[发明专利]并联单相H桥级联型有源电力滤波器控制装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力滤波器的控制装置及其方法，尤其是涉及一种应用于电力电子谐波治理和无功补偿领域的对并联单相H桥级联型有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）进行控制的装置及其方法。

背景技术

随着电力电子设备的广泛应用，电网中的谐波污染日趋严重。同时，多数电力电子设备功率因数较低，给电网带来了额外的无功负担。因此，抑制谐波及提高功率因数已引起人们的广泛关注。近年来，随着轨道交通的迅速发展，以牵引供电系统为代表的大容量单相负载对电能质量的影响日益突出。电力系统中其它单相负荷，如：单相电弧炉、加热装置等，亦会引起严重的电能质量问题。由于这些负荷具有随机性，必然需要高性能的谐波抑制及无功补偿装置对其进行治理。

有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）被认为是进行谐波治理及无功补偿最有前途的实现方式。有源电力滤波器通常分为两种基本结构：并联型与串联型。由于安装及维护方便，并联型有源电力滤波器在实际应用中占主导地位。级联H桥多电平变流器能直接输出高压而无需连接变压器，输出电压频谱特性很好，开关器件承受的电压应力较小，且易于实现模块化设计。通过采用载波移相正弦脉冲宽度调制（Carrier Phase Shifted SPWM，CPS-SPWM），基于级联H桥拓扑结构的高压变频器及静止无功补偿器已得到广泛应用。然而，对级联H桥有源电力滤波器的应用研究尚处于起步阶段，且研究内容主要涉及三相系统，级联H桥有源电力滤波器在单相系统中的应用研究还非常少。因此，研究级联H桥大功率单相有源电力滤波器具有非常重要的理论及现实意义。

在高压大容量谐波抑制及无功补偿领域，目前针对无功补偿的应用研究很多，对基于有源电力滤波器的谐波抑制技术，相关的研究则较少。谐波抑制与无功补偿是两个相对独立的问题，但两者亦有紧密联系，无功功率的定义与谐波关系密切，产生谐波的装置通常也会消耗无功。在处理与谐波或无功有关的电能质量问题时，往往需要将谐波抑制与无功补偿综合考虑，有源电力滤波器无疑是抑制谐波及补偿无功最为理想的实现方式。高压大容量有源电力滤波器的基本控制原理与低压有源电力滤波器的基本控制原理具有相似性。但是，高压大容量有源电力滤波器的研究需要额外关注如何有效提高主电路的电压及电流等级，并保证装置运行可靠性。

目前，与大容量单相有源电力滤波器研究相关的现有技术文献主要有如下几篇：

现有技术1为湖南大学于2007年02月15日申请，并于2007年08月15日公开，公开号为CN101017978A中国发明专利申请《大功率有源滤波器的控制方法》。该专利方法针对混合型有源滤波器，方法的实现步骤包括：检测电网侧谐波电流，计算电网谐波电流的补偿量。检测负载侧谐波电流，计算负载谐波电流的补偿量。检测滤波器支路的基波电流、直流侧电压，计算直流侧电容电压控制量。将电网谐波电流的补偿量、负载谐波电流的补偿量、和基波电流的补偿量相加，得到有源滤波器中逆变器的控制信号。现有技术1面向一种混合型APF，需要采用连接变压器，并且无法补偿无功。为实现直流侧电压控制，必须额外增加基波谐振电路。在工程应用中，基于模糊控制的直流电压控制策略需要根据现场实际工况进行调整，通用性不佳。另外，对于影响有源电力滤波器性能的关键环节—参考电流检测算法，此专利没有进行阐述。

现有技术2为中国科学院电工研究所于2006年09月30日申请，并于2007年03月21日公开，公开号为CN1933274A中国发明专利申请《H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制方法》。该专利提出一种H桥级联型有源电力滤波器直流侧电容电压均衡控制方法。控制方法首先将电网、负载系统所需补偿的谐波及无功电流作为有源电力滤波器期望的补偿电流。期望的补偿电流与从电网吸收的基波正序有功电流之和作为APF参考电流，经过电流跟踪控制器，得到APF逆变器期望输出电压，使APF输出电流跟踪参考电流。根据级联单元电容电压偏差和APF输出电流，通过电容电压均衡控制器，计算出级联单元输出电压微调量，对期望输出电压进行微调，从而调节单元电容的充、放电时间，以此实现悬浮电容电压的均衡控制。现有技术2提出了一种有别于脉冲轮换技术的三相级联型H桥APF直流侧电压控制策略。为抑制电压畸变对直流侧电压控制算法的影响，需要在同步/静止坐标变换环节中加入低通滤波器，从而会增大计算量及引入延时。在参考电流检测方面，现有技术2采用传统的i_p-i_q检测法，需要引入锁相环节与低通滤波器，锁相环易受电压畸变及频率波动的影响，低通滤波器的滤波效果与响应速度难以兼顾。