带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统[实用新型专利]

*CN202111474U*

(10)授权公告号 CN 202111474 U(45)授权公告日 2012.01.11

(12)实用新型专利

(21)申请号 201120187777.5(22)申请日 2011.06.07

(73)专利权人浙江容大电力设备制造有限公司

地址311400 浙江省杭州市富阳市富春街道

公园西路1218号(72)发明人商少锋 汪洪标 王玺

(74)专利代理机构杭州杭诚专利事务所有限公

司 33109

代理人尉伟敏(51)Int.Cl.

H02J 3/01(2006.01)H02J 3/18(2006.01)G01R 19/06(2006.01)

权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 1 页

(54)实用新型名称

带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统(57)摘要

本实用新型涉及一种带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统，包括与供电电网相连接的有源滤波器，有源滤波器的交流侧连接有经正弦运算模块和乘法运算模块相连的电源电压采集模块及和第二加法运算模块相连的电源电流采集模块，电源电压采集模块、电源电流采集模块经基波有功电流检测模块和第一加法运算模块相连。有源滤波器的直流侧连接有和有功电流变化预测模块相连的电容电压采集模块，有功电流变化预测模块经乘法运算模块、第一加法运算模块、第二加法运算模块、电流控制器和有源滤波器的控制端相连。本实用新型通过采样直流侧电容电压，预测出系统有功电流的变化量，提前反馈到补偿电流控制环节，大大提高动态响应速度，改善电网品质。

CN 202111474 UCN 202111474 UCN 202111485 U

权 利 要 求 书

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1.一种带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统，包括与供电电网（1）相连接的有源滤波器（2），其特征在于所述的有源滤波器（2）的交流侧连接有电源电压采集模块（4）和电源电流采集模块（5），有源滤波器（2）的直流侧连接有电容电压采集模块（8）；所述的电源电压采集模块（2）的输出端，一路经正弦运算模块（6）和乘法运算模块（10）的第一输入端相连，另一路和基波有功电流检测模块（7）的第一输入端相连；所述的电源电流采集模块（5）的输出端，一路和所述的基波有功电流检测模块（7）的第二输入端相连，另一路和第二加法运算模块（12）的第一输入端相连，基波有功电流检测模块（7）的输出端和第一加法运算模块（11）的第一输入端相连；所述的电容电压采集模块（8）的输出端经有功电流变化预测模块（9）和所述的乘法运算模块（10）的第二输入端相连，乘法运算模块（10）的输出端和第一加法运算模块（11）的第二输入端相连，第一加法运算模块（11）的输出端和第二加法运算模块（12）的第二输入端相连，第二加法运算模块（12）的输出端和电流控制器（13）的输入端相连，电流控制器（13）的输出端和所述的有源滤波器（2）的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统，其特征在于所述的有功电流变化预测模块（9）包括依次相连的低通滤波模块（91）、离散采样模块（92）、预测处理模块（93）和信号变换处理模块（94），所述的低通滤波模块（91）的输入端和所述的电容电压采集模块（8）的输出端相连，所述的预测处理模块（93）上还连接有参考量输入模块（96），所述的信号变换处理模块（94）的输出端和所述的乘法运算模块（10）的第二输入端相连。

3.根据权利要求2所述的带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统，其特征在于所述的有功电流变化预测模块（9）包括第三加法运算模块（97）、比例积分控制模块（98）和第四加法运算模块（95），第三加法运算模块（97）的第一输入端和所述的电容电压采集模块（8）的输出端相连，第三加法运算模块（97）的第二输入端和标准电容电压输入模块（99）相连，第三加法运算模块（97）的输出端和所述的比例积分控制模块（98）的输入端相连，比例积分控制模块（98）的输出端和所述的第四加法运算模块（95）的第一输入端相连，第四加法运算模块（95）的第二输入端和所述的信号变换处理模块（94）的输出端相连，第四加法运算模块（95）的输出端和所述的乘法运算模块（10）的第二输入端相连。

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说 明 书

带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统

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技术领域

本实用新型涉及电力设备制造领域，尤其涉及一种使电力有源滤波装置实现快速响应、改善电网品质的带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统。

[0001]

背景技术

随着电力电子装置及其他非线性负载在电力系统及工业上的广泛应用，所带来的电网中的谐波污染和功率因数低下问题越来越严重。目前的趋势是采用APF，即有源电力滤波装置进行谐波抑制，有源电力滤波装置是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的特性，是一种理想的补偿谐波装置。

[0003] 目前大部分传统的APF的控制方案核心思想是：检测负载电流，通过检测提取出基波电流或有功电流，当有源滤波器补偿谐波时，将负载电流与基波电流作差运算作为补偿电流的参考信号；当滤波器用于同时补偿谐波和无功时，将负载电流和有功电流作差运算作为补偿电流的参考信号。然后再实时检测滤波器电流，将补偿电流参考值与测量到的滤波器电流相比较，其差信号通过电流跟踪控制器(如滞环控制、三角波脉宽调制等)来控制APF输出补偿电流。有功电流也作为参考电流的一部分用来补偿滤波器的损耗和保持直流电压稳定不变。此种控制方式从控制理论角度上讲属于电流的开环控制，不管采用哪种滤波算法以及电流跟踪控制器，都需要采样负载电流和滤波器电流以及系统电压、直流侧电容电压，基于这种检测控制方法的有源电力滤波装置应用已经比较广泛。其特点就是控制策略相对普遍，易于实现，但由于采样电流路数的增加也增加了检测单元的数量。[0004] 另外一种控制方式就是电源电流的闭环控制，采用此种方法的控制电路可以省掉负载电流检测单元和滤波器电流检测单元。在保持传统方法的原有电压采集通道不变的基础上，只通过采集电源电流，就可完成对APF的控制。采用电源电流直接控制的方法可减小控制电路的检测单元数量，控制方法相对简约。但是也带来了一些问题：[0005] 1．由于检测环节的延时以及主电路逆变器的延时，使得APF对高次谐波的补偿出现误差，甚至于放大某些高次谐波，因为数字控制器及主电路逆变器的延时，使采用电源电流的闭环控制难度增大。

[0006] 2．电源电流直接控制的闭环系统，省略了提取电源电流中基波(有功)参考电流的运算环节，对于电容电压环，由于缺少了闭环内的一个前馈信号，导致其动态响应速度又不如传统型控制系统快。

[0002]

发明内容

[0007] 本实用新型主要解决原有采用电流开环控制的有源滤波器控制系统存在采样电流路数多、检测单元数量多，成本较高的技术问题，采用电源电流闭环控制的有源滤波器控制系统存在控制难度大，动态响应速度较慢的技术问题；提供一种带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统，其仅采样电源电流，并增加了负载容量变化的预测控制，根据电容电

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说 明 书

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压的变化与系统有功电流的对应关系，得到电源有功电流分量幅值的变化，通过对电源滤波器直流侧电容电压的采样计算，预测出系统有功电流的变化量，将这一预测量提前反馈到补偿电流控制环节，提高APF的动态响应速度。

[0008] 本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括与供电电网相连接的有源滤波器，所述的有源滤波器的交流侧连接有电源电压采集模块和电源电流采集模块，有源滤波器的直流侧连接有电容电压采集模块；所述的电源电压采集模块的输出端，一路经正弦运算模块和乘法运算模块的第一输入端相连，另一路和基波有功电流检测模块的第一输入端相连；所述的电源电流采集模块的输出端，一路和所述的基波有功电流检测模块的第二输入端相连，另一路和第二加法运算模块的第一输入端相连，基波有功电流检测模块的输出端和第一加法运算模块的第一输入端相连；所述的电容电压采集模块的输出端经有功电流变化预测模块和所述的乘法运算模块的第二输入端相连，乘法运算模块的输出端和第一加法运算模块的第二输入端相连，第一加法运算模块的输出端和第二加法运算模块的第二输入端相连，第二加法运算模块的输出端和电流控制器的输入端相连，电流控制器的输出端和所述的有源滤波器的控制端相连。通过电源电流采集模块采集电源电流is，通过电源电压采集模块采集电源电压Us，经过基波有功电流检测模块的处理，得到电源电流中含有的有功量ilp。通过电容电压采集模块检测直流侧电容电压Uc，利用电容电压的平均值与系统中有功电流之间的关系，通过对电容电压的变化情况进行跟踪处理，实时得到系统中有功电流的变化信息，即系统中有功电流分量的幅值。由乘法运算模块将系统有功电流幅值增量△Ip与正弦运算模块输出的和系统电压同频同相的单位正弦信号es相乘，得到有功电流分量△ip，再与有功量ilp相加，最终得到补偿的指令信号is*。将补偿的指令信号is*与电源电流is的差比较值△is作为电流控制器的输入，电流控制器产生的PWM控制信号作用于有源滤波器主电路产生补偿电流。[0009] 作为优选，所述的有功电流变化预测模块包括依次相连的低通滤波模块、离散采样模块、预测处理模块和信号变换处理模块，所述的低通滤波模块的输入端和所述的电容电压采集模块的输出端相连，所述的预测处理模块上还连接有参考量输入模块，所述的信号变换处理模块的输出端和所述的乘法运算模块的第二输入端相连。电容电压采集模块检测到的直流电容电压瞬时值Uc经低通滤波模块处理、离散采样模块处理后，再由预测处理模块将该信号与参考量输入模块输出的参考值作比较和处理，获得电容平均电压的变化量△Uc，再经信号变换处理模块的处理，实时得到系统中有功电流的变化信息，即系统中有功电流分量的幅值。获得的系统有功电流幅值增量△Ip输送给乘法运算模块处理。[0010] 作为优选，所述的有功电流变化预测模块包括第三加法运算模块、比例积分控制模块和第四加法运算模块，第三加法运算模块的第一输入端和所述的电容电压采集模块的输出端相连，第三加法运算模块的第二输入端和标准电容电压输入模块相连，第三加法运算模块的输出端和所述的比例积分控制模块的输入端相连，比例积分控制模块的输出端和所述的第四加法运算模块的第一输入端相连，第四加法运算模块的第二输入端和所述的信号变换处理模块的输出端相连，第四加法运算模块的输出端和所述的乘法运算模块的第二输入端相连。直流侧电容电压与标准设定值作差进行PI调节得到调节量Ipi，由第四加法运算模块将调节量Ipi和系统中有功电流分量的幅值△Isp进行相加处理，获得系统有功电流幅值增量△Ip，输送给乘法运算模块处理。通过PI调节以保持电容电压的稳定。

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说 明 书

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本实用新型的有益效果是：不仅采样电源电流，还增加了负载容量变化的预测控制，得到电源有功电流分量幅值的变化，通过对电源滤波器直流侧电容电压的采样，预测出系统有功电流的变化量，将这一预测量提前反馈到补偿电流控制环节，同时保留了传统APF中的比例积分控制环节、电流控制器，大大提高APF的动态响应速度，有效改善电网品质。附图说明

[0012] 图1是本实用新型的一种系统连接框图。

[0013] 图2是本实用新型中有功电流变化预测模块的一种连接框图。

具体实施方式

[0014] 下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。[0015] 实施例1：本实施例的带预测快速响应的有源滤波器闭环控制系统，如图1所示，电力系统的供电电网1为负载3供电，输电线路上并联安装有有源滤波器2。有源滤波器2的交流侧连接有电源电压采集模块4和电源电流采集模块5，有源滤波器2的直流侧连接有电容电压采集模块8。电源电压采集模块2的输出端，一路经正弦运算模块6和乘法运算模块10的第一输入端相连，另一路和基波有功电流检测模块7的第一输入端相连；电源电流采集模块5的输出端，一路和基波有功电流检测模块7的第二输入端相连，另一路和第二加法运算模块12的第一输入端相连，基波有功电流检测模块7的输出端和第一加法运算模块11的第一输入端相连；电容电压采集模块8的输出端经有功电流变化预测模块9和乘法运算模块10的第二输入端相连，乘法运算模块10的输出端和第一加法运算模块11的第二输入端相连，第一加法运算模块11的输出端和第二加法运算模块12的第二输入端相连，第二加法运算模块12的输出端和电流控制器13的输入端相连，电流控制器13的输出端和有源滤波器2的控制端相连。[0016] 如图2所示，有功电流变化预测模块9包括低通滤波模块91、离散采样模块92、预测处理模块93、信号变换处理模块94、参考量输入模块96和第三加法运算模块97、比例积分控制模块98和第四加法运算模块95。低通滤波模块91的输入端和电容电压采集模块8的输出端相连，低通滤波模块91、离散采样模块92、预测处理模块93、信号变换处理模块94依次相连，参考量输入模块96和预测处理模块93相连，信号变换处理模块94的输出端和第四加法运算模块95的第二输入端相连。第三加法运算模块97的第一输入端也和电容电压采集模块8的输出端相连，第三加法运算模块97的第二输入端和标准电容电压输入模块99相连，第三加法运算模块97的输出端和比例积分控制模块98的输入端相连，比例积分控制模块98的输出端和第四加法运算模块95的第一输入端相连。第四加法运算模块95的输出端作为有功电流变化预测模块9的输出端和乘法运算模块10的第二输入端相连。通过电源电流采集模块采集电源电流is，通过电源电压采集模块采集电源电压

Us，经过基波有功电流检测模块的处理，得到电源电流中含有的有功量ilp。通过电容电压采集模块检测直流侧电容电压Uc，利用电容电压的平均值与系统中有功电流之间的关系，通过对电容电压的变化情况进行跟踪处理，实时得到系统中有功电流的变化信息，即系统中有功电流分量的幅值。由乘法运算模块将系统有功电流幅值增量△Ip与正弦运算模块输出的和系统电压同频同相的单位正弦信号es相乘，得到有功电流分量△ip，再与有功量

[0017]

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说 明 书

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ilp相加，最终得到补偿的指令信号is*。将补偿的指令信号is*与电源电流is的差比较值△is作为电流控制器的输入，电流控制器产生的PWM控制信号作用于有源滤波器主电路产生补偿电流。

[0018] 现在对图2所示的有功电流变化预测模块的内部机理作一详细介绍。[0019] (一)首先确定直流侧电容平均电压与系统基波有功电流的对应关系：

[0020] 假设稳态运行状态下，电容的直流电压为 ，那么电容器上存储的能量为

[0021] [0022]

（1）

负载容量发生变化时，电容器上直流电压的平均电压升高（降低）至

，则此时电

容器上的能量为

[0023] [0024] [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] [0033]

（2）

电容器上能量的变化量为：

（3）

负载容量的变化时，一个周波内，电容器吸收或发出的容量为

（4）

其中

为系统电压有效值 ，

为系统有功电流幅值的变化量。

联立（3）和（4）式，得出系统电流中有功电流幅值的变化量

（5）

从而，此时系统有功电流分量增量为

（6）

(二)实际采样运算及快速响应机理[0034] 在稳态情况下，逆变器直流电容的平均电压由PI环节保持为一定值，但由于无功功率的流动将不可避免地造成逆变器直流电压的波动。在实际中的电压采样是电容平均电压附近的一系列波动值。

[0035] 当有源滤波器工作在稳态下运行时，其直流侧电容电压表示为

[0036] [0037] [0038]

（7）

其中

为平均电压，

为电容电压脉动值。

当负载容量发生变化时，电容器吸收或输出有功电流，电容电压发生变化，稳定时

（8）

附近波动，波动量

6

为

[0039]

此时的电容电压在平均电压。 所以

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说 明 书

（9）

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对电容电压进行采样，并根据采样时间间隔建立脉动电压函数的离散数组，将

此数组作为直流电容电压的参考量，表示为

[0042] [0043] [0044]

（10）

其中N为一个周期内的采样点数。

负载容量变化后的的电容电压

的采样离散数组为

由（9）式可知，直流电容电压瞬时值与参考值的差即为电容平均电压的变化量，为实现快速响应，可将1/2周波内的采样数据与参考量作差取平均值，即可预算出此时的电容平均电压，

[0045] [0046]

（11）

取

，则

为1/2周波内的采样个数，则

。

[0047] [0048]

当然，还可采取其它方案，除了实施例1中的电源电压采集模块、电源电流采集模块、直流侧电容电压采集模块及电流控制器，实施例1中的其余的多个模块也可以通过一个存储有控制程序的中央处理模块（如单片机）来实现。电源电压采集模块、电源电流采集模块、电容电压采集模块采集到的信号分别输送给中央处理模块，由中央处理模块内部程序的分析、判断、处理及运算，最后输出控制信号△is给电流控制器，电流控制器产生的PWM控制信号作用于有源滤波器主电路产生补偿电流。

[0049] 本实用新型通过对电源滤波器直流侧电容电压的采样，预测出系统有功电流的变化量，将这一预测量提前反馈到补偿电流控制环节，大大提高APF的动态响应速度，有效改善电网品质。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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