积分控制器，其一个输入端接收所述参考电流，另一个输入端接收从所述主电路输出 的滤波器电流，用于将所述参考电流减去所述滤波器电流之后进行第二比例积分；加法器，其一个输入端接收所述前馈控制器的输出，另一个输入端接收所述第二比例积分控制器的输出，得到控制信号，并输出到所述主电路。

【技术特征摘要】
1.一种单相并联有源滤波器，并联在电力系统与非线性负载之间，包括控制电路和与其连接的主电路，其特征在于，所述控制电路包括第一比例积分控制器，其一个输入端接收参考电压，另一个输入端接收从所述主电路输出的已调直流母线电压，用于将所述参考电压减去所述已调直流母线电压之后进行第一比例积分；乘法器，其一个输入端接收所述第一比例积分控制器的输出，另一个输入端接收缩小的电源电压；减法器，其一个输入端接收所述乘法器的输出，另一个输入端接收负载电流，用于将所述乘法器的输出减去所述负载电流而得到参考电流；前馈控制器，其接收所述电源电压与所述已调直流母线电压，用于将所述电源电压与已调直流母线电压的和除以一个电压量；第二比例积分控制器，其一个输入端接收所述参考电流，另一个输入端接收从所述主电路输出的滤波器电流，用于将所述参考电流减去所述滤波器电流之后进行第二比例积分；加法器，其一个输入端接收所述前馈控制器的输出，另一个输入端接收所述第二比例积分控制器的输出，得到控制信号，并输出到所述主电路。2.如权利要求1所述的单相并联有源滤波器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾启明，陈伟乐，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：HK[中国|香港]