LCL型有源电力滤波器及其控制方法与流程

本发明涉及有源滤波器技术领域，特别涉及LCL型有源电力滤波器及其控制方法。

背景技术：

有源滤波器是利用变流器输出电流补偿掉负载谐波电流实现滤波功能的。这就需要有源滤波器输出电流满足两个条件，一是幅值和补偿的谐波电流幅值相等；二是相位和补偿的谐波电流相位相反。所以其对电流控制的要求很高。

相比与传统的L型有源滤波器，LCL型有源滤波器可以兼顾低频段增益和高频段的衰减，是有源滤波器的发展方向，但是LCL滤波器的高阶特性使其存在谐振的问题。影响了其对输出电流的控制，使其在幅值和相位上难以和指令值保持一致。

目前有源电力滤波器的输出滤波网络逐渐LCL网络，因为相对与L型网络，LCL可以兼顾低频段增益和高频段的衰减，但是LCL网络固有的谐振特性使得控制更加复杂。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种LCL型有源电力滤波器及其控制方法，该控制方法在变流器侧电感电流闭环控制的基础上，加入有源阻尼控制和相位补偿控制，使LCL型有源电力滤波器的输出电流准确跟踪指令值。保证了LCL型有源电力滤波器的滤波效果。

为达到上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种LCL型有源电力滤波器，包括变流器T1、LCL滤波电路和控制系统；所述的变流器T1一侧并联直流电容C，另一侧为LCL滤波电路；所述LCL滤波电路包含滤波电容C_f，变流器T1侧连接滤波电感L₁；电网侧连接滤波电感L₂；控制系统分别通过滤波电感L₁电流采样电路、滤波电容C_f电压采样电路、直流电容C电压采样电路、负载电流采样电路与单相变流器T1的输出端、滤波电容C_f、直流电容C及负载连接；控制系统对变流器T1侧滤波电感L₁的电流进行闭环控制。

所述的有源电力滤波器的输出滤波采用LCL型滤波器。

所述的变流器T1为单相或三相变流器。

一种基于LCL型有源电力滤波器的控制方法，包括以下步骤：

1)对负载电流进行谐波检测，得到电流中谐波的幅值和相位；

2)对滤波电容电压进行谐波检测，得到滤波电容电压中谐波的相位，对滤波电容电压进行基波相位检测，得到基波电压相位；由滤波电容电压中谐波的相位和负载电流中谐波的相位经过计算得到补偿相位；

3)谐波电流指令的幅值等于负载电流中谐波的幅值，得到谐波电流指令的幅值信息，谐波电流指令的相位等于负载电流中谐波的相位加上补偿相位，得到谐波电流指令的相位信息；谐波电流指令由谐波电流指令的幅值和谐波电流指令的相位组成；

4)通过直流电容电压指令减去直流电容电压得到误差值，再经过比例积分控制器，得到基波电流幅值，由基波电流幅值和基波电压相位得到基波电流指令；

5)进而通过基波电流指令加上谐波电流指令得到电流生成环节中的电流指令；

6)结合电流指令对有源电力滤波器的变流器侧电感电流进行闭环控制，电流环控制器采用比例控制方式得到调制波。

作为本发明的进一步改进，在变流器侧电感电流闭环控制中加入交流滤波电容电压的比例前馈，实现电容并联虚拟电阻的控制；其中的虚拟电阻控制是采样滤波电容电压经过比例环节后加入到电流指令中。

作为本发明的进一步改进，所述的补偿相位，其生成方法如下：

第一步：采样滤波电容电压，提取谐波成分相位信息，得到滤波电容谐波电压相位信息；

第二步：采样负载电流，提取谐波成分相位信息，得到负载谐波电流相位信息；

第三步：将负载谐波电流相位减去90°再减去滤波电容谐波电压相位得到误差值；

第四步：将第三步计算结果的误差值经过比例积分控制器，得到补偿相位值。

相对与现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的LCL型有源电力滤波器的控制系统通过采集直流电容电压、变流器侧滤波电感电流、滤波电容电压及负载电流进行控制变流器侧滤波电感L₁输出一个互补的谐波电流，实现滤波功能。

本发明提出的LCL型有源电力滤波器控制方法，在变流器侧电感电流闭环控制的基础上，加入有源阻尼控制和相位补偿控制，使LCL型有源电力滤波器的输出电流准确跟踪指令值。利用电容并联虚拟电阻的控制方式抑制有源滤波器输出谐波电流幅值的放大；利用交流电容电压的闭环控制补偿输出电流相位滞后。利用所提出的控制方法可以使LCL型有源滤波器输出电流幅值和相位和指令值保持一致，通过引入虚拟阻尼控制和相位补偿控制有效的提高LCL型有源滤波器的滤波效果。

进一步，在变流器侧电感电流的控制环中加入交流滤波电容电压的比例前馈，实现电容并联虚拟电阻控制。抑制有源滤波器输出谐波电流幅值的放大。

【附图说明】

图1无电压采样有源谐波电阻装置电路拓扑图；

图2为变流器侧电感电流闭环控制流程图；

图3为电流闭环比例控制方式；

图4为电容电压前馈环；

图5为谐波电流指令生成环节；

图6为谐波电流相位指令生成环节。

【具体实施方式】

本发明的LCL型有源电力滤波器控制方法可以适用于单相及三相系统。现以单相系统为例说明其具体控制方法。

单相LCL型有源电力滤波器电路拓扑如图1，由一个单相变流器T1、直流电容C、变流器侧滤波电感L₁、网侧滤波电感L₂、滤波电容C_f、变流器侧滤波电感电流采样电路、滤波电容电压采样电路、直流电容电压采样电路、负载电流采样电路和控制电路组成。所述的单相变流器T1一侧并联直流电容C，另一侧为LCL滤波电路，包含滤波电容C_f，变流器T1侧连接滤波电感L₁；电网侧连接滤波电感L₂；控制系统分别通过滤波电感L₁电流采样电路、滤波电容电压采样电路、直流电容电压采样电路、负载电流采样电路与单相变流器T1的输出端、滤波电容C_f、直流电容C及负载连接。

该装置检测负载电流并提取其中的谐波成分，通过控制变流器侧滤波电感L₁输出一个互补的谐波电流，实现滤波功能。

本发明控制算法中，在电流指令生成环节加入相位补偿控制，具体流程如图2所示：

图2所示的电流生成环节中，电流指令由两部分组成：基波电流指令用于控制有源电力滤波器直流侧电压，谐波电流指令用于生成谐波补偿电流。其中谐波电流指令由谐波电流指令幅值信息和谐波电流指令相位信息组成；谐波电流指令的幅值等于负载电流中谐波的幅值，谐波电流指令相位等于负载电流中谐波的相位加上补偿相位组成；补偿相位由滤波电容谐波电压的相位和负载的谐波电流相位经过计算得到。对有源电力滤波器的变流器侧电感电流闭环控制。控制流程图如图2所示。

电流环控制器采用比例控制方式，如图3所示。

在变流器侧电感电流的控制环中加入交流滤波电容电压的比例前馈，实现电容并联虚拟电阻控制。电容电压前馈环如图4所示。

谐波电流环指令由幅值指令和相位指令构成，如图5所示。

电流相位指令，变流器侧电感电流指令的相位值由负载谐波电流相位和相位补偿量构成，如图6所示。

相位补偿量的生成方法如下：

第一步：采样交流电容电压，提取谐波成分相位信息，得到滤波电容谐波电压相位信息；

第二步：采样负载电流，提取谐波成分相位信息，得到负载谐波电流相位信息；

第三步：将负载谐波电流相位减去90°再减去滤波电容谐波电压相位得到误差值。

第四步：将第三步计算结果的误差值经过比例积分控制器，得到补偿相位值。

本LCL型有源电力滤波器控制方法，通过引入虚拟阻尼控制和相位补偿控制可以改善LCL型有源电力滤波器的滤波效果。