專利名稱：一種基于混合電力濾波器的抑制振蕩的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種有源濾波器的控制方法，特別涉及一種基于混合電力濾波器的抑制振蕩的控制方法。
背景技術：
通常的諧波一般指頻率為工頻(基波頻率)整數倍的成分，而間諧波是指非整數倍基波頻率的諧波。電力系統中諧波問題已引起廣泛的關注。而對間諧波(interharmonics)，目前國內缺乏測量手段，相關的文獻資料也很少。實際上間諧波及其影響也廣泛存在于電力系統中。
目前對于電力系統的諧波問題，主要的解決方法是裝設電力濾波器，包括無源電力濾波器和有源電力濾波器兩種。目前大量應用的是無源電力濾波器，其在實用中發揮了很大的作用。但由于無源濾波器可能與系統發生諧振，所以濾波器的頻偏對系統安全運行很重要，而又由于頻偏的存在使無源電力濾波器很難達到理想的補償效果。特別是當負載的電流中含有間諧波情況時，當有低于LC調諧濾波器所要濾除的諧波頻次的間諧波流過該支路時，LC支路阻抗呈容性，而系統阻抗呈感性，這種情況下就會使間諧波放大甚至并聯諧振，造成LC調諧濾波器過載，危及設備的運行。此時為了抑制濾波系統對間諧波的諧振放大，通常在單調諧濾波器上增加阻尼電阻來解決此問題。但是增加阻尼電阻同時又帶來了能耗問題，造成了電能的巨大浪費。
諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。由于有源電力濾波器能動態地補償諧波、間諧波、無功及負序電流，而又不會與系統發生諧振，所以可以取得比無源電力濾波器好的多的濾波效果。但由于單獨使用的有源電力濾波器容量大、成本高，目前國內還沒有應用。
從上述對現有技術的介紹和分析中可見，目前在國內外還沒有見到將無源濾波器和有源電力濾波器混合使用進行諧波和間諧波抑制的報道。
發明內容
本發明的目的在于提供一種基于混合電力濾波器的抑制振蕩的控制方法，將有源濾波器引入無源電力濾波器中，共同組成混合濾波系統，從而改善原有無源電力濾波器裝置的諧波補償效果和可靠性。
本發明的技術方案是這樣實現的把有源電力濾波器APF控制成諧波、間諧波電流源，其步驟為第一步，利用短時傅立葉變換的方法，檢測出負載側電流的諧波電流分量ILh和間諧波電流分量ILih；第二步，利用公式Iapf＝KLh·ILh+KLih·ILih，得到的結果作為有源電力濾波器APF補償電流的指令信號；其中Iapf表示有源電力濾波器的指令電流；ILh表示負載側諧波電流分量；KLh代表負載諧波電流的控制系數，其中KLh＝1；ILih表示負載側間諧波電流分量；KLih代表負載間諧波電流的控制系數，其中KLih＝-Zsih/Zaih，Zsih表示電網在間諧波頻率的阻抗值，Zaih表示附加電感在間諧波頻率處的阻抗值；第三步，檢測有源電力濾波器APF的補償電流，將其與第二步得到的指令信號比較，采用跟蹤型脈沖寬度調制PWM控制方法，獲得控制有源電力濾波器APF主電路中各個絕緣柵極雙極性晶體管IGBT器件的脈沖寬度調制PWM信號；第四步，將上一步得出的脈沖寬度調制PWM信號分配給各個絕緣柵極雙極性晶體管IGBT的驅動電路，經驅動電路放大施加到絕緣柵極雙極性晶體管IGBT上，使有源電力濾波器APF輸出補償電流。
本發明通過與有源電力濾波器APF并聯的電感La并將有源電力濾波器APF控制成諧波、間諧波電流源，通過這種新的控制方法使得負載電流中的諧波成分流入混合濾波系統，間諧波電流成分流入電網側，而不在無源支路引起間諧波電流的放大或者諧振，并且使原來流過APF的基波無功電流主要流過電感La，從而大大減小了APF的容量，使得APF在大容量系統的應用成為可能。
四.
圖1是本發明的混合濾波系統的原理圖；圖2是控制電路核心部分框圖；圖3(a)是只投入無源濾波器的等效電路圖；圖3(b)是對負載諧波電流的等效電路圖；圖3(c)是對負載間諧波電流的等效電路圖；圖4(a)是補償對象的電流波形圖；圖4(b)是補償對象經放大后的電流波形圖；圖4(c)是補償對象電流波形的頻譜分析結果圖；圖4(d)是投入無源濾波器后的電源電流波形圖；圖4(e)是投入無源濾波器后的放大后的電源電流波形圖；圖4(f)是投入無源濾波器后的電源電流的頻譜分析結果圖；圖4(g)是投入混合濾波系統后的電源電流波形圖；圖4(h)是投入混合濾波系統后的放大后的電源電流波形圖；圖4(i)是投入混合濾波系統后電源電流的頻譜分析結果圖。
具體實施例方式
附圖是本發明的具體實施例；下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明參照圖1所示，有源電力濾波器APF通過耦合變壓器T與附加電感La并聯后再與無源濾波器Zf串聯，然后并入電網。無源濾波器Zf是由純調諧的無源濾波器組成，由分別調諧于2次的電抗器L2和電容器C2、3次的電抗器L3和電容器C3和4次的電抗器L4、電容器C4串聯諧振濾波器并聯組成，具體包括幾條支路可根據濾波和無功性能指標確定。APF控制成諧波電流源與附加電感La并聯，主要作用是改善無源濾波器的濾波性能并抑制其與電網發生諧振。圖中Lr表示有源電力濾波器的輸出電感。
參照圖2所示，諧波、間諧波電流檢測電路1的輸入信號為負載電流iL和電網電壓uS，經運算后輸出負載電流中的諧波分量iLh、iLih，放大器2、3將諧波電流檢測電路1的輸出iLh、iLih與設定的1、-Zsih/Zaih相乘，其中Zsih表示電網對間諧波的阻抗，Zaih表示附加小電感對間諧波的阻抗，并通過加法器環節4產生補償電壓指令iC*，減法器5將環節4輸出iC*與有源電力濾波器主電路輸出信號iC相減，結果輸出至PWM發生器6，其輸出(即各IGBT的PWM信號)連接至驅動電路。
參照圖3所示，其中圖3(a)表示只投入無源濾波器的等效電路圖；圖3(b)表示對負載諧波電流的等效電路圖；圖3(c)表示對負載間諧波電流的等效電路圖；附圖3符號說明Zs——電網阻抗Zf——純調諧無源濾波器支路的阻抗Za——附加小電感的阻抗Ifh——IF的諧波分量Ifih——IF的間諧波分量Zsh——電網對諧波的阻抗Zsih——電網對間諧波的阻抗Zah——附加小電感對諧波的阻抗Zaih——附加小電感對間諧波的阻抗本系統中通過檢測負載電流中的諧波和間諧波成分，將有源濾波器控制成受控電流源Iapf，其在諧波、間諧波頻率下的等效電路圖分別如圖3(b)和圖3(c)所示。圖中Ush(Usih)表示電源諧波(間諧波)電壓，Zsh(Zsih)和Zfh(Zfih)分別表示電網和無源濾波器的諧波(間諧波)阻抗，諧波源可看作一個電流源IL。
ILh(ILih)和Ish(Isih)分別是負載電流和電源電流的諧波(間諧波)分量。
如圖3(a)所示，不接有源濾波器(即ZAPF＝0)時，負載諧波電流ILh由無源電力濾波器Zfh和附加電感Zah補償，其補償特性取決于電網阻抗Zsh和無源濾波器與附加電感阻抗之和Zfh+Zah。由圖3(a)有ISh=Zfh+ZahZsh+Zfh+ZahILh---(1)]]>如果電網阻抗很小(|Zsh|≈0)，或無源濾波器沒有調諧到負載的諧波頻率(即|Zfh+Zah|＞＞|Zsh|)，就達不到要求的濾波特性。當有低于LC調諧濾波器所要濾除的諧波頻次的間諧波，尤其是當電網阻抗Zsh與無源濾波器阻抗Zfh+Zfh在特定頻率發生并聯諧振時(|Zfh+Zsh+Zah|≈0)，將出現諧振放大現象，流入電源的諧波電流比負載的諧波電流還要大。
接入有源濾波器，并按以下規律將其控制為一個電流源Iapf＝KLh·ILh+KLih·ILih(2)只要適當地對有源電力濾波器APF進行控制，即由下式(3)、(4)的諧波控制系數KLh、間諧波控制系數KLih，有源電力濾波器APF就能迫使負載中的諧波電流流入混合濾波系統，使得電源電流中不含諧波；使負載電流中的間諧波成分全部流入網側，從而不引起無源電力濾波器與電網阻抗對間諧波電流成分的放大或者諧振現象。
如圖3(b)，只考慮對負載諧波電流ILh的補償特性時，假設電源電壓uS為正弦。則電源電流的諧波分量IShIsh=Zfh+(1-Klh)·ZahZsh+Zfh+ZahIlh---(3)]]>由(3)式知，由于無源濾波器調諧準確，可認為無源濾波器阻抗Zfh＝0。顯然，當控制負載諧波前饋控制系數Klh＝1，電弧爐負載產生的諧波電流將主要流入濾波支路，只有很少的諧波電流流入電網，能達到較好的濾波效果。同時，由于分母中附加電感阻抗Zah的存在，使得原來在只有無源濾波器情況下可能發生諧振的條件|Zsh+Zfh|≈0不再起作用，起到了抑制諧振的作用。
如圖3(c)，只考慮對負載間諧波電流ILih的補償特性時，仍然假設電源電壓uS為正弦。則電源電流的諧波分量ISihIsih=Zfih+(1-Klih)·ZaihZsih+Zfih+ZaihIlih---(4)]]>由(4)式知，由于間諧波的存在，使得無源濾波器和附加電感在間諧波頻率下的阻抗之和Zfih+Zaih呈容性，而電網在間諧波頻率下的阻抗Zsih呈感性，此時負載電流中的間諧波成分在網側和無源濾波器支路都被放大了。當|Zsih+Zfih+Zaih|≈0時，就發生了“并聯諧振”。此時我們可以控制Klih＝-Zsih/Zaih，在這種控制方式下，相當于在網側串入了值為-Zsih的阻抗，使得Isih＝Ilih，負載電流中的間諧波成分將全部流入網側，這樣流入無源濾波器支路就不含有間諧波，從而防止了無源濾波器過載的情況，起到了抑制間諧波引起系統諧振的作用；可見，本系統APF的控制方法簡單，只需控制成負載電流的1倍諧波分量和-Zsih/Zaih倍的間諧波分量，就可以使負載中的諧波流入混合濾波系統，并且可以抑制由負載側間諧波電流成分引起的無源電力濾波器與系統的并聯諧振現象，保證了無源部分的安全運行。
以下給出仿真例仿真中負載采用諧波電流源代替，具體參數如下Loadcurrent=6802sin(2π×50×t)+89.282sin(2π×100×t)]]>+75.042sin(2π×150×t)+40.82sin(2π×200×t),]]>+30sin(2π×190.6×t)]]>其包含2，3，4次諧波電流成分和一引起無源電力濾波器與系統發生并聯諧振的間諧波電流成分。無源電力濾波器參數如下2次純調諧濾波器L2＝203.7183mH C2＝12.43μF；3次純調諧濾波器L3＝181.0830mH C3＝6.22μF；4次純調諧濾波器L4＝169.7653mH C4＝3.73μF；附加電感La＝13.6mH；連接變壓器變比為800∶330；參照圖4(a)、(b)、(c)所示，給出了仿真中負載電流的波形及其頻譜分析結果，其中圖4(a)為負載電流波形圖，其中橫坐標表示時間，縱坐標表示電流幅值；圖4(b)為圖4(a)的局部放大圖，其中橫坐標表示時間，縱坐標表示電流幅值；圖4(c)為該電流波形的頻譜分析結果，其中橫坐標表示頻率，縱坐標表示幅值，可見其電流成分中含有2、3和4次諧波及一間諧波；參照圖4(d)、(e)、(f)所示，給出了不投入有源電力濾波器時網側電流的仿真結果波形圖及頻譜分析結果，其中圖4(d)為網側電流波形圖，其中橫坐標表示時間，縱坐標表示電流幅值；圖4(e)為圖4(d)的局部放大圖，其中橫坐標表示時間，縱坐標表示電流幅值；圖4(f)為該電流波形的頻譜分析結果，由頻譜分析結果可見，當負載側含有能使系統振蕩的間諧波時，網側電流對該間諧波進行放大。因此只投入無源濾波器，即控制有源電力濾波器iAPF＝0時，系統將產生并聯諧振，將會造成無源電力濾波器的過載甚至燒毀，影響無源電力濾波器的正常工作。
參照圖4(g)、(h)、(i)所示，給出了投入有源電力濾波器，且控制Iapf＝ILh+(-Zsih/Zaih)·ILih時網側電流的仿真結果及頻譜分析結果，其中圖4(g)為網側電流波形圖，其中橫坐標表示時間，縱坐標表示電流幅值；圖4(h)為圖4(g)的局部放大圖，其中橫坐標表示時間，縱坐標表示電流幅值；圖4(i)為該電流波形的頻譜分析結果，由頻譜分析結果可見，當負載側含有能使系統振蕩的間諧波時，該間諧波全部流入網側。對仿真結果計算得到流過無源支路的無源支路2次諧波電流有效值為269.5/2×0.4646=88.5063,]]>無源支路3次諧波電流有效值為269.5/2×0.3895=74.19975,]]>無源支路4次諧波電流有效值為269.5/2×0.2053=39.10965,]]>說明負載的2、3、4次諧波基本上全都流入了無源支路，消除了負載諧波電流對電網電流影響，同時可見間諧波全部流入了電網，避免了間諧波引起的系統諧振。
對仿真結果進行整理，得出下表不投入有源濾波器和投入有源濾波器時的補償效果比較表 從以上結果可見，投入混合濾波系統后，電源電流中的基波電流被補償到只有基波電流的不到0.48％，取得了良好的補償特性，而且即使當負載中含有使系統發生并聯諧振的間諧波成分，采用上述控制方法，使得負載中的間諧波成分全部流入電網，并不流入無源濾波器中，應此不會造成無源濾波器的過載，保證了整個混合濾波系統運行時的安全、可靠性。
權利要求
1.一種基于混合電力濾波器的抑制振蕩的控制方法，把有源電力濾波器控制成電流源，其特征在于，把有源電力濾波器APF控制成諧波、間諧波電流源，其步驟為第一步，利用短時傅立葉變換的方法，檢測出負載側電流的諧波電流分量ILh和間諧波電流分量ILih；第二步，利用公式Iapf＝KLh·ILh+KLih·ILih，得到的結果作為有源電力濾波器APF補償電流的指令信號；其中Iapf表示有源電力濾波器的指令電流；ILh表示負載側諧波電流分量；KLh代表負載諧波電流的控制系數，其中KLh＝1；ILih表示負載側間諧波電流分量；KLih代表負載間諧波電流的控制系數，其中KLih＝-Zsih/Zaih，Zsih表示電網在間諧波頻率的阻抗值，Zaih表示附加電感在間諧波頻率處的阻抗值；第三步，檢測有源電力濾波器APF的補償電流，將其與第二步得到的指令信號比較，采用跟蹤型脈沖寬度調制PWM控制方法，獲得控制有源電力濾波器APF主電路中各個絕緣柵極雙極性晶體管IGBT器件的脈沖寬度調制PWM信號；第四步，將上一步得出的脈沖寬度調制PWM信號分配給各個絕緣柵極雙極性晶體管IGBT的驅動電路，經驅動電路放大施加到絕緣柵極雙極性晶體管IGBT上，使有源電力濾波器APF輸出補償電流。
全文摘要
本發明公開了一種基于混合電力濾波器的抑制振蕩的控制方法，將有源電力濾波器APF引入無源電力濾波器中，共同組成混合電力濾波系統，整個系統的補償性能與無源電力濾波器相比有很大的提高，能夠達到國家標準的要求。本發明是通過裝設與APF并聯的電感La并將APF控制成諧波、間諧波電流源，通過這種新的控制方法使得負載電流中的諧波成分流入混合濾波系統，間諧波電流成分流入電網側，而不在無源支路引起間諧波電流的放大或者諧振，并且使原來流過APF的基波無功電流主要流過電感La，從而大大減小了APF的容量，使得APF在大容量系統的應用成為可能，極大地改善原有無源電力濾波器裝置的諧波補償效果和可靠性。
文檔編號H02J3/18GK1734878SQ20051004294
公開日2006年2月15日 申請日期2005年7月18日 優先權日2005年7月18日
發明者王躍, 王兆安, 楊君, 張曉 , 雷萬鈞, 唐曉華, 司渭濱, 董強, 王汝錫 申請人:西安交通大學