專利名稱：基于雙vsc交互并聯諧波補償開閉環結合的apf裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種多機分次式APF (Active PowerFilter,有源電力濾波器)裝置，具體涉及一種基于雙VSC(Voltage Source Converter,電壓源型變流器)交互并聯諧波補償開閉環結合的多機分次式APF裝置，用于低壓電網大容量高性能完全有源型諧波的治理。
背景技術：
隨著低壓電網中電力電子裝置等非線性負載的廣泛使用，低壓電網諧波含量日益增加，嚴重影響電網電能質量。采用APF裝置完全有源型諧波治理是當前公認的最好的諧波治理方法，但當前大容量且高性能的諧波治理需求使得APF出現技術難點。如果單機APF要實現大容量且高性能諧波補償輸出，需要并網電感高感量和直流側高電壓、開關器件大 電流且高開關頻率，這些需要當前電力電子開關器件(IGBT等)很難同時滿足，因此APF多機并聯成為當前實現大容量且高性能諧波治理的主流方向。目前APF多機并聯實現低壓大電流諧波補償有以下三種方法(I)APF多機并聯+無源濾波組的混合型諧波治理，其中APF補償高頻段次小電流諧波，無源濾波組補償低頻段次大電流諧波，這種方法的缺點是低壓大電流諧波補償主要是無源濾波出力，不完全具有有源型諧波治理的優點，雖然實現了諧波治理的大容量但未實現諧波治理的高性能要求。(2)APF多機全補償的完全有源型諧波治理，其中并機單元模塊相同，所有并機單元全補償且相同出力，運行模式相同(開環或者閉環)，這種方法的缺點是單機全補償需要較高開關頻率，限制了單機輸出容量，從而大容量輸出需要過多并機單元，成本大大提高；各并機單元都運行于開環或閉環補償模式，整機不能兼具開環補償的動態快速響應特性和閉環補償的穩態高精度特性；當補償電流較小時，多機單元需要主控制器參與控制才能實現冗余模式運行，不能自動冗余運行。(3)APF多機交互并聯的完全有源型諧波治理，其中所有并機單元共用直流側電容，各交流側輸出經多繞組變壓器并網，這種方法的缺點是雖然有效減少了多機并聯直流側無源器件，但為了抑制多機間環流，交流側輸出需采用多繞組變壓器隔離后再并網，這樣整機大容量輸出時，補償電流需經變壓器后再并網，造成諧波可補償頻段降低、補償效果變差，而且這種大容量變壓器制造困難，體積巨大，運行時會發熱嚴重，使整機損耗過大。綜上所述，目前APF多機并聯技術存在不同程度缺陷，需要進一步改進。
發明內容
發明目的針對上述現有技術存在的問題和不足，本發明的目的是提供一種基于雙VSC交互并聯諧波補償開閉環結合的APF裝置，使整機有效輸出最大化的同時總輸出紋波最小化，整機兼具開環補償的動態快速響應特性和閉環補償的穩態高精度特性，單機輸出容量提升的同時又無需增加DC側無源器件或提升DC電壓，滿足電網大容量且高性能諧波治理要求。技術方案為實現上述發明目的，本發明米用的技術方案為一種基于雙VSC交互并聯諧波補償開閉環結合的APF裝置，包括主控制器和多個并聯的雙VSC交互并聯功率單元(雙VSC交互并聯功率單元，也稱“并機單元”或“功率單元”)，所述多個并聯的雙VSC交互并聯功率單元采用雙VSC交互并聯結構，所述雙VSC交互并聯功率單元包括前向部分、共直流部分(直流側)和后向部分，所述共直流部分共用電容，前向部分(運行于開環補償方式)和后向部分(運行于閉環補償方式)分別依次串聯并網電感和共模電感(共模電感用來抑制雙VSC間的零序環流)，分別經前向組母線和后向組母線匯流，分別通過網側補償點和負載側補償點并至電網，網側補償點和負載側補償點之間的負載電流信號送入各雙VSC交互并聯功率單元。其中，雙VSC直流側共用電容，交流側(包括前向部分和后向部分)雙端分別串并網電感和共模電感并至電網，這種結構提升單機輸出容量的同時，直流(DC)側無源器件無需增加，DC直流電壓無需提升，而且雙VSC間的零序環流抑制容易，通過共模電感和合理的PWM方式即可有效抑制；各并機單元的雙端輸出分別通過兩組母線匯流，雙補償點并網， 負載電流檢測CT(current transformer,電流互感器)位于雙補償點中間。這種結構將整機分為連網側補償點的前向組和連負載側補償點的后向組，其中前向組諧波補償開環，后向組諧波補償閉環，從而整機諧波補償開閉環結合，既具開環補償的動態快速響應特性，又具閉環補償的穩態高精度特性，另外整機的前向組和后向組無需再特別連線或是控制系統干預即可自動實現冗余模式運行；各并機單元的前向或后向部分均諧波選擇性分次補償，按所補償電流的頻段分為前向或后向的各指定頻段次諧波補償組，并根據電網典型諧波電流有效值隨其頻次增高而大幅減少的特點，指定低頻段次諧波補償組低開關頻率、大電流輸出，指定高頻段次諧波補償組高開關頻率、小電流輸出，同時相同指定頻段次諧波補償組內，采用移相PWM抵消輸出開關次諧波。這種多機分次式諧波補償架構使得整機有效輸出最大化和總輸出紋波最小化，這樣在輸出電流相同紋波不變的情況下，并機單元并網電感的可選感量最小化，從而單機動態性能最優化，直流電壓和電網電壓不變情況下最大理論輸出電流最大化。優選的，所述前向部分和后向部分均采用諧波電流分次補償，按所補償電流的頻段分為前向或后向的各指定頻段次諧波補償組，并根據電網典型諧波電流有效值隨其頻次增高而大幅減少的特點，將指定低頻段次諧波補償組低開關頻率、大電流輸出，將指定高頻段次諧波補償組高開關頻率、小電流輸出，同時相同指定頻段次諧波補償組內，采用移相PWM抵消開關次諧波，從而使整機有效輸出最大化，總輸出紋波最小化。優選的，還包括主控制器，所述雙VSC交互并聯功率單元還包括單元控制器，所述主控制器向各單元控制器發送同步信號，所述單元控制器輸入負載電流信號、雙VSC輸出電流信號、網側線電壓信號和所述電容兩端的直流電壓信號，輸出控制雙VSC的PWM信號。優選的，所述單元控制器包括直流電壓控制外環、前向諧波電流分次控制內環、后向諧波電流分次控制內環、電網電壓PLL模塊、PWM載波移相同步模塊、第一 PWM模塊和第
二PWM模塊，所述直流電壓控制外環輸入直流電壓給定值和所述電容兩端的直流電壓信號的偏差信號、網側電壓PLL模塊輸出，輸出基波正序有功指令電流，分別至前向諧波電流分次控制內環和后向諧波電流分次控制內環；電網電壓PLL模塊輸入電網電壓，輸出電網電壓基波正序實時相位；前向諧波電流分次控制內環輸入負載電流信號和前向部分輸出電流的偏差、直流電壓控制外環輸出的基波正序有功指令電流和前向部分輸出電流的偏差，輸出前向部分指令電壓，再至第一 PWM模塊輸出前向部分PWM驅動信號；后向諧波電流分次控制內環輸入負載電流信號、直流電壓控制外環輸出的基波正序有功指令電流和后向部分輸出電流的偏差，輸出后向部分指令電壓，再至第二 PWM模塊輸出主電路后向部分PWM驅動信號；PWM載波移相同步模塊接收主控制器發出的同步信號，分別向所述第一 PWM模塊和第二PWM模塊發送載波移相同步信號，實現移相PWM。有益效果(I)并機單元的前向或后向部分均諧波選擇性分次補償，按所補償電流的頻段分為前向或后向的各指定頻段次諧波補償組，并根據電網典型諧波電流有效值隨其頻次增高而大幅減少的特點，指定低頻段次諧波補償組低開關頻率、大電流輸出，指定高頻段次諧波補償組高開關頻率、小電流輸出，同時相同指定頻段次諧波補償組內，采用移相PWM抵消輸出開關次諧波。這種多機分次式諧波補償架構使得整機有效輸出最大化和總輸出紋波最小化，這樣在輸出電流相同紋波不變的情況下，并機單元并網電感的可選感量最 小化，從而單機動態性能最優化，直流電壓和電網電壓不變情況下最大理論輸出電流最大化。(2)各并機單元的雙端輸出分別通過兩組母線匯流，雙補償點并網，負載電流檢測CT位于雙補償點中間。這種結構將整機分為連網側補償點的前向組和連負載側補償點的后向組，其中前向組諧波補償開環，后向組諧波補償閉環，從而整機諧波補償開閉環結合，既具開環補償的動態快速響應特性，又具閉環補償的穩態高精度特性，另外整機的前向組和后向組無需再特別連線或是控制系統干預即可自動實現冗余模式運行。(3)多機并聯，并機單元采用雙VSC交互并聯結構，即雙VSC直流側共用電容，交流側雙端分別串并網電感和共模電感并至電網。這種結構提升單機輸出容量的同時，DC側無源器件無需增加，DC直流電壓無需提升，而且雙VSC間的零序環流抑制容易，通過共模電感和合理的PWM方式即可有效抑制。
圖I為本發明整機系統結構圖；圖2為本發明雙VSC交互并聯功率單元結構圖；圖3為本發明整機系統運行方式示意圖；圖4為本發明單元控制器的控制策略框圖；圖5為本發明整機系統諧波控制模型；圖6(a)為功率單元I后向部分A相輸出電流波形圖，圖6(b)為功率單元2后向部分A相輸出電流波形圖，圖6(c)為后向組A相總輸出電流波形圖，圖6(d)為功率單元I前向部分輸出電流波形圖，圖6(e)為功率單元2前向部分輸出電流波形圖，圖6(f)為前向組A相總輸出電流波形圖，圖6(g)為整機A相輸出電流波形圖，圖6(h)為網側A相電流波形圖，圖6(i)為負載A相電流波形圖；圖7 (a)至圖7 (f)分別為圖6 (a)至圖6 (f)的FFT分析柱狀圖，圖7 (g)為圖6 (h)的FFT分析柱狀圖，圖7 (h)為圖6⑴的FFT分析柱狀圖；圖8 (a)為負載三相電流波形圖，圖8 (b)為圖8 (a)的FFT分析圖，圖8 (c)為功率單元I后向部分輸出電流波形圖(CHl)、功率單元2后向部分輸出電流波形圖(CH2)以及后向組總輸出電流波形圖(CH3)，圖8(d)為裝置三相總補償電流波形圖，圖8(e)為A相網側電流波形圖(CH2)、A相補償電流波形圖(CH3)、A相負載電流波形圖(CH4)以及電網AB線電壓波形圖(CHl)，圖8 (f)為圖8 (c)的細節展開圖，圖8 (g)為整機補償諧波的動態響應波形圖，其中CHl為A網側電流波形圖、CH2為A相補償電流波形圖、CH3為A相負載電流波形圖，圖8(h)為網側三相電流波形圖，圖8 (i)為圖8(h)的FFT分析圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
本發明整機系統結構如圖I所示。整機多機并聯，并機單元采用雙VSC交互并聯結構，即雙VSC直流側共用電容，交流側雙端分別串并網電感和共模電感并至電網；各并機單元的雙端輸出分別經兩組母線匯流，雙補償點并網，即圖中前向組母線及其網側補償點、后向組母線及其負載側補償點；負載諧波電流檢測CT位于雙補償點中間，其檢測電流信號(石)送入各單元控制器；各單元控制器與整機主控制器通過光纖或總線通訊互聯。所述主控制器主要負責向各功率單元下發同步信號以及采集各功率單元的運行數據。本發明雙VSC交互并聯功率單元結構如圖2所示。單元控制器輸入負載諧波電流檢測CT信號(互)、雙VSC輸出電流檢測CT信號(/^、S)、網側線電壓檢測PT信號( )以及直流側電壓檢測PT信號(Ud。)，通過內部運算，最終輸出控制并機單元主電路IGBT的PWM信號；并機單元主電路雙VSC的交流側雙端串聯并網電感和共模電感后分別并至前向組母線和后向組母線，其中共模電感用來有效濾除雙VSC間的零序環流。本發明整機系統運行方式如圖3所示。并機單元分為前向部分、共直流部分和后向部分，前向部分輸出匯流前向組母線接至網側補償點，后向部分輸出匯流后向組母線接至負載側補償點，即雙母線匯流雙補償點并網；負載諧波電流檢測CT位于雙補償點中間，其檢測電流信號(&)送入各并機單元；整機前向補償組，諧波補償開環運行；整機后向補償組，諧波補償閉環運行；按照補償電流頻段，整機功率單元I N分為指定次頻段前向(后向)補償組I n，其中低頻段補償組低開關頻率、大電流輸出而高頻段補償組高開關頻率、小電流輸出，整機系統有效輸出最大化；相同頻段前向(后向)補償組內部分，按有效值均分補償電流，移相PWM運行抵消開關次紋波，最小化總輸出紋波。本發明單元控制器的控制策略框圖如圖4所示。單元控制器包括直流電壓控制外環、前向和后向諧波電流分次控制內環、電網電壓PLL模塊、PWM載波移相同步模塊、第一 PWM模塊和第二 PWM模塊。直流電壓控制外環輸入直流電壓給定值(Udc; Mf)和直流電壓(Ud。)的偏差信號、網側電壓PLL模塊輸出，輸出基波正序有功指令電流(Icx\>_,ef ),分別至前向和后向諧波電流分次控制內環，將直流側電容電壓穩定在給定值附近；電網電壓PLL模塊輸入電網電壓(E )，輸出電網電壓基波正序實時相位(Pro7);前向諧波電流分次控制內環輸入雙補償點間電流(S)和前向部分輸出電流(忘)的偏差、直流電壓控制外環輸出的基波正序有功指令電流(!Cl* P _ ref )和前向部分輸出電流(/S )的偏差，輸出前向部分指令電壓(WJf),再至第一 PWM模塊輸出主電路前向部分PWM驅動信號；后向諧波電流分次控制內環直接輸入雙補償點間電流($ )直流電壓控制外環輸出的基波正序有功指令電流(Id* P — ref )和后向部分輸出電流(/ra)的偏差，輸出后向部分指令電壓(Ib rtf ),再至第二 PWM模塊輸出主電路后向部分PWM驅動信號；PWM載波移相同步模塊接收主控制器發出的同步信號，同步前向和后向部分的PWM模塊載波相位，實現移相PWM。圖5所示為本發明整機系統諧波控制模型，是為了更好的描述本發明所提出的雙補償點并網、開閉環結合的控制方法。HiF(s) (i = I N)為前向部分等效環節，HiB(s) (i =I N)為后向部分等效環節，IciF(s) (i = I N)為前向部分輸出電流，IciB(s) (i = I N)為后向部分輸出電流。這樣網側電流瓦、雙補償點間電流石和負載側電流五的關系如下
權利要求
1.一種基于雙VSC交互并聯諧波補償開閉環結合的APF裝置，包括主控制器和多個并聯的雙VSC交互并聯功率單元，所述多個并聯的雙VSC交互并聯功率單元采用雙VSC交互并聯結構，所述雙VSC交互并聯功率單元包括前向部分、共直流部分和后向部分，所述共直流部分共用電容，前向部分和后向部分分別依次串聯并網電感和共模電感，分別經前向組母線和后向組母線匯流，分別通過網側補償點和負載側補償點并至電網，網側補償點和負載側補償點之間的負載電流信號送入各雙VSC交互并聯功率單元。
2.根據權利要求I所述基于雙VSC交互并聯諧波補償開閉環結合的APF裝置，其特征在于所述前向部分和后向部分均采用諧波電流分次補償，按所補償電流的頻段分為前向或后向的各指定頻段次諧波補償組，將指定低頻段次諧波補償組低開關頻率、大電流輸出，將指定高頻段次諧波補償組高開關頻率、小電流輸出，同時相同指定頻段次諧波補償組內，采用移相PWM抵消開關次諧波。
3.根據權利要求I所述基于雙VSC交互并聯諧波補償開閉環結合的APF裝置，其特征在于還包括主控制器，所述雙VSC交互并聯功率單元還包括單元控制器，所述主控制器向各單元控制器發送同步信號，所述單元控制器輸入負載電流信號、雙VSC輸出電流信號、網側線電壓信號和所述電容兩端的直流電壓信號，輸出控制雙VSC的PWM信號。
4.根據權利要求3所述基于雙VSC交互并聯諧波補償開閉環結合的APF裝置，其特征在于所述單元控制器包括直流電壓控制外環、前向諧波電流分次控制內環、后向諧波電流分次控制內環、電網電壓PLL模塊、PWM載波移相同步模塊、第一 PWM模塊和第二 PWM模塊，所述直流電壓控制外環輸入直流電壓給定值和所述電容兩端的直流電壓信號的偏差信號、網側電壓PLL模塊輸出，輸出基波正序有功指令電流，分別至前向諧波電流分次控制內環和后向諧波電流分次控制內環；電網電壓PLL模塊輸入電網電壓，輸出電網電壓基波正序實時相位；前向諧波電流分次控制內環輸入負載電流信號和前向部分輸出電流的偏差、直流電壓控制外環輸出的基波正序有功指令電流和前向部分輸出電流的偏差，輸出前向部分指令電壓，再至第一PWM模塊輸出前向部分PWM驅動信號；后向諧波電流分次控制內環輸入負載電流信號、直流電壓控制外環輸出的基波正序有功指令電流和后向部分輸出電流的偏差，輸出后向部分指令電壓，再至第二 PWM模塊輸出主電路后向部分PWM驅動信號；PWM載波移相同步模塊接收主控制器發出的同步信號，分別向所述第一 PWM模塊和第二 PWM模塊發送載波移相同步信號。
全文摘要
本發明公開了一種基于雙VSC交互并聯諧波補償開閉環結合的APF裝置，包括主控制器和多個并聯的雙VSC交互并聯功率單元，雙VSC交互并聯功率單元采用雙VSC交互并聯結構，包括前向部分(開環補償)、共直流部分和后向部分(閉環補償)，共直流部分共用電容，前向部分和后向部分分別依次串聯并網電感和共模電感，分別經前向組母線和后向組母線匯流，分別通過網側補償點和負載側補償點并至電網，網側補償點和負載側補償點之間的負載電流信號送入各雙VSC交互并聯功率單元。本發明使整機有效輸出最大化的同時總輸出紋波最小化，有效抑制了雙VSC間的零序環流，整機兼具開環補償的動態快速響應特性和閉環補償的穩態高精度特性。
文檔編號H02J3/01GK102882210SQ201210378490
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月8日 優先權日2012年10月8日
發明者曹武, 趙劍鋒, 劉康禮, 江楠 申請人:東南大學