基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF制造技术

本发明专利技术涉及三相四线制有源电力滤波装置，尤其是基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，本发明专利技术解决的技术问题是中线上积累大量无序电流，造成电网的安全隐患，消除误差，抗干扰能力差，响应速度慢等问题，本发明专利技术技术方案主要包括检测电路用于检测直流侧电压和中线电流，单周控制电路控制占空比也是核心部分，驱动单元驱动功率开关，逆变单元连接电网，输出所需补偿的电流回馈给电网，第四桥臂与负载中性点连接，为中线电流提供通路，可补偿三相电流和中线上的零序电流，具有输入输出隔离，动态响应快，加有硬件死区电路，能够防止同一桥臂的两功率管同时导通，装置整体结构简单，移植性强，四桥臂通过电感接入电网，经控制得到目标方程。

【技术实现步骤摘要】
基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF
本专利技术涉及三相四线制有源电力滤波装置，尤其是基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF。
技术介绍
近年来，随着电力电子技术的发展，大量电力电子装置应用于电力系统中，由于其本身的非线性，大多数电力电子设备功率因数低，加之电力系统中还存在的大量的低功率因数，冲击性负载，它们的存在降低了电能的利用率，严重影响了电能质量。因此，有效地抑制系统谐波以及补偿系统的无功功率便成了解决这一问题的关键技术之一，有源电力滤波器便这样应运而生了。目前，随着大功率非线性负荷在三相四线制系统中逐渐增多，中线上积累了大量的零序电流，使得电气设计的合格率严重下降，大量的无功功率和谐波也给电网造成了重大的安全隐患。传统的三相三桥臂主电路拓扑结构的APF通常只能在三相三线制系统中应用，针对平衡负载。然而在实际应用中大多为三相四线制系统，大量的三相四线制、不平衡系统的存在，使其中零线电流也产生较大危害，在这种情况下，传统三相三桥臂APF就无法使用，必须用新型的三相四桥臂APF。同时，传统的控制方方程基于瞬时无功功率理论，利用线性反馈控制来控制开关占空比，以消除误差，系统抗干扰能力差，响应速度慢。综上，现有电子装置中存在电能利用率低，电能质量低的问题，现有三相四线制系统中中线上积累大量无序电流，造成电网的安全隐患，传统装置中消除误差，抗干扰能力和响应速度都比较差，在三相四线制系统中抑制系统谐波及补偿无功率尤为重要。
技术实现思路
针对各种要求，本专利技术设计了基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，该装置结构简单，能实现各要求的功能。本专利技术为解决上述问题采取的技术方案是：基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，包括：检测电路：连接三相交流电源，用于检测直流侧电容电压以及三相和中线电流；单周控制单元：用于控制开关占空比，使在每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，单周控制技术是一种非线性控制技术，无论是稳态还是暂态，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定的值，即能在一个开关周期内有效抵制电网侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，因而实现了快速跟踪，在负载不平衡和负载功率较大的情况下仍能够有效地实现补偿谐波、零序和无功电流；驱动单元：用于驱动功率开关管，采用TLP250驱动，具有输入输出隔离，开关速度快，开关速度快；逆变单元：由逆变器连接于电网，用于输出所需补偿的电流回馈给电网，补偿系统的谐波、零序和无功电流，其中第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，能够补偿三相电流，也能够补偿中线中的零序电流；所述检测电路、单周控制单元、驱动单元和逆变单元依次连接，所述单周控制单元和驱动单元之间加有硬件死区电路，所述单周控制器安装在三相及中线上；进一步地，所述检测电路中包括电流隔离检测电路、直流偏置电路和直流侧电容电压采样电路；进一步地，所述电流隔离检测电路包括稳压芯片7805、集成隔离放大器HCPL7840和第一运算放大器LM358，所述稳压芯片7805的接地端与输入端接有电容，接地端与输出端接有电容，输入端接15伏电源，输出端接在集成隔离放大器HCPL7840的一端口处，所述第一运算放大器LM358的二端口和三端口分别通过电阻连接在HCPL7840的第七端口和第六端口，所述LM358的三端口和一端口间并联有电阻和电容，八端口接5伏电源，四端口接地，所述7840二端口接电容后接地，三端口和四端口接地，八端口接5伏电源并与五端间接有电容，五端口处接地；进一步地，所述直流偏置电路包括稳压源TL431和第二运算放大器LM358，所述TL431正极接电阻接15伏电源，负极接地，所述第二运算放大器LM358的三端口接电容后接地，三端口接电阻后接于TL431，二端口接于一端口，四端口接5伏电源，八端口接地；进一步地，所述直流侧电容电压采样电路包括霍尔传感器CHV-25P，所述霍尔传感器CHV-25P的+Hr接电阻为输入正，-Hr为输入负，M端口接电阻为输出端，电阻两端并联电容和电阻后接地。进一步地，所述单周控制单元包括电压比较器、RS触发器、积分器、PI调节器和时钟电路，所述电压比较器电连接于RS触发器R端口，正极为输入端，负极接于积分器，所述积分器电连接于PI调节器，所述PI调节器电连接于电网中，所述时钟电路为555时钟发生电路，接在RS触发器S端；进一步地，所述积分器包括第三运算放大器LM358和CD4066，所述第三运算放大器LM358正极接电阻R后接Um，负极接电阻后接在CD4066一端，所述CD4066另一端接于电阻R右侧，正极与输出端之间串联有电阻，负极与输出端之间有电阻，所述积分器输出端满足：所述PI调节器包括第四运算放大器LM358，所述第四运算放大器LM358的正极接电阻后接kUc，负极接电阻后接Uref，负极和输出口并联有电阻和电容，正极处连接电容后接地。进一步地，所述驱动模块采用TLP250驱动电路。进一步地，所述积分器为带复位功能的。本专利技术的有益效果是：一、由于将第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，因此能够补偿三相电流，也能够补偿中线中的零序电流、无功电流和谐波；二、由于采用TLP250驱动，因此具有输入输出隔离，开关速度快，动态响应快；三、由于三相及中线各需要一个单周控制器，每个单周控制器输出两路加入死区时间的互补信号通过TLP250驱动对应的上、下桥臂，逆变器输出所需要补偿的电流回馈给电网，因此使得电网电流快速准确地跟踪电网电压变化，能有效地补偿系统谐波、零序和无功电流；四、由于该装置整体结构简单，移植性强，因此该系统应用广泛，可同时适用于平衡、不平衡负载系统和负载功率较大的场合；五、由于系统在三相三桥臂的基础上增加了一个与负载中性点相连的桥臂，四个桥臂分别通过电感接入电网，经过控制所得的控制方程，搭建单周控制电路，因此可获得所要达到的目标方程，确定电路参数。附图说明图1是系统整体框图。图2是线性光耦电网电流隔离检测电路。图3是直流偏置电路。图4是直流侧电容电压采样电路。图5是RS触发器及其时序图。图6是可复位积分器。图7是模拟PI调节器。图8是555时钟发生电路。图9是TLP250驱动电路。图10是单周控制三相四桥臂APF开关周期平均模型。图11是单周控制器单相等效模型及工作过程分析。图12是补偿前a相电压电流。图13是补偿后a相电压电流。图14是补偿前中线电流。图15是补偿后中线电流。图16是四桥臂逆变器与电网连接图。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术进行详细说明。本专利技术公开的基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，包括：结合图1说明：检测电路：连接三相交流电源，用于检测直流侧电容电压以及三相和中线电流；单周控制单元：用于控制开关占空比，使在每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，单周控制技术是一种非线性控制技术，无论是稳态还是暂态，都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于给定的值，即能在一个开关周期内有效抵制电网侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，因而实现了快速跟踪，在负载不平衡和负载功率较大的情况下仍能够有效地实现补偿谐波、零序和无功电流；驱动单元：用于驱动功率开关管，采用TLP25本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，包括：检测电路：连接三相交流电源，用于检测直流侧电容电压以及三相和中线电流；单周控制单元：用于控制开关占空比，使在每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成比例；驱动单元：用于驱动功率开关管，采用TLP250驱动；逆变单元：由逆变器连接于电网，用于输出所需补偿的电流回馈给电网，补偿系统的谐波、零序和无功电流，其中第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，能够补偿三相电流和中线中的零序电流；所述检测电路、单周控制单元、驱动单元和逆变单元依次连接，所述单周控制单元和驱动单元之间加有硬件死区电路，所述单周控制器安装在三相及中线上。

【技术特征摘要】
1.基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，包括：检测电路：连接三相交流电源，用于检测直流侧电容电压以及三相和中线电流；单周控制单元：用于控制开关占空比，使在每个周期内开关变量的平均值与控制参考信号相等或成比例；驱动单元：用于驱动功率开关管，采用TLP250驱动；逆变单元：由逆变器连接于电网，用于输出所需补偿的电流回馈给电网，补偿系统的谐波、零序和无功电流，其中第四桥臂与负载中性点相连接，为中线电流提供了通路，能够补偿三相电流和中线中的零序电流；所述检测电路、单周控制单元、驱动单元和逆变单元依次连接，所述单周控制单元和驱动单元之间加有硬件死区电路，所述单周控制器安装在三相及中线上。2.根据权利要求1所述的基于单周期控制技术的三相四线制四桥臂APF，其特征在于，所述检测电路中包括电流隔离检测电路、直流偏置电路和直流侧电容电压采样电路；所述电流隔离检测电路包括稳压芯片7805、集成隔离放大器HCPL7840和第一运算放大器LM358，所述稳压芯片7805的接地端与输入端接有电容，接地端与输出端接有电容，输入端接15伏电源，输出端接在集成隔离放大器HCPL7840的一端口处，所述第一运算放大器LM358的二端口和三端口分别通过电阻连接在HCPL7840的第七端口和第六端口，所述第一运算放大器LM358三端口和一端口间并联有电阻和电容，八端口接5伏电源，四端口接地，所述7840二端口接电容后接地，三端口和四端口接地，八端口接5伏电源并与五端间接有电容，五端口处接地；所述直流偏置电路包括稳压源TL431和第二运算放大器L...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旭东，张文智，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23