一种八开关七电平有源电力滤波器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种八开关七电平有源电力滤波器及其控制方法，通过采用八开关电路拓扑下的改进的七电平控制算法，替代了传统常用的SVPWM多电平控制算法，从而解决了SVPWM计算量过大造成的诸多问题，在开关管的控制前端使用了直流变换的PWM发生器进行占空比的互补分配，实现变占空比的控制，也因此无需再使用s函数进行模块输入参数的变量定义问题，最后使用switch case及与switch case搭配使用的动作系统控制逻辑门，从而控制八开关实现七电平。与现有技术相比，本发明专利技术具有减少因开关数量造成的损耗问题，降低计算量等优点。

An eight switch seven level active power filter and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种八开关七电平有源电力滤波器及其控制方法
本专利技术涉及电力电子与电能质量
，尤其是涉及一种八开关七电平有源电力滤波器及其控制方法。
技术介绍
任何有源电力滤波器都由几个共同的技术环节组成，即谐波检测环节、控制系统、主电路以及耦合变压器四个部分。谐波检测环节以瞬时无功理论及其衍生的谐波检测方法为基础，现在的技术一般针对信号传输延时做改善创新，这是由于有源电力滤波器对谐波信号时间同时性要求较高造成的。目前的控制系统大部分是数字控制系统，控制系统一般都是DSP，FPGA，或两者结合的形式来得以实现的。控制方法多样，目前以SVPWM为主。主电路一般根据电力系统的需要可以分为三相三线制和三相四线制两种，多电平技术在中高压配网谐波治理方面的应用仍需大力推进。级联型克服了环流的问题且容易实现模块化，已经成为多电平领域的研究重点，在实际应用中，仍以二电平及三电平为主。通常情况下有源电力滤波器都通过耦合变压器接入电力系统，这样既能够充分利用开关器件容量，也能够起到绝缘隔离的作用，防止干扰。在大型电力系统，如船舶电力系统中的大功率可调速电机驱动过程中，由开关管造成的谐波电流不良影响等相关问题将干扰同一个交流系统下的其他部分，导致开关器件的电压容量较低，输出电压品质以及负载端的电能质量较差，且成本较高。级联式七电平拓扑所需开关器件过多，会造成对应的缓冲电路，驱动电路将更复杂，容易带来损耗，且七电平电路拓扑对应的PWM控制方式繁冗且测试效率低。SVPWM的控制理论固然优良，但其计算量会随着电平数的上升而以指数级别上升，会出现计算量过大的问题，SVPWM因此也多用于二，三电平电路拓扑。八开关七电平有源电力滤波器电路拓扑目前仅停留于理论分析中，未见仿真验证谐波是否成功采集的文献资料。此外，还存在谐波采集后无法与七电平控制建立联系的问题，需要建立数学模型以让采集的谐波实现对七电平的控制。在七电平的控制方案中，首要问题是如何实现控制八开关拓扑的七电平。其次是针对大运算量如何提高程序的运行效率。再次是耦合变压器在仿真中如何引入也带来了新的问题，诸如绕组接法，工作频带以及漏抗等等。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种八开关七电平有源电力滤波器及其控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种八开关七电平有源电力滤波器，该滤波器包括：主电路，采用八开关七电平逆变器为主电路拓扑。控制电路，包括谐波采集子电路和开关管占空比控制子电路。谐波采集子电路用于采集谐波电流并对谐波电流进行检测，其以瞬时无功理论为基础的检测方法为核心，直流侧电容设有PI控制与无功功率控制。开关管占空比控制子电路包括设置在开关管控制前端的PWM发生器，用于进行占空比的互补分配，实现变占空比的控制。电流调节器，设于谐波采集子电路和开关管占空比控制子电路之间，用于获取需要的谐波补偿电流。多电平电压调制电路，与开关管控制端连接，用于通过控制算法得到七电平的具体控制量，并将输出直接作用于开关管控制端，多电平电压调制电路包括依次连接的指令电流运算电路和电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路与逆变器主电路拓扑连接。耦合变压器，用于将整体有源电力滤波器接入电力系统。优选地，本专利技术八开关七电平有源电力滤波器的电路拓扑采用抽头电抗，用于缓解谐波电流的不良影响。一种八开关七电平有源电力滤波器的控制方法，该方法包括下列步骤：步骤一、将八开关七电平有源电力滤波器的输出的具体电压转变为电平等级的数字量，根据这个数字量获取距离两边整数数字的差值。步骤二、将步骤一获取的数字量进行权量上的分配，从而获得两种控制占空比，用于使整个开关周期输出的平均值等于获取的数字量。步骤三、让实际控制中两种控制占空比互补控制，进而实现对任意电平等级的控制。在开关管的控制前端使用直流变换的PWM发生器进行占空比的互补分配，实现变占空比的控制，以无需再使用s函数进行模块输入参数的变量定义问题。利用PWM发生器进行占空比的互补分配的控制中，需要考虑如何得到电平等级，本专利技术采用的方式为：首先使用预测性电流调节器以及多电平电压调制的方法将电平等级与采集的谐波电流之间建立相应的数学模型。该数学模型可采用simulink建立，其数学逻辑利用改进的七电平控制算法表示。即：采用八开关电路拓扑下的改进的七电平控制算法，替代传统常用的SVPWM多电平控制算法，用来解决SVPWM计算量过大造成的诸多问题。改进的七电平控制算法的具体内容为：根据PWM伏秒平衡原则，令Δt为开关的控制周期，vas为预测的电压源电压，为预测的参考谐波电流(预测性电流调节器)，Lf是滤波器与电器设备连接电感。可得到如下电路拓扑中各电路变量之间的关系为：vas＝vas(t)+1.5Δt[vas(t)-vas(t-Δt)]通过得到三相谐波电压，根据下式，产生开关控制信号，这里设立控制变量为dam，lla，ula。lla＝int(dam)ula＝lla+1式中，Vdc为直流电压。根据参考电压分解原理，得到在两个不同电平下的控制时间，下式为具体的控制时间关系。dam*Δt＝lla*(Δt-ta)+ula*tata＝(dam-lla)*Δt式中，ta为开关周期内高电平的控制时间。优选地，在利用PWM发生器进行占空比的互补分配的控制中，可对直流电容电压控制，谐波采集部分进行优化，以提高整体控制效果。最后，使用simulink仿真中带有的switchcase及与switchcase搭配使用的动作系统控制逻辑门，从而控制八开关实现七电平。该部分若投入其他编程中逻辑相似。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术的有源电力滤波器以八开关七电平逆变器为主电路拓扑，减少了因开关数量造成的损耗问题，以及整体系统的体积问题；(2)本专利技术八开关七电平有源电力滤波器的电路拓扑简练，性价比高，利用直流变换的PWM发生器代替了常规多电平变换器中的SVPWM的控制方法，极大地降低了计算量；(3)本专利技术在开关管的控制前端采用了直流变换的PWM发生器进行占空比的互补分配，实现变占空比的控制，无需再使用s函数进行模块输入参数的变量定义问题，节省了实际控制的计算时间；(4)本专利技术八开关七电平有源电力滤波器的电路拓扑相对于级联式多电平电路能更有效地检测故障。附图说明图1为八开关七电平有源电力滤波器及其整体电力系统结构示意图；图2为谐波电流检测及直流侧电容控制部分示意图；图3为本专利技术实施例中仿真输出开关控制拓扑；图4为本专利技术中使用switchcase控制互补占空比模块示意图；图5为本专利技术实施例中采集的谐波电流仿真结果分析图；图6为本专利技术实施例中dam的波形图；图7为本专利技术实施例中仿真输出开关控制规律图；图8为本专利技术实施例中补本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种八开关七电平有源电力滤波器，其特征在于，包括：/n主电路，包括八开关七电平逆变器；/n控制电路：/n谐波采集子电路，以瞬时无功理论为基础的检测方法为核心，用于采集谐波电流并对谐波电流进行检测，其直流侧电容设有PI控制与无功功率控制；/n开关管占空比控制子电路，包括设置在开关管控制前端的PWM发生器，用于进行占空比的互补分配，实现变占空比的控制；/n电流调节器，设于谐波采集子电路和开关管占空比控制子电路之间，用于获取需要的谐波补偿电流；/n多电平电压调制电路，与开关管控制端连接，用于通过控制算法得到七电平的具体控制量，并将输出直接作用于开关管控制端；/n耦合变压器，用于将整体有源电力滤波器接入电力系统。/n

【技术特征摘要】
1.一种八开关七电平有源电力滤波器，其特征在于，包括：
主电路，包括八开关七电平逆变器；
控制电路：
谐波采集子电路，以瞬时无功理论为基础的检测方法为核心，用于采集谐波电流并对谐波电流进行检测，其直流侧电容设有PI控制与无功功率控制；
开关管占空比控制子电路，包括设置在开关管控制前端的PWM发生器，用于进行占空比的互补分配，实现变占空比的控制；
电流调节器，设于谐波采集子电路和开关管占空比控制子电路之间，用于获取需要的谐波补偿电流；
多电平电压调制电路，与开关管控制端连接，用于通过控制算法得到七电平的具体控制量，并将输出直接作用于开关管控制端；
耦合变压器，用于将整体有源电力滤波器接入电力系统。


2.根据权利要求1所述的一种八开关七电平有源电力滤波器，其特征在于，所述的多电平电压调制电路包括依次连接的指令电流运算电路和电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路与逆变器主电路拓扑连接。


3.根据权利要求1所述的一种八开关七电平有源电力滤波器，其特征在于，该八开关七电平有源电力滤波器的电路拓扑采用抽头电抗。


4.根据权利要求1所述的一种八开关七电平有源电力滤波器，其特征在于，直流侧电容的PI控制采用模糊PI自适应控制。


5.一种实现如权利要求1-4任一项所述的一种八开关七电平有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S1：将八开关七电平有源电力滤波器的输出的具体电压转变为电平等级的数字量，根据数字量获取距离两边整数数字的差值；
S2：将S1获取的数字量进行权量上的分配，获取两种控制占空比；
S3：对两种控制占空比进行互补控制，获取电平等级，采用改进的七电平控制算法对任意电平等级进行控制。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星皓，李梦达，王猛，
申请(专利权)人：上海电机学院，
类型：发明
国别省市：上海;31