一種電網(wǎng)電壓支撐型模塊化有源電力濾波器及控制算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種有源電力濾波器及控制算法，特別是一種電網(wǎng)電壓支撐型模塊化 有源電力濾波器及控制算法。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)W來(lái)，電助烙加熱設(shè)備、社機(jī)、焊機(jī)等非線性工業(yè)負(fù)載大量使用，向電網(wǎng)注 入大量無(wú)功及諧波，危及電網(wǎng)穩(wěn)定性及高精設(shè)備使用安全。傳統(tǒng)LC調(diào)諧型無(wú)源補(bǔ)償裝置因 其成本低廉、容量大而得到廣泛使用。但是，其固定阻抗僅能對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行有級(jí)調(diào) 節(jié)，因而逐漸被有源電力濾波器取代。
[0003] 并聯(lián)型有源電力濾波器具備靈活的諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償及禪合點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)的能 力，因此，被廣泛應(yīng)用于治理中低壓配電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。但是，受制于功率器件容量、 可靠性及耐壓能力，無(wú)冗余有源濾波器普遍存在可靠性差、單機(jī)容量低、高壓輔助設(shè)備笨重 昂貴等問(wèn)題，運(yùn)些問(wèn)題限制了有源濾波器進(jìn)一步向高壓、大容量、高可靠性要求場(chǎng)合推廣應(yīng) 用。
[0004] 近年來(lái)，隨著電力電子器件制造技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)中低壓電力電子器件的價(jià)格已 普遍降到合理范圍內(nèi)，基于全控型電力電子器件的有源濾波及補(bǔ)償設(shè)備的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)較傳 統(tǒng)無(wú)源裝置更為明顯。同時(shí)，隨著客戶生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，用戶側(cè)對(duì)無(wú)功及諧波補(bǔ)償?shù)男枨筅?增，投入額外的補(bǔ)償機(jī)組勢(shì)在必行。如何有效利用現(xiàn)有濾波及補(bǔ)償裝置，在投入新的設(shè)備同 時(shí)，保證新組建系統(tǒng)的性能、穩(wěn)定性、可靠性，是控制用戶補(bǔ)償成本及設(shè)備商生產(chǎn)成本和運(yùn) 維成本的關(guān)鍵問(wèn)題。
[0005] 模塊化有源電力濾波器作為大容量補(bǔ)償需求的解決方案之一，具備補(bǔ)償方式靈活 的特點(diǎn)，可根據(jù)補(bǔ)償容量需求，靈活增減模塊。同時(shí)，模塊化的結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和 大規(guī)模生產(chǎn)，可靠性更高，便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。但是，受制于電網(wǎng)參數(shù)變化，傳統(tǒng)模塊化有源電力 濾波器難W滿足高壓大容量的補(bǔ)償需求，其致因包括兩方面：其一，傳統(tǒng)模塊化有源電力濾 波器普遍W低壓電氣標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，用于中高壓補(bǔ)償需增設(shè)禪合變壓器，增加了設(shè)備體積及成 本的同時(shí)，破壞了模塊化設(shè)計(jì)的一致性原則；其二，受制于電網(wǎng)參數(shù)影響，并聯(lián)模塊數(shù)量有 限，擴(kuò)容能力受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是要提供一種滿足高壓、大容量、高可靠性補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)電壓支撐型 模塊化有源電力濾波器及控制算法，解決傳統(tǒng)模塊化有源電力濾波器于弱電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)擴(kuò)容 能力受限的問(wèn)題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案包括：有源電力濾波器及控制算法。
[0010] 一種電網(wǎng)電壓支撐型模塊化有源電力濾波器，該有源電力濾波器由功率主電路、 檢測(cè)采樣裝置、控制驅(qū)動(dòng)部分組成；所述功率主電路由電網(wǎng)電壓支撐部分與有源濾波部分 串聯(lián)組成；所述檢測(cè)采樣裝置的輸入側(cè)分別接于禪合點(diǎn)電網(wǎng)側(cè)母線、禪合點(diǎn)負(fù)載側(cè)配電線、 有源濾波部分輸出側(cè)及直流側(cè)，其輸出側(cè)與控制驅(qū)動(dòng)部分相連；所述控制驅(qū)動(dòng)部分輸入側(cè) 與檢測(cè)與采樣裝置輸出側(cè)相連，其輸出側(cè)與功率器件相連。
[0011] 所述功率主電路中電網(wǎng)電壓支撐部分，每相主電路由n個(gè)H橋單元串聯(lián)組成，n為 自然數(shù)，據(jù)電網(wǎng)電壓等級(jí)選取；所述功率主電路中有源濾波部分，由m個(gè)全橋逆變單元組 成，m為自然數(shù)，據(jù)補(bǔ)償容量需求選??；所述H橋單元由2個(gè)橋臂及1個(gè)電容并聯(lián)組成，各橋 臂由2個(gè)全控型功率器件串聯(lián)組成，各橋臂中點(diǎn)為H橋單元接口；所述全橋逆變單元由3個(gè) 橋臂及1個(gè)電容并聯(lián)組成，各橋臂由2個(gè)全控型功率器件串聯(lián)組成，各橋臂中點(diǎn)為全橋逆變 單元輸出接口，接口串聯(lián)相同濾波電感L。
[0012] 所述檢測(cè)采樣裝置由3路電網(wǎng)電壓采集裝置、3路負(fù)載電流采集裝置、3m路有源濾 波部分輸出電流采集裝置及3n+m路直流側(cè)電容電壓采集裝置組成；所述電網(wǎng)電壓采集裝 置安裝于公共禪合點(diǎn)電網(wǎng)側(cè)；所述負(fù)載電流采集裝置安裝于公共禪合點(diǎn)負(fù)載側(cè)；所述有源 濾波部分輸出電流采集裝置分別安裝于有源濾波部分m個(gè)全橋逆變單元輸出側(cè)；所述直流 側(cè)電容電壓采集裝置分別安裝于化個(gè)H橋單元和m個(gè)全橋逆變單元直流側(cè)。
[0013] 所述控制驅(qū)動(dòng)部分（4)由DSP巧）、FPGA (6)及驅(qū)動(dòng)電路（7)組成，DSP與FPGA通 過(guò)IO 口直連，F(xiàn)PGA與驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)光電隔離裝置（8)禪合；所述控制驅(qū)動(dòng)部分輸入為3路 電網(wǎng)電壓采樣信號(hào)、3(m+l)路電流采樣信號(hào)及化+m路直流側(cè)電容電壓采樣信號(hào)；所述采樣 信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入DSP及FPGA，經(jīng)處理輸出6n+3m路開關(guān)狀態(tài)信號(hào)；所述開關(guān)狀態(tài)信號(hào) 經(jīng)光纖傳遞至驅(qū)動(dòng)電路，控制驅(qū)動(dòng)電路輸出1化路H橋PWM驅(qū)動(dòng)脈沖及6m路全橋PWM驅(qū)動(dòng) 脈沖，分別連接到電壓支撐部分和有源濾波部分功率器件，并分別控制電壓支撐部分和有 源濾波部分功率器件通斷。
[0014] 所述控制算法由載波移相調(diào)制算法和改進(jìn)型模型預(yù)測(cè)控制算法組成；所述載波移 相調(diào)制算法控制電網(wǎng)電壓支撐部分實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跟蹤；所述載波移相調(diào)制算法的調(diào)制信號(hào) 為=相電網(wǎng)電壓信號(hào)，每相經(jīng)化路互差360/化度的=角波信號(hào)調(diào)制，輸出對(duì)應(yīng)相級(jí)聯(lián)H橋 驅(qū)動(dòng)信號(hào)；
[0015] 所述改進(jìn)型模型預(yù)測(cè)控制算法控制有源濾波部分輸出補(bǔ)償電流；所述改進(jìn)型模型 預(yù)測(cè)控制算法包括如下步驟：
[0016] 步驟一，設(shè)電網(wǎng)電壓支撐部分X相第i個(gè)H橋單元開關(guān)函數(shù)為S"，其直流側(cè)電容 電壓為Udc,xi，運(yùn)里xG{a,b,c}，i = l,2,3…n，由Sxi和Udc,ri可得x相輸出電壓lXw*,,,， , , .?=]； 對(duì)=相輸出電壓進(jìn)行a 0坐標(biāo)變換得到電網(wǎng)電壓支撐部分輸出電壓矢量形式U ;
[0017] 步驟二，設(shè)有源濾波部分第j個(gè)全橋逆變單元X相橋臂開關(guān)函數(shù)為Sw，其直流側(cè)電 容電壓為 Vdc,.超里 X G {a, b, c}，j = 1，2, 3"'m，由 S x.j和 V dc,.河得 X 相輸出電壓 S x.jVdc,.j， 對(duì)=相輸出電壓進(jìn)行a 0坐標(biāo)變換得到有源濾波部分第j個(gè)全橋逆變單元輸出電壓矢量 形式Vj;
[001引步驟三由指令電流計(jì)算環(huán)節(jié)得到的S相待補(bǔ)償電流iha、ihb、ih進(jìn)行a 0坐標(biāo)變 換，得有源濾波部分第j單元待補(bǔ)償電流矢量ih,，，由S相電網(wǎng)電壓e。、6b、e。得電網(wǎng)電壓矢 量e，由有源濾波部分第j單元輸出的S相補(bǔ)償電流i。。, ,、itb, ,、i。。, ,得補(bǔ)償電流矢量i。,,； [0019] 步驟四，根據(jù)電網(wǎng)電壓e、有源濾波部分第j單元補(bǔ)償電流i。, ,、電網(wǎng)電壓支撐部分 輸出電壓矢量U、有源濾波部分第j個(gè)全橋逆變單元輸出電壓矢量形式V,，計(jì)算有源濾波部 分第j個(gè)全橋逆變單元輸出補(bǔ)償電流預(yù)測(cè)值巧；
[0020] 步驟五，根據(jù)價(jià)值函數(shù)，在有源濾波部分第j單元開關(guān)狀態(tài)中，選擇使補(bǔ)償電流預(yù) 測(cè)值與參考值最接近的開關(guān)狀態(tài)，控制有源濾波部分第j單元向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流， 使電網(wǎng)電壓支撐型模塊化有源電力濾波器只輸出待補(bǔ)償電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
[0021] 所述步驟一中，由式 JuT,，T,管開通T:，T；,管關(guān)斷 -"' = {-1，T,，T;菅開通Ti.TVt關(guān)斷 定義H橋單元開關(guān)狀態(tài)，其中，XG{a,b,c}，i=1，2, 3…n; 再由式
定義電網(wǎng)電壓支撐部分輸出電壓矢量，其中，Ud。, "為電網(wǎng)電壓支撐部分X相第i個(gè)H橋 單元直流側(cè)電容電壓，a=e-'2"氣 陽(yáng)02引所述步驟二中，由式
定義全橋逆變單元各相橋臂的開關(guān)狀態(tài)，其中，XG{a,b,c}，j=1，2, 3…m; 再由式
定義有源濾波部分第j個(gè)全橋逆變單元輸出電壓矢量，其中Vd。,,為有源濾波部分第j個(gè)全橋逆變單元直流側(cè)電容電壓。
[0023] 所述步驟=中，待補(bǔ)償電流矢量如式
有源濾波部分第j單元待補(bǔ)償電流矢量如式
電網(wǎng)電壓矢量如式
有源濾波部分第j單元補(bǔ)償電流矢量如式
[0024] 所述步驟四中，通過(guò)式
計(jì)算第j個(gè)全橋逆變單元不同開關(guān)狀態(tài)組合作用下，輸出的補(bǔ)償電流預(yù)測(cè)值巧，其中 L和L分別為采樣周期和濾波電感、i W為第j個(gè)全橋逆變單元當(dāng)前時(shí)刻的補(bǔ)償電流、U和 e分別當(dāng)前時(shí)刻支撐電壓和電網(wǎng)電壓、V，為第j個(gè)全橋逆變單元待選開關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出電 壓矢量。 陽(yáng)O巧]所述步驟五中，通過(guò)式
計(jì)算第j個(gè)有源濾波模塊補(bǔ)償電流預(yù)測(cè)值巧與參考值ih,，之間的差值，選出最小g ,對(duì) 應(yīng)的=相開關(guān)狀態(tài)組合。
[00%] 有益效果，由于采用了上述方案，通過(guò)電網(wǎng)電壓支撐部分實(shí)現(xiàn)有源濾波部分與電 網(wǎng)的軟隔離，降低有源濾波部分功率器件的耐壓等級(jí)，提升有源濾波部分抗干擾能力，通過(guò) 模塊化H橋級(jí)聯(lián)和模塊化全橋逆變單元并聯(lián)，降低電網(wǎng)電壓部分功率器件耐壓等級(jí)，提升 有源濾波容量和冗余度，同時(shí)通過(guò)載波移相調(diào)制和改進(jìn)型模型預(yù)測(cè)控制算法提高整機(jī)諧波 特性。
[0027] 1.相對(duì)于傳統(tǒng)全橋式有源電力濾波器，本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，冗余程度高、可靠 性強(qiáng)、擴(kuò)展方便、易于維護(hù)且通用性更強(qiáng)。
[0028] 2.相對(duì)于傳統(tǒng)全橋式模塊化有源電力濾波器，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)有源濾波單元與電網(wǎng) 的軟隔離，擴(kuò)容并聯(lián)運(yùn)行不受電網(wǎng)側(cè)參數(shù)及電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響。
[0029] 3.相對(duì)于傳統(tǒng)全橋式有源電力濾波器，本發(fā)明在高壓場(chǎng)合運(yùn)行無(wú)需禪合變