Z源逆变并联有源电力滤波器及其控制方法

摘要

本发明公开了一种Z源逆变并联有源电力滤波器及其控制方法，包括电网、非线性负载、输出电感器、Z源逆变器和控制电路；Z源逆变器包括直流源、双向开关、Z源网络和逆变器，直流源通过Z源网络与逆变器连接，在直流源的正极端与Z源网络间接有一双向开关；控制系统包括控制器、传感器单元和电源单元，传感器单元包括检测电网电压的电压传感器、检测非线性负载电流的电流传感器、检测逆变器的补偿指令电流的电流传感器和检测直流源电压的电压传感器，控制器采集上述传感器的信号，并通过采集的电压值、电流值对双向开关以及逆变器进行控制。本发明取消了开关信号中的死区时间，降低了控制复杂度，输出电流波形基本不受直流电压的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Z源逆变并联有源电力滤波器及其控制方法。

背景技术

如图1所示，现有的并联有源电力滤波器是采用基于VSI逆变器的主电路， VSI逆变器与电网间通过输出滤波电路和阻抗电感连接，直流侧由电容器组构 成。

如图2所示，现有并联有源滤波器的控制电路能够实时的检测、计算负载 电流中的谐波电流、无功电流、三相不平衡和负序电流，并根据补偿模式确定 输出补偿电流的指令值i_C^*。直流侧电容器组在VSI逆变器中主要是起电压支撑作 用，其电压V_C必须维持相对稳定，因此在控制电路在确定补偿电流指令时，为 了控制电容器组电压V_C的稳定而加入有功电流i_P^*。总的输出指令电流与当前实 际补偿电流i_C之间的差值Δi_C。该并联有源电滤波器的控制电路再根据上述差值 Δi_C、电网电压U_G、阻抗电感值L确定VSI逆变器的输出电压指令U₁^*，使得在一 个开关周期T内的电流变化增量与Δi_C相同，即满足下式：

$\Delta i_C={\int }_0^T\frac{U_G-U_1^{*}}{L}\mathrm{dt}.$

这就导致现有方案存在以下几点不足：

（1）采用电容器组作为直流侧电压支撑的VSI逆变器，其上下桥臂的开关 器件不能同时导通，否则会造成电容器两极短路，烧坏开关器件和电容器。为 了防止上下桥臂直通，控制系统在确定开关器件的开关状态时，必须加入死区 时间，这必然会导致输出波形偏离控制目标，恶化补偿效果；即便加入死区， 控制系统仍然必须加入对直通故障的检测、保护功能，增加了控制系统复杂度。

（2）现有并联有源电滤波器输出的补偿谐波电流会造成有功功率波动，电 容器组的漏电流、均压电阻也会造成一定的有功功率损耗，所以直流侧电容器 电压控制复杂，必须在补偿指令电流中加入有功电流分量，才能够保证直流侧 电压的稳定，致使直流电压控制与输出补偿电流控制不能解耦；有功电流加入 到补偿指令电流中也恶化了补偿效果。为了降低电压控制难度，直流侧电容器 往往采取增大容量的办法，但提高了成本。

（3）为了保证控制周期内的电流变化量达标，VSI逆变器的输出电压U₁的 幅值、相位都需要高度可控，必要时该电压U₁比电网电压U_G高得多。控制电路 采用任何输出控制算法，对直流电压的利用率都低于1，也就是说VSI逆变器的 直流侧电压必须要比U_G峰值高很多并且该电压要保持稳定才 能够保证补偿效果。直流电容器组恒定的电压水平导致并联有源电滤波器应用 灵活性降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种可靠的Z源逆变并联有源电力滤波器及其控制方 法。

本发明提供的这种Z源逆变并联有源电力滤波器，包括电网、非线性负载、 输出电感器、Z源逆变器和控制电路；Z源逆变器包括直流源、双向开关、Z源 网络和逆变器，直流源通过Z源网络与逆变器连接，在所述直流源的正极端与Z 源网络之间接有一个双向开关；所述逆变器的输出端串联输出电感器后接于电 网与非线性负载之间；所述控制系统包括控制器、传感器单元和电源单元，传 感器单元包括用于实时检测电网电压的电压传感器、用于实时检测非线性负载 电流的电流传感器、用于实时检测逆变器的补偿指令电流的电流传感器和用于 实时检测直流源电压的电压传感器，控制器采集上述传感器的测量信号，用于 通过采集的电压值、电流值对双向开关以及逆变器进行控制。

所述直流源采用储能电容器组，用于直流侧补充电容器漏电和补充谐波有 功功率波动；所述直流源或采用电压不稳定的直流电源，用于实现电能的双向 流动以及有功功率的并网。所述双向开关采用IGBT器件。所述Z源网络为一个 二端口网络，用于为所述逆变器提供等效直流电压支撑；该Z源网络包括电感L₁、 电感L₂及交叉接于电感L₁以及电感L₂之间的电容C₁和电容C₂。所述逆变器采用由 若干半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路。所述半导体开关器件采用IGBT 器件，其无需短路保护，且其工作状态无需加入死区。

Z源逆变并联有源电力滤波器的控制方法包括如下步骤：

步骤1，所述控制器获取电网电压U_G、非线性负载的电流i_L、逆变器的补偿 指令电流i_C和直流源电压U_DC；

步骤2，所述控制器根据所述Z源逆变器的工作模式，计算出所述逆变器在 控制周期中的直通状态时间占比D；再通过所述占比D调节所述储能电容器组 的电压在规定范围内，并能够保证所述Z源逆变器直流侧等效电压的稳定；

步骤3，控制器对电网电压U_G和非线性负载的电流i_L做点积得到瞬时有功功 率P(t)，通过对上述二者做叉积得到瞬时无功功率Q(t)；再通过低通滤波器将时 变分量滤除，得到基波正序的有功功率P和无功功率Q；将基波正序的有功功率 P和无功功率Q分别除以U_G²并相加后获得负载电流中包含的基波正序电流i_f；用 负载电流i_L减去所述基波正序电流i_f得到补偿指令电流i_C^*；用当前实际补偿指令 电流i_C减去所述补偿指令电流i_C^*得到电网电压U_G和控制周期T之内的指令电流 变化量Δi_C；再由所述指令电流变化量Δi_C根据下式计算得到所述逆变器输出指令 电压U₁^*，

$U_1^{*}=\frac{\mathrm{L\Delta }{i}_C}{T}-U_G$

式中，L为输出电感器的电感值；然后根据逆变器输出指令电压U₁^*运用 SVPWM算法计算得到非零矢量的输出时间T₁；最后根据所述输出时间T₁，并结 合所述直通状态时间占比D，运用SVPWM算法计算IGBT器件的开关模式S_A,B,C；

步骤3，控制器根据所述IGBT器件的开关模式S_A,B,C，对所述逆变器的各 IGBT器件实时控制；控制器根据占空比对双向开关的通断进行控制。

所述步骤2中在求解所述IGBT器件开关模式S_A,B,C时，应保持直流源电压U_DC的变化范围在设定范围内。所述直流源电压U_DC低于最低门限值时，在输出补偿 指令电流i_C^*中加入固定的基波有功电流分量，所述Z源逆变器吸收部分有功功率 并对所述储能电容器组进行充电，充电至直流源电压U_DC达到最高门限值时，停 止吸收有功功率。

与现有技术方案相比，本发明具有如下优势：

（1）本发明的逆变器开关状态除了常规的6个非零电压矢量、2个零电压 矢量外，多了1个上下桥臂直通的零矢量，因此逆变器的开关控制中无需加入 死区，短时间内的直通状态也不会烧坏开关器件、直流源以及Z源网络。

（2）本发明采用直流源和Z源网络等构成直流侧后，逆变器的直流电压控 制主要由直通零矢量完成，与输出补偿电流控制实现解耦，降低了控制复杂度、 输出电流波形基本不受直流电压的影响。

（3）本发明逆变器直流侧的电压支撑功能和储能功能各自独立，电压支撑 功能主要由Z源网络承担，储能功能主要由直流侧电容器承担。储能电容器组 的电压可以变化而不影响补偿效果。此外，储能电容器组可以替换为光伏电池、 蓄电池或者燃料电池，便于与新能源发电、分布式储能系统等联合使用，系统 功能的灵活性大大提高。

（4）本发明通过直通占比控制直流侧等效电压，取消了开关信号中的死区 时间，并且简化器件保护。

附图说明

图1是现有技术的并联有源电力滤波器主电路图。

图2是现有技术的并联有源电力滤波器控制流程图。

图3是本发明的主电路图。

图4是本发明Z源逆变器直通状态下逆变器前端的等效电路图。

图5是本发明Z源逆变器非直通状态下逆变器前端的等效电路图。

图6是本发明的控制流程图。

具体实施方式

本发明包括Z源逆变器构成的主电路和相应的控制电路。

一、Z源逆变器构成的主电路。

Z源逆变器构成的主电路包括电网、非线性负载、输出电感器、Z源逆变器 和控制电路；Z源逆变器包括直流源、双向开关、Z源网络和逆变器，直流源通 过Z源网络与逆变器连接，在直流源的正极端与Z源网络之间接有一个双向开关； 控制系统包括控制器、传感器单元和电源单元，传感器单元包括用于实时检测 电网电压的电压传感器、用于实时检测非线性负载电流的电流传感器和用于实 时检测直流源电压的电压传感器，控制器采集上述传感器的测量信号，用于通 过采集的电压值、电流值对双向开关以及逆变器进行控制。

本发明的直流源优选采用储能电容器组，用于直流侧补充电容器漏电和补 充谐波有功功率波动。该直流源还可以采用其他直流电源代替，比如说光伏电 池、燃料电池、永磁同步发电机、可充电蓄电池等。这些直流电源的电压不能 为0，也不能都在一定范围内变化，用于实现电能的双向流动以及有功功率的并 网。

本发明的双向开关可采用高速可控的IGBT器件。

本发明的Z源网络为一个由若干电感和若干电容组成的二端口网络，用于为 逆变器提供等效直流电压支撑。

逆变器采用由若干半导体开关器件组成的三相桥式逆变电路。半导体开关 器件无需短路保护，且其工作状态无需加入死区。本发明的半导体开关器件优 选采用IGBT器件。

如图3所示，本发明的Z源逆变器构成的主电路包括电网、非线性负载、输 出电感器L和Z源逆变器。Z源逆变器包括电容器组C、双向开关S、Z源网络和逆 变器。Z源网络包括电感L₁、电感L₂、电容器C₁和电容器C₂。

电容器组C的正极通过双向开关S串联电感L₁与逆变器的正极输入端连接； 电容器组C的负极通过电感L₂与逆变器的负极输入端连接；极性电容C₁的正极端 与电感L₁的与双向开关S连接侧连接，其负极端与电感L₂的与逆变器连接侧连 接；极性电容C₂的正极端与电感L₁的与逆变器连接侧连接，其负极端与电感L₂的 与电容器组C连接侧连接；逆变器的输出端通过输出电感器L与电网连接，该逆 变器的输出端通过输出电感器L还与非线性负载连接。

储能电容器组C的电压U_DC可以保持较低值，并且可以变化，电容器数量要 求较少，并且能起到储能的作用。由于其电压变化范围较大，也可以采用燃料 电池、光伏电池等替代电容器组作为储能单元，使并联有源电力滤波器兼具有 功功率并网功能。

Z源网络中的电容器C₁和电容器C₂均起到电压支撑的作用，与该网络中的电 感L₁和电感L₂共同为逆变器提供直流电压。

二、控制电路。

本发明的控制电路包括控制器、传感器单元和电源单元，传感器单元包括 用于实时检测电网电压的电压传感器、用于实时检测非线性负载电流的电流传 感器、用于实时检测逆变器的补偿指令电流的电流传感器和用于实时检测直流 源电压的电压传感器，控制器采集上述传感器的测量信号，然后通过采集的电 压值、电流值对双向开关以及逆变器进行控制。

由于本发明的电路结构发生改变，本发明的控制方法随之调整改变。

（1）Z源逆变器的工作模式。

除了常规VSI逆变器的8中工作状态之外，Z源逆变器还具有上下桥臂直 通的工作状态。

由于电路的对称性，可以假定稳定状态下U_C1=U_C2=u_C，U_L1=U_L2=u_L。

如图4所示，在Z源逆变器处于直通状态的工作模式下，双向开关S断开， 则有U_C=-U_L。如图5所示，在Z源逆变器处于非直通状态的工作模式下，双向 开关S导通，有U_C=U_L+U_DC。如果设定直通时间为T₀，整个开关周期为T，则非 直通时间为T₁=T-T₀，其直占比D=T₀/T，则支撑电容电压u_C与储能电容器组电压 U_DC的关系可以写成：

$u_C=\frac{{T-T}_0}{T-2T_0}=\frac{1-D}{1-2D}{U}_{\mathrm{DC}}$

由此可知，在上述非直通状态下，逆变器等效的直流电压为：

$U_i=2U_L+U_{\mathrm{DC}}=\frac{1}{1-2D}{U}_{\mathrm{DC}}$

（2）本发明的控制方法。

采用Z源逆变器以后，本发明的电流检测算法没有变化，但是其指令电流 计算以及主电路开关模式控制算法有了重大的变化，流程图如图6所示。

本发明的控制方法包括如下步骤：

步骤1，控制器获取电网电压U_G、非线性负载的电流i_L、逆变器的补偿指令 电流i_C和直流源电压U_DC。

步骤2，控制器根据Z源逆变器的工作模式，计算出逆变器在控制周期中的 直通状态时间占比D；再通过占比D调节储能电容器组的电压在规定范围内， 并能够保证Z源逆变器直流侧等效电压的稳定。

步骤3，控制器对电网电压U_G和非线性负载的电流i_L做点积得到瞬时有功功 率P(t)，通过对上述二者做叉积得到瞬时无功功率Q(t)；再通过低通滤波器将时 变分量滤除，得到基波正序的有功功率P和无功功率Q；将基波正序的有功功率 P和无功功率Q分别除以U_G²并相加后获得负载电流中包含的基波正序电流i_f；用 负载电流i_L减去基波正序电流i_f得到补偿指令电流i_C^*；用当前实际补偿指令电流 i_C减去补偿指令电流i_C^*得到电网电压U_G和控制周期T之内的指令电流变化量Δi_C； 再由指令电流变化量Δi_C根据下式计算得到逆变器输出指令电压U₁^*，

$U_1^{*}=\frac{\mathrm{L\Delta }{i}_C}{T}-U_G$

式中，L为输出电感器的电感值；然后根据逆变器输出指令电压U₁^*运用SVPWM 算法计算得到非零矢量的输出时间（非直通状态时间）T₁；最后根据输出时间 T₁，并结合上述逆变器的直通状态时间占比D，运用SVPWM算法计算IGBT器件 的开关模式S_A,B,C，此时应保持储能电容器组电压U_DC的变化范围在预先设定范围 内。

步骤3，控制器根据所IGBT器件的开关模式S_A,B,C，对逆变器的各IGBT器件 实时控制。

瞬时功率中的基波正序成分，在瞬时有功功率P(t)和瞬时无功功率Q(t)表现 为直流分量，而基波零序、负序、谐波电流等成分在瞬时有功功率P(t)和瞬时无 功功率Q(t)中全部表现为时变分量。

当储能电容器组电压U_DC低于最低门限值时，在输出补偿指令电流i_C^*中加入 固定的基波有功电流分量，此时逆变器会吸收部分有功功率并对储能电容器组 进行充电，充电至储能电容器组电压U_DC达到最高门限值时，停止吸收有功功率。 储能电容器组储存的电能只是用来补偿电容器的漏电流，而谐波有功功率在基 波周期内积分为0，因此吸收有功功率的工作状态在Z源逆变器中只占非常小的 部分，并且有功电流幅值固定，对于补偿效果的影响微乎其微。

本发明采用Z源逆变器后能够直接并网，向电网输送有功功率而不再需要 DC-DC电压保持环节，大大降低了系统复杂度和电路成本。本发明还可以通过 控制系统中输出指令电流的计算方法，方便的实现多种功能。