一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统及其补偿方法技术方案

技术编号:22332670 阅读:19 留言:0更新日期:2019-10-19 12:45
一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统及其补偿方法,属于电能质量控制领域;解决了现有技术中的多电平有源电力滤波系统使用开关管数量过多、滤波器结构庞大,谐波含量高的问题;本发明专利技术的七电平换流器包括结构相同的A相换流器、B相换流器和C相换流器,A相换流器包括三个直流电容、四个功率开关管构成的第一桥臂和另外四个功率开关管构成的第二桥臂;本发明专利技术具有开关损耗小、电压应力小、电磁干扰低、系统容量大等优点,并且输出多电平电压波形且谐波含量小,从而减少了滤波器件的体积。

【技术实现步骤摘要】
一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统及其补偿方法
本专利技术涉及电能质量控制领域,特别是涉及一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统及其补偿方法。
技术介绍
随我国科学技术水平迅速的提高,在日常生活中,到处都有谐波负载的身影。而电网中的谐波都是由电力电子设备内部的非线性器件(二极管、功率开关管、变压器)产生的,谐波的存在会增加用电设备额外的损耗,电抗设备中通过高频的谐波电流会产生尖锐的噪声,也会使电抗器的硅钢片或铁氧体提前饱和及严重发热;输电线路中含有大量的谐波电流会降低电力系统的输电效率,还会导致线路过热(严重时可能使线路起火),加速了线路的老化。与传统两电平有源电力滤波器相比较,多电平有源电力滤波器具有开关损耗小、电压应力小、电磁干扰低、系统容量大等优点,并且输出多电平电压波形且谐波含量小,从而减少了滤波器件的体积。但现有的多电平有缘电力滤波器结构复杂,使用开关管数量多,使滤波器器件的体积庞大,电平扩展能力有限,谐波含量多。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点,本专利技术的目的在于提供一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统及其补偿方法,具有开关损耗小、电压应力小、电磁干扰低、系统容量大等优点,并且输出多电平电压波形且谐波含量小,从而减少了滤波器件的体积。。为实现上述目的及其他相关目的,本专利技术提供一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统,包括采样单元、控制单元、驱动单元和功率单元,采样单元的输入端分别连接三相交流电网和功率单元,采样单元的输出端连接控制单元,控制单元通过驱动单元与功率单元建立连接,功率单元的补偿信号送入三相非线性负载中进行谐波补偿;所述功率单元包括七电平换流器,具体包括结构相同的A相换流器、B相换流器和C相换流器,A相换流器包括直流电容C1、直流电容C2、直流电容C3、由功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3与功率开关管Sa4构成的第一桥臂和由功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3与功率开关管Sb4构成的第二桥臂;所述功率开关管Sa1的集电极与功率开关管的Sa2的集电极通过连接点a1连接,功率开关管Sa2的发射极与功率开关管的Sa3的发射极通过连接点a2连接,功率开关管的Sa3的集电极与功率开关管的Sa4的集电极通过连接点a3连接;所述功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的发射极通过连接点b1连接,功率开关管Sb2的集电极与功率开关管Sb3通过连接点b2连接,功率开关管的Sb3的发射极与功率开关管Sb4通过连接点b3建立连接;所述直流电容C1的正极端和负极端分别连接连接点a1和连接点b1,直流电容的C2的负极端和正极端分别接连接点a2和连接点b2;直流电容C3的正极端和负极端分别连接连接点a3和连接点b3。进一步的,所述A相换流器、B相换流器和C相换流器以中性点悬浮的星型结构连接。进一步的,所述A相换流器、B相换流器和C相换流器分别通过滤波电感接入电网。进一步的,直流电容C1、直流电容C2和直流电容C3的电容电压相等。进一步的,所述控制单元包括:DSP芯片:所述DSP芯片用以采样数据真实值处理和电流跟踪算法实现;FPGA芯片:实现并接收DSP芯片发出的数据,经过逻辑运算输出PWM脉冲信号。进一步的,所述采样单元包括电网电流采样电路、电网电压采样电路、有源电力滤波系统输出电流采样电路和直流电容电压采样电路。一种基于七电平换流器的有源滤波补偿方法,包括如下步骤:通过谐波电流检测得到三相谐波电流分量;对每相上的三个直流电容的整体电压进行一级控制,三相换流器每相的三个直流电容的给定电压值的和与三个直流电容电压实际值的和作差,经PI调节器得到调节直流电压的指令信号,指令信号与相应相电压同相的正弦函数相乘得到有功电流分量;三相负载电流与总体有功电流作差得到三相指令电流;三相指令电流与三相换流器输出电流作差后得到偏差信号,将偏差电流信号送入由准PR控制器和重复控制器构成的复合控制器中,所述偏差电流信号分别送入准PR控制器和重复控制器中,经准PR控制器和重复控制器处理后的信号叠加形成调制信号;对每相上的三个直流电容进行二级控制,三相换流器每相的三个直流电容的给定电压值分别与三个直流电容实际电压值作差,经PI调节后叠加在调制波上;调制信号数据经过调制算法的运算,得到带死区的PWM信号。进一步的,所述准PR控制器的传递函数为:式中,Kp为准PR控制器的比例系数、Kin谐振系数,ωc是等效低通滤波器的截止频率,ωn为准PR控制器的谐振频率。进一步的,所述重复控制器包括:延时环节z-N、辅助补偿器Q(z)、被控对象的传递函数P(z)、增益系数Kr、对补偿器S(z)以及被控对象P(z)进行相位补偿的超前补偿环节zK、针对被控对象P(z)的补偿器S(z);所述延时环节z-N和传递函数Q(z)构成正反馈内模;增益系数Kr、补偿器S(z)和对补偿器S(z)以及被控对象P(z)进行相位补偿的超前补偿环节zK构成补偿器。如上所述,本专利技术提供一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统及其补偿方法,具有如下有益效果:1、本申请提供的有源电力滤波系统具有快速、安全、稳定的优点,与传统的两电平有源电力滤波装置相比,多电平有源电力滤波装置具有开关损耗小、电压应力小、电磁干扰低、系统容量大等优点,并且输出多电平电压波形且谐波含量小,从而减少了滤波器件的体积。2、本专利技术提出了一种七电平换流器结构由3个直流电容和8个功率开关管组成,每相桥臂的三个直流电容电压相等,通过每相桥臂8个功率开关管的开通关断,具有16个有效开关状态,可以合成七电平电压输出波形,与传统的七电平级联H桥拓扑结构相比,新型七电平换流器拓扑结构具有更少的功率开关管数量和更小的开关损耗。3、本专利技术采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq电流检测法,该方法能准确的检测出电网中的有功电流和无功电流的大小,本申请并采用准PR加重复控制的电流跟踪控制策略,可以精准跟踪给定电流,提高系统的稳定性。4、本申请的直流电容电压采用分级控制方式,首先,每相三个直流电容的电压给定值的和与三个直流电容电压实际值的和进行作差,将所得的差值经过PI调节后与相应相电压同相的正弦函数作差得到有功电流的给定信号,完成电容电压的一级控制;将三个电容的给定电压值分别与实际电压值作差,经过PI调节器后叠加在调制波上完成二级控制,通过电压分级控制实现电容电压的平衡控制和直流母线电压平衡控制。缩短了有源电力滤波装置控制算法的运算周期,提高了系统的响应时间。5、本申请的控制单元采用DSP+FPGA的控制方式,DSP和FPGA分工明确,协同工作。DSP主要负责采样数据真实值处理及电流跟踪控制算法实现,FPGA作为DSP芯片的外围扩展器件,主要是实现并行接收DSP发出的数据,经过FPGA的逻辑运算来实现PWM脉冲信号的输出。附图说明图1为本专利技术实施例的基于七电平换流器的有源电力滤波系统整体原理框图;图2为本专利技术实施例的七电平有源电力滤波装置主电路原理图;图3为本专利技术实施例的A相换流器电路原理图;图4为本专利技术实施例控制策略示意图,图4a为整体控制策略示意图,图4b为电流跟踪部分控制策略示意图;图5为PR控制器频率响应;图6为本专利技术实施例的准PR控制器频率响应;图7为本专利技术实施例的离散重复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统,其特征在于:所述七电平换流器包括结构相同的A相换流器、B相换流器和C相换流器,A相换流器包括直流电容C1、直流电容C2、直流电容C3、由功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3与功率开关管Sa4构成的第一桥臂和由功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3与功率开关管Sb4构成的第二桥臂;所述功率开关管Sa1的集电极与功率开关管的Sa2的集电极通过连接点a1连接,功率开关管Sa2的发射极与功率开关管的Sa3的发射极通过连接点a2连接,功率开关管的Sa3的集电极与功率开关管的Sa4的集电极通过连接点a3连接;所述功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的发射极通过连接点b1连接,功率开关管Sb2的集电极与功率开关管Sb3通过连接点b2连接,功率开关管的Sb3的发射极与功率开关管Sb4通过连接点b3建立连接;所述直流电容C1的正极端和负极端分别连接连接点a1和连接点b1,直流电容的C2的负极端和正极端分别接连接点a2和连接点b2;直流电容C3的正极端和负极端分别连接连接点a3和连接点b3。

【技术特征摘要】
1.一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统,其特征在于:所述七电平换流器包括结构相同的A相换流器、B相换流器和C相换流器,A相换流器包括直流电容C1、直流电容C2、直流电容C3、由功率开关管Sa1、功率开关管Sa2、功率开关管Sa3与功率开关管Sa4构成的第一桥臂和由功率开关管Sb1、功率开关管Sb2、功率开关管Sb3与功率开关管Sb4构成的第二桥臂;所述功率开关管Sa1的集电极与功率开关管的Sa2的集电极通过连接点a1连接,功率开关管Sa2的发射极与功率开关管的Sa3的发射极通过连接点a2连接,功率开关管的Sa3的集电极与功率开关管的Sa4的集电极通过连接点a3连接;所述功率开关管Sb1的发射极与功率开关管Sb2的发射极通过连接点b1连接,功率开关管Sb2的集电极与功率开关管Sb3通过连接点b2连接,功率开关管的Sb3的发射极与功率开关管Sb4通过连接点b3建立连接;所述直流电容C1的正极端和负极端分别连接连接点a1和连接点b1,直流电容的C2的负极端和正极端分别接连接点a2和连接点b2;直流电容C3的正极端和负极端分别连接连接点a3和连接点b3。2.根据权利要求1所述一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统,其特征在于:所述A相换流器、B相换流器和C相换流器以中性点悬浮的星型结构连接。3.根据权利要求1所述一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统,其特征在于:所述A相换流器、B相换流器和C相换流器分别通过滤波电感接入电网。4.根据权利要求1所述一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统,其特征在于:直流电容C1、直流电容C2和直流电容C3的电容电压相等。5.根据权利要求1所述一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统,其特征在于:所述一种基于七电平换流器的有源电力滤波系统包括控制单元,控制单元包括:DSP芯片:所述DSP芯片用以采样数据真实值处理和电流跟踪算法实现;FPGA芯片:实现并接收DSP芯片发出的数据,经过逻辑运算输出PWM脉冲信号。6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员:高晗璎张鹏飞
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

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