CN101534011A - 一种配电网有源滤波静止无功补偿的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网有源滤波静止无功补偿的控制方法，由数据采集系统采集的实时数据进行计算处理；提出采集的电流数据中的基波分量；由采集的电流算出补偿的参考电流；计算各电压电流量的有效值和平均值；基于电流参考值和实际测量值计算下一个控制周期的各相PWM占空比，在无差拍的基础上加入了补偿系数和死区控制；将有效值、平均值、软故障信息通过双口RAM传递给定点数字处理器。本发明性能良好，动态响应迅速，能有效减小发出电流的毛刺和过零点的畸变，并抑制了开关频率附近的谐波，大大减少了开关频率附近的高次谐波，不受系统参数的影响，精确提取出指令电流；各个部分模块化设计，结构清晰，便于跟踪维护。

Description

一种配电网有源滤波静止无功补偿的控制方法

技术领域

本发明涉及一种新的配电网有源滤波静止无功补偿的控制方法，具体说是基于改进的Deadbeat(无差拍)算法的PWM(脉宽调制)控制方法，其控制系统由高性能数字信号处理器(DSP)实现。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，电网中增加了大量的非线性负载，尤其是大容量变流设备的广泛使用，导致大量谐波注入电网，使电网电压和电流波形发生畸变，电能质量日益下降。谐波已成为电网的一大公害。

为了抑制电网谐波，传统方法采用无源滤波器。这种方法具有结构简单、设备投资低、运行可靠性高和维护方便等优点，但也存在许多缺陷，如只能消除特定次谐波、存在与电网发生谐振的可能、滤波特性受系统参数的影响比较大、消耗大等。

目前，阻碍有源滤波器发展的关键技术有两点：电流检测方法和补偿电流的产生。电流检测的方法主要有：(1)基于频域运算的方法。用带通滤波器首先分离出负载电流中的基波分量和谐波分量，然后再使用电路理论中的计算方法将基波电流分解为基波有功分量和基波无功分量。该方法能自动跟踪电网频域的波动而自适应地提取基波分量，但仍存在较大延迟、实时性差、补偿效果不好等缺陷。(2)瞬时空间矢量法。该方法包括p-q法，ip-iq法以及d-p法等。其中p-q法最早应用，仅适用于对称且无畸变的电网；而ip-iq法既对电网电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网；d-p法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电网。(3)基于现代控制理论的检测方法。最早应用的有基于P-I控制器的方法。因P-I控制器的特性不能适应负载及电网的变化，因此后来又提出了滑模控制及模糊控制等现代控制方法。它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需电网电流的基波有功分量幅值，然后计算出所需补偿电流的值。(4)自适应检测法和基于神经网络控制法等新检测方法。

补偿电流的产生通常采用基于PWM的电压源逆变器，其电流控制方法主要有以下几种：(1)三角载波线性控制。它以指令电流与实际补偿电流之间的差值作为调制信号，与高频三角载波相比较，从而得到逆变器开关器件所需要的控制信号。其优点是动态响应好，开关频率固定，电路简单，缺点是开关损耗较大，且输出波形中含有载波频率及其谐波频率的高频畸变分量。(2)滞环比较控制。它是将指令电流值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合，从而达到逆变器输出值实时跟踪指令电流值。与三角载波线性控制相比，滞环比较控制具有开关损耗小，动态响应快等特点。缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。带宽固定时，开关频率会随补偿电流变化而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪声。(3)无差拍控制。这是一种全数字化的控制技术，它利用前一时刻的指令电流和实际补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。优点是动态响应很快，易于计算机执行，缺点是计算量大，且对系统参数依赖性较大。

以上控制方法中，基于模拟控制技术的三角载波线性控制法和滞环比较控制法是目前有源电力滤波器普遍采用的方法，可以通过多重化技术、自适应滞环等改进措施来克服固有的缺陷，提高其使用效率。基于全数字化控制技术的无差拍控制法随着数字信号处理器(DSP)运算速度的不断提高，也将在有源电力滤波器中得到广泛的应用。近年来，一些学者又提出了基于内模控制、滑模控制及神经网络控制等的非线性控制方法应用于补偿电流产生的方案。这些非线性控制具有良好的应用前景，但在各种负载条件下的补偿特性尚需进一步研究。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术中有源滤波控制方法不完善、检测电流不精确、补偿电流跟踪不够迅速、补偿效果不理想的缺陷，提出一种简单易行、安全可靠的配电网有源滤波静止无功补偿的控制方法。

本发明的技术方案是依序采用如下步骤：

(1)由数据采集系统采集的实时数据进行计算处理；

(2)从双口RAM中读取来自控制芯片的控制参数，读取实时原始数据，并把计算出来的占空比数据送到双口RAM上；

(3)将步骤(1)经计算的实时数据和步骤(2)的占空比数据进行预计算；

(4)提出采集的电流数据中的基波分量；

(5)由采集的电流算出补偿的参考电流；

(6)计算各电压电流量的有效值和平均值；

(7)由步骤(5)计算出的参考电流和装置允许发出的最大无功电流比较，如果超出额定容量则在无差拍算法中限制在额定容量输出；

(8)由步骤(5)计算出的参考电流和装置允许发出的最大电流比较，如果超出额定容量则在无差拍算法中限制在额定容量输出；

(9)根据步骤(6)，(7)，(8)的结果，基于电流参考值和实际测量值计算下一个控制周期的各相PWM占空比，在无差拍的基础上加入了补偿系数和死区控制；

(10)根据步骤(6)的结果判断各项参数是否正常，故障判断结果送入双口RAM到控制芯片；

(11)根据步骤(6)的结果判断直流母线电压是否正常，故障判断结果送入双口RAM到控制芯片；

(12)将有效值、平均值、软故障信息通过双口RAM传递给定点数字处理器。

本发明的有益效果是：

1、利用瞬时无功方法检测电流和改进的无差拍算法，且加入了预测系数和死区控制，性能良好，动态响应迅速，能有效减小发出电流的毛刺和过零点的畸变，并抑制了开关频率附近的谐波，大大减少了开关频率附近的高次谐波，不受系统参数的影响，精确提取出指令电流。

2、各个部分模块化设计，结构清晰，便于跟踪维护。

附图说明

图1是本发明各个模块的工作流程图；

图2是图1中数据计算的程序框图；

图3是图1中双口RAM数据读写的程序框图；

图4是图1中预计算的程序框图；

图5是图1中数字滤波程序的程序框图；

图6是图1中参考电流计算的程序框图；

图7是图1中有效值和平均值的计算的程序框图；

图8是图1中无功电流判断的程序框图；

图9是图1中最大电流判断的程序框图；

图10是图1中改进的无差拍PWM计算的程序框图；

图11是图1中故障判断的程序框图；

图12是图1中直流母线电压判断的程序框图；

图13是图1中信息传递的程序框图；

图14是未加入死区控制时有源滤波器所发纯无功时的电流波形；

图15是加入死区控制时有源滤波器所发纯无功时的电流波形；

图16为瞬时无功理论计算指令电路示意图。

具体实施方式

本发明的整个算法在浮点数字处理器VC33上实现，工作流程见图1。主程序模块化设计包括：数据计算、双口RAM数据读写、预计算、数字滤波程序、参考电流计算、改进的无差拍PWM计算、有效值和平均值的计算、无功电流判断、最大电流判断、故障判断、直流母线电压判断、信息传递等12个模块。各个模块具体的算法流程如图2-13所示。

其中各部分模块的具体实现方式如下：

(1)数据计算

主要是将由数据采集系统采集的实时数据进行计算处理。包括系统线电压uab和ubc、系统电流ias、ibs、ics、装置输出电流iac、ibc、icc、直流母线电压udc等等，这些计算好的数据用作下面模块的输入数据。

如图2，首先，计算AD信号调整系数。AD信号调整系数换算公式：

X＝ad_data/K/1048576

其中，X：物理量实际值；K：信号调理通道综合系数，实际上是原始实际数据经过传感器和电阻变换后的比例系数；ad_data：DSPa模数转换的数字结果*1048576(因为2407A里将采样结果左移20位)。

由以上公式，可以将从数据采集系统过来的模数转换的数字结果进行处理计算，得出物理量实际值。此时，分别对采集过来的直流母线电压、AB之间线电压、BC之间线电压、CA之间线电压、A相电压、B相电压、C相电压、电力系统A相电流、电力系统B相电流、电力系统C相电流、装置输出三相电流、装置输出N相电流进行数据处理。

(2)双口RAM数据读写

如图3，该模块主要从双口RAM中读取来自控制芯片TMSLF2407的控制参数，读取实时原始数据，并把计算出来的占空比数据(加入死区控制)送到双口RAM上。它的作用实际就是我们控制算法与外部的交互：将外部控制参数的设置读出，作为算法输入或将算法算出的占空比送入控制芯片。

双口RAM数据读写分为三部分：从双口RAM中读出控制参数；从双口RAM中读出实时原始数据；写入占空比到双口RAM程序。

从双口RAM中读出控制参数包括：运行模式、装置发出无功的容量、直流母线电压控制目标数值、电流CT的原边和副边的数值、控制频率即开关器件的工作频率、三相电感和中线电感、允许发出的最大电流、控制周期、最小脉宽、比例系数、积分系数和允许发出的最大无功容量，最后写参数传递标志。

从双口RAM中读出实时原始数据包括：直流母线电压、周期计数、相位计数、AB和BC线电压、系统中三相电流值、装置发出的三相电流值。

向双口RAM写入占空比(A、B、C、N)，最后写0x8888标志。

(3)预计算

如图4，主要将上面两步的数据进行预计算，目的是为了节省VC33(浮点数字处理器)的计算资源。由之前算出的实时参数和从双口RAM读出的控制参数来计算一些不需要实时计算的系数、矩阵等内容，这些内容在控制参数传递以后就立刻计算，在下次参数传递前只计算这一次。

为了节省VC33(浮点数字处理器)的计算资源，一些不需要实时计算的系数、矩阵等内容在控制参数传递以后就立刻计算，在下次参数传递前只计算这一次。

计算内容包括32变换矩阵、时间基准、最大最小脉宽、AD的转换系数，一些变量如母线电压故障标志的也在这里复位。

(4)数字滤波程序

如图5，一个数字滤波程序，用于提出采集的电流数据中的基波分量，这样下面的模块可以直接调用它进行计算。

这是控制策略中的一个环节，将装置采集的数据在pq坐标系下进行滤波处理，以获取基波分量。

(5)参考电流计算

如图6，结合瞬时无功理论由采集的电流算出补偿的参考电流。其中，调用到上面预计算的矩阵和数字滤波程序。

这里是计算有源滤波-静止无功补偿装置输出的参考电流。

首先，计算A相的相位，接着计算PI参数，利用其来算出控制Udc的有功电流。然后，根据瞬时无功理论，由检测出的负载电流算出参考电流。

具体瞬时无功理论模型如图16所示，先计算变换矩阵，将负载电流通过32变换矩阵和c矩阵变换到pq坐标进行滤波处理，滤波程序直接调用已经写好的程序，处理完成后再通过c矩阵和23变换矩阵变换到abc坐标，这样就提取出基波电流，将原来的负载电流减去提取的基波电流就得到指令电流。

最终的指令电流为由负载算出的指令电流加上控制母线电压的有功电流。

(6)有效值和平均值的计算

如图7，根据2407A(定点数字处理器)送过来的原始数据，计算出来的各电压电流量的有效值和平均值结果，这个结果用于下面的故障判断和直流母线电压判断。

根据2407A(定点数字处理器)送过来的原始数据，计算出来的各电压电流量的有效值和平均值结果。将每个采样周期里的数据分别进行均方和、代数和累加，在每个公频周期内计算有效值和平均值，并算出最大无功电流和无功电流步长。

(7)无功电流判断

由第(5)步计算出的参考电流和装置允许发出的最大无功电流比较，如果超出额定容量则在无差拍算法中限制在额定容量输出。判断装置动态发出无功大小，以免超出装置的最大能力。根据ip算出瞬时有功功率，根据iq算出瞬时无功功率，根据容性和感性分别判断是否超出装置最大无功电流，如超出按装置额定输出，如图8所示。

(8)最大电流判断

由第(5)步计算出的参考电流和装置允许发出的最大电流比较，如果超出额定容量则在无差拍算法中限制在额定容量输出。对瞬时计算出来的电流参考值大小进行判断，以免超出装置的输出能力。分别对A、B、C、N各相计算出的补偿电流进行判断，如超出额定容量按额定电流大小输出，如图9所示。

(9)改进的无差拍PWM计算

根据步骤(6)、(7)、(8)步的结果，在这里基于电流参考值和实际测量值，如图10所示，计算出下一个控制周期的各相PWM占空比，其中在无差拍的基础上加入了补偿系数和死区控制。

这是基于电流参考值和实际测量值，计算出下一个控制周期的各相PWM占空比。

基于无差拍理论可以推导出如下公式：

$\mathrm{\Δ}{d}_u=\frac{1.5U_{\mathrm{dc}}+2(U_{\mathrm{AN}}-U_{\mathrm{BN}}+L\frac{i_a^{*}-i_a}{T}-L\frac{i_b^{*}-i_b}{T})+(U_{\mathrm{BN}}-U_{\mathrm{CN}}+L\frac{i_b^{*}-i_b}{T}-L\frac{i_c^{*}-i_c}{T})}{3U_{\mathrm{dc}}};$

$\mathrm{\Δ}{d}_v=\frac{1.5U_{\mathrm{dc}}-(U_{\mathrm{AN}}-U_{\mathrm{BN}}+L\frac{i_a^{*}-i_a}{T}-L\frac{i_b^{*}-i_b}{T})+(U_{\mathrm{BN}}-U_{\mathrm{CN}}+L\frac{i_b^{*}-i_b}{T}-L\frac{i_c^{*}-i_c}{T})}{3U_{\mathrm{dc}}};$

$\mathrm{\Δ}{d}_w=\frac{1.5U_{\mathrm{dc}}-(U_{\mathrm{AN}}-U_{\mathrm{BN}}+L\frac{i_a^{*}-i_a}{T}-L\frac{i_b^{*}-i_b}{T})-2(U_{\mathrm{BN}}-U_{\mathrm{CN}}+L\frac{i_b^{*}-i_b}{T}-L\frac{i_c^{*}-i_c}{T})}{3U_{\mathrm{dc}}};$

其中Δd_u、Δd_v、Δd_w分别为A、B、C三相下一周期的占空比，

分别为上一周期的三相电流参考指令，i_a、i_b、i_c分别为当前周期三相输出电流瞬时值，T为控制周期，L为并网滤波电感。

根据上面的公式，可以算出A、B、C三相的PWM占空比，本算法在以上原有无差拍算法基础上进行了改进，在上面式子计算

时根据大量的实验经验，加入了预测系数，改为如下：

$\mathrm{\Δ}{i}_a=i_a^{*}-(i_a+\mathrm{\Δ}{i}_{a0});$

$\mathrm{\Δ}{i}_b=i_b^{*}-(i_b+\mathrm{\Δ}{i}_{b0});$

$\mathrm{\Δ}{i}_c=i_c^{*}-(i_c+\mathrm{\Δ}{i}_{c0});$

$\mathrm{\Δ}{i}_n=i_n^{*}-(i_n+\mathrm{\Δ}{i}_{n0});$

Δi_a0＝0.3*Δi_a；

Δi_b0＝0.3*Δi_b；

Δi_c0＝0.3*Δi_c；

Δi_n0＝0.3*Δi_n；

使得装置补偿效果更好，运行更稳定，消除与系统发生谐振的可能。

另外，在算出PWM脉宽后，本算法加入了死区控制，其基本思想是：在输出电流i_a>0的情况下，将死区效应的影响看作为上桥臂关断和下桥臂开通时间滞后t_d；在输出电流i_a<0的情况下，将死区效应的影响看作为上桥臂开通和下桥臂关断时间滞后t_d。这样，在i_a>0的情况下，将调制得到的上桥臂关断时间电梯前t_d，在i_a<0的情况下，将调制得到的下桥臂关断时间电梯前t_d即可。未加入死区控制后和加入死区控制的波形分别如图13和14，可以看出加入死区控制后能有效减小发出电流的毛刺和过零点的畸变。

(10)故障判断

如图11所示，根据第(6)步的结果判断各项参数是否正常，故障判断结果送入双口RAM到控制芯片，作出保护措施。将VC33(浮点数字处理器)计算出来的各电压电流量的有效值和平均值进行故障诊断，并将诊断结果通过双口RAM送给2407A(定点数字处理器)。首先判断装置A、B、C三相输出的直流偏移，再判断AB、BC线电压是否过压或欠压，判断输出电流是否过流，母线电压是否过压。

(11)直流母线电压判断

如图12所示，根据第(6)步的结果判断直流母线电压是否正常，故障判断结果送入双口RAM到控制芯片，作出保护措施。判断直流母线电压当前所处的值是否可以保证装置正常运行，通过Udcok参数记录电压状态。

(12)信息传递

如图13所示，将有效值、平均值、软故障信息通过双口RAM传递给2407A(定点数字处理器)。实验结果表明，如图14和图15，在无差拍算法中加如预测系数和死区控制能有效减少所发电流的毛刺和过零点畸变，并大大减少了开关频率附近的高次谐波。

Claims (1)

1、一种配电网有源滤波静止无功补偿的控制方法，其特征是依序采用如下步骤：

(1)由数据采集系统采集的实时数据进行计算处理；

(2)从双口RAM中读取来自控制芯片的控制参数，读取实时原始数据，并把计算出来的占空比数据送到双口RAM上；

(3)将步骤(1)经计算的实时数据和步骤(2)的占空比数据进行预计算；

(4)数字滤波，提出采集的电流数据中的基波分量；

(5)由采集的电流算出补偿的参考电流；

(6)计算各电压电流量的有效值和平均值；

(7)由步骤(5)计算出的参考电流和装置允许发出的最大无功电流比较，如果超出额定容量则在无差拍算法中限制在额定容量输出；

(8)由步骤(5)计算出的参考电流和装置允许发出的最大电流比较，如果超出额定容量则在无差拍算法中限制在额定容量输出；

(9)根据步骤(6)、(7)、(8)的结果，基于电流参考值和实际测量值计算下一个控制周期的各相PWM占空比，在无差拍的基础上加入补偿系数和死区控制；

(10)根据步骤(6)的结果判断各项参数是否正常，将故障判断结果送入双口RAM到控制芯片；

(11)根据步骤(6)的结果判断直流母线电压是否正常，将故障判断结果送入双口RAM到控制芯片；

(12)将有效值、平均值、软故障信息通过双口RAM传递给定点数字处理器。

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