CN102412579B - 一种基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，该方法针对链式STATCOM内环电流控制采用双序电流解耦控制的场合，在内环控制带宽较低情况下对谐波电流指令进行校正，保证谐波电流补偿精度。该补偿方法对负载电流和换流器输出电流分别进行FFT分析，然后计算负载电流幅值和换流器输出电流幅值的误差，负载电流相位和换流器输出电流相位的误差，根据误差分别对谐波电流幅值与相位指令进行校正，最后对校正后的幅值/相位进行重构得到链式换流器谐波电流指令。本发明考虑了控制器带宽和延时对谐波补偿精度的影响，使输出电流与负载谐波电流误差保持在滞环宽度之内，提高了谐波补偿精度，具有较强的工程实用价值。

Description

一种基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法

技术领域

本发明属于电力电子装置控制技术领域，具体涉及一种基于快速傅里叶变换(Fast FourierTransform)的谐波电流补偿方法。

背景技术

链式换流器在工程中应用广泛，其由多个单相换流链构成，每个单相换流链由至少一个单相链节(即图1中的级联模组1，2...n)构成，链节与链节之间可通过串联或并联相连接，每个链节包括H桥型电压源换流器。

链式换流器具有诸多优点，可以实现独立分相控制，有利于解决系统的相间平衡问题。其所有链接的基本单元结构完全相同，可以实现模块化设计，便于扩容和维护，并避免了因开关器件直接串并联使用而产生的问题。链式换流器采用普通变压器接入系统，避免了多重化变压器带来的问题，减小了占地面积，降低了装置成本。此外，多电平链式换流器的输出的谐波可忽略，不需要滤波器。

然而，链式结构引发的问题是直流侧电容电压波动剧烈及直流电容电压不平衡，协调控制难度较大。当系统电压不平衡时，存在负序电流使换流器交流侧电流不对称，影响STATCOM正常运行。采用双序电流解耦控制对链式STATCOM输出电流正、负序分量进行独立控制，可以改善其在系统电压不平衡情况下的控制性能，且便于实现基于负序电流的链式STATCOM相间功率平衡控制。该控制在实际应用中对正负序电流的提取采用派克变换法，得到的正负序分量中除了正负序直流分量以外均含有2次谐波。为了充分发挥PI调节器对直流分量的无静差控制特性，在控制系统中加入陷波器对2次谐波电流进行滤除。然而，在电流控制回路中加入陷波器将会导致控制回路带宽降低，延时增大，进而对谐波电流补偿精度造成影响。需设计谐波电流补偿算法，提高控制系统在低带宽情况下对谐波电流的补偿精度。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的提出一种基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿算法，该算法通过对谐波电流指令幅值和相位的的独立控制达到提高换流器补偿负载谐波电流精度的目的。

本发明提供的一种基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其改进之处在于：

所述补偿方法包括如下步骤：

(1)对负载电流和链式换流器输出电流进行所述快速傅里叶变换分析，分别得到所述负载电流谐波分量幅值/相位的偏差和所述链式换流器输出电流谐波分量幅值/相位的偏差；

(2)对步骤(1)的两个所述偏差进行滞环控制；

(3)根据步骤(2)的结果决定谐波电流的幅值指令和相位指令的校正方向；

(4)在每个采样周期对所述谐波电流的幅值指令和相位指令进行校正，得到考虑控制器带宽影响的谐波电流幅值指令和相位指令；

(5)对步骤(4)得到的谐波电流的幅值指令和相位指令进行重构；

(6)进行派克变化，得到dq坐标系下的谐波电流指令；

(7)将步骤(6)谐波电流指令叠加到正序电流控制指令中，实现对负载谐波电流的补偿。

本发明提供的第一优选方案的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其改进之处在于：对谐波电流的校正在频域中实现；通过对需要补偿的谐波电流的幅值指令和相位指令分别进行校正，得到校正后的谐波电流幅值与相位信号，经过谐波电流重构环节得到校正后的时域谐波电流指令。

本发明提供的第二优选方案的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其改进之处在于：对谐波电流的幅值指令和相位指令采用实时滞环调节的控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)对链式换流器输出电流与负载电流进行快速傅里叶变换分析，分别得链式换流器输出电流幅值信号、相位信号和负载电流的幅值信号、相位信号；

2)分别求取负载谐波电流幅值信号误差、负载谐波电流相位信号误差、输出谐波电流幅值信号误差和输出谐波电流相位信号误差，将所述的4个误差分别对应与幅值信号的误差滞环宽度和相位信号的误差滞环宽度作比较，根据滞环控制的输出确定谐波电流幅值指令和相位指令的调节方向；

3)进行滞环控制：当负载谐波电流幅值与输出谐波电流幅值误差在滞环宽度范围内时谐波电流幅值指令不变；当负载谐波电流幅值与输出谐波电流幅值误差大于滞环宽度且为正时，谐波电流幅值指令、增大以减小该误差；当负载谐波电流幅值与输出谐波电流幅值误差大于滞环宽度且为负时，谐波电流幅值指令减小以减小该误差；谐波电流相位滞环控制原理与幅值滞环控制原理相同；

4)在所述每个采样周期循环步骤1)-步骤4)，通过对谐波电流指令的调节降低输出电流与负载谐波电流的误差，提高链式换流器补偿负载谐波电流的精度。

本发明提供的第三优选方案的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其改进之处在于：所述控制器采用双序电流解耦控制，双序电流解耦控制环节包括正序电流控制与负序电流控制；

所述正序电流控制为，将三相正序电流指令的dq轴分量i_pd ^*、i_pq ^*与测量所得的换流器输出正序电流的dq轴分量i_pd、i_pq相减所得的偏差经过比例积分调节器后，与dq轴电流耦合量ωL_fci_pq、ωL_fci_pd以及系统电压的dq轴分量e_pd、e_pq进行数学运算后得到正序调制波电压的dq轴分量

所述负序电流控制为，将三相负序电流指令的dq轴分量i_nd ^*、i_nq ^*与测量所得的换流器输出负序电流的dq轴分量i_nd、i_nq相减所得的偏差经过比例积分调节器后，与dq轴电流耦合量ωL_fci_nq、ωL_fci_nd以及系统电压的dq轴分量e_nd、e_nq进行数学运算后得到负序调制波电压的dq轴分量

将得到的所述正序调制波电压和负序调制波电压分别进行坐标变换到αβ坐标系下相加得到后进行克拉克反变换，得到三相调制波电压参考值

控制换流器输出实现闭环控制。

本发明提供的第四优选方案的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其改进之处在于：所述步骤(1)负载电流谐波分量和所述链式换流器输出电流谐波分量为同次的谐波分量。

本发明的控制方法具有以下优点：

1)所述补偿算法间接对谐波电流指令幅值和相位进行独立实时校正，可以解决控制器带宽较低情况下对谐波电流的精确补偿。

2)所述补偿算法采用实时滞环控制的方法，保证了输出电流补偿负载谐波电流的精度。

3)所述补偿算法有效解决了控制器延时对谐波电流补偿相位的影响，具有较强的工程实用价值。

4)所述补偿算法适用于采用链式H桥换流器的其他FACTS装置谐波电流补偿的场合，适用范围宽广。

5)本发明提出基于负序电流的换流链平均直流电压的控制方法基于负序电流的换流链平均直流电压控制策略，具有控制目标明确，响应速度快，控制效果良好等优点。

附图说明

图1是级联H桥链式STATCOM主电路拓扑结构图；

图2是链式换流器双序电流控制实现框图；

图3是abc-dq派克变换示意图；

图4是本发明的谐波电流补偿算法实现框图。

其中BSF+LPF为100Hz陷波+200Hz低通。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的控制方法作进一步详细的说明。

所述内容中的系统电压，负载电流，链式换流器输出电流均由测量环节获得。在电气量信号用于实现控制目标时，已进行滤波处理和归算。

为了更清楚的阐述本发明的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿算法的工作原理，现结合级联H桥型STATCOM控制算法分析说明，该STATCOM结构如附图1所示。每相由N个具有独立直流电容的级联型单相逆变器串联而成，三相换流链采用星型接法。图中u_sA、u_sB、u_sC为所在系统的交流电压，i_fa、i_fb、i_fc分别为STATCOM输出电流，i_La、i_Lb、i_Lc分别为STATCOM所在系统的负载电流，L_fa、L_fb、L_fc为系统连接电抗器。

链式结构中每相包含多个H桥链节，链节差异性和实际控制中存在的触发脉冲延时等因素导致链节直流电压不平衡，容易发生过压故障导致装置跳闸。因此链式STATCOM对直流电压控制要求较高。

当系统电压不平衡时，STATCOM所在交流系统存在负序电流使换流器交流侧电流不对称，影响STATCOM正常运行。采用双序电流解耦控制对链式STATCOM输出电流正、负序分量进行独立控制，可以改善其在系统电压不平衡情况下的控制性能，且便于实现基于负序电流的链式STATCOM相间功率平衡控制，该控制框图如图2所示。

图中i_pd ^*为正序有功电流指令，i_pq ^*为正序无功电流指令。i_pd ^*由全局直流电压控制输出与谐波电流指令d轴分量i_{h_dref}叠加构成，i_pq ^*由无功电流指令i_qdref与谐波电流q轴分量i_hqref叠加构成。i_nd ^*、i_nq ^*为负序电流直流电压控制指令。该控制输出为调制波电压U_ma、U_mb、U_mc。e_pd、e_pq、e_nd、e_nq分别为系统电压正、负序分量，i_pd、i_pq、i_nd、i_nq分别为STATCOM输出电流正、负序分量。该电压和电流中均含有2次谐波分量，该分量由系统电压和STATCOM输出电流分别经过正、反向派克变换(派克变换示意图如图3所示)之后经过100Hz陷波，200Hz低通滤波得到。滤除后只含有相应的直流分量，采用PI调节器可实现正负序电流的无静差控制。

谐波电流补偿的目的是使STATCOM输出电流与负载电流中的谐波分量相同。然而，当电流控制回路中加入陷波器之后，控制回路带宽降低，进而导致STATCOM输出谐波电流相位延时增大，谐波幅值降低，需对要补偿的各次谐波电流幅值和相位进行单独校正，即可达到谐波补偿精度的要求。

以STATCOM补偿n次谐波电流为例。假设负载电流中的n次谐波幅值与相位分别为i_{Ln_mag}和i_{Ln_phs}，谐波电流检测算法检测到的负载电流中的谐波幅值与相位分别为i_{Dn_mag}和i_{Dn_phs}，STATCOM输出电流中的n次谐波幅值与相位分别为i_{fn_mag}和i_{fn_phs}。实现理想的谐波电流补偿应满足以下关系式。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fn}\_\mathrm{mag}}=i_{\mathrm{Dn}\_\mathrm{mag}}=i_{\mathrm{Ln}\_\mathrm{mag}}\\ i_{\mathrm{fn}\_\mathrm{phs}}=i_{\mathrm{Dn}\_\mathrm{phs}}=i_{\mathrm{Ln}\_\mathrm{phs}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在实际的谐波电流补偿中谐波电流检测与谐波电流控制均存在误差。考虑检测算法存在的误差ΔD_mag和ΔD_phs可以得到以下关系式。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{Dn}\_\mathrm{mag}}+\mathrm{\Δ}{D}_{\mathrm{mag}}=i_{\mathrm{Ln}\_\mathrm{mag}}\\ i_{\mathrm{Dn}\_\mathrm{phs}}+\mathrm{\Δ}{D}_{\mathrm{phs}}=i_{\mathrm{Ln}\_\mathrm{phs}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

考虑双序电流解耦控制带宽影响以及控制器延时造成的误差ΔC_mag和ΔC_phs可以得到以下关系式。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{fn}\_\mathrm{mag}}+\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{mag}}=i_{\mathrm{Dn}\_\mathrm{mag}}\\ i_{\mathrm{fn}\_\mathrm{phs}}+\mathrm{\Δ}{C}_{\mathrm{phs}}=i_{\mathrm{Dn}\_\mathrm{phs}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

对比以上三式可以看出，谐波电流幅值、相位指令i_{Dn_mag}和i_{Dn_phs}为谐波电流控制的中间环节，通过对i_{Dn_mag}和i_{Dn_phs}的控制可以实现输出电流对负载谐波电流的精确补偿。

附图4为本发明的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿算法整体示意图。本发明基于快速傅里叶变换的谐波电流控制方法是：

图中i_L为负载电流，i_f为STATCOM输出电流。i_{Ln_mag}，i_{Ln_phs}分别为负载电流n次谐波幅值与相位信号，I_{fn_mag}，I_{fn_phs}分别为STATCOM输出电流n次谐波幅值与相位信号。STATCOM谐波补偿的目的就是为了补偿负载电流对系统电流造成的谐波污染。因此补偿的目的是为了使谐波幅值i_{Ln_mag}与I_{fn_mag}，谐波相位i_{Ln_phs}与I_{fn_phs}的误差尽可能小。在控制中加入了误差滞环控制，采用实时校正的方法，对每个采样点的谐波电流指令和STATCOM输出电流的幅值偏差、相位偏差分别与滞环宽度作比较，当误差小于滞环宽度时输出为0，保持当前的谐波电流指令不变；当误差大于滞环宽度时根据误差的正负号确定输出为1或-1，对谐波电流指令的幅值和相位进行校正，达到调节输出电流的目的。最后对校正后的幅值和相位进行重构得到STATCOM谐波电流指令。经过dq变换后得到谐波电流dq分量I_{h_dref}和I_{h_qref}加入正序电流指令中实现谐波输出。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (5)

1.一种基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其特征在于：

所述补偿方法包括如下步骤：

（1）对负载电流和链式换流器输出电流进行所述快速傅里叶变换分析，分别得到所述负载电流谐波分量幅值/相位的偏差和所述链式换流器输出电流谐波分量幅值/相位的偏差；

（2）对步骤（1）的两个所述偏差进行滞环控制；

（3）根据步骤（2）的结果决定谐波电流的幅值指令和相位指令的校正方向；

（4）在每个采样周期对所述谐波电流的幅值指令和相位指令进行校正，得到考虑控制器带宽影响的谐波电流幅值指令和相位指令；

（5）对步骤（4）得到的谐波电流的幅值指令和相位指令进行重构；

（6）进行派克变换，得到dq坐标系下的谐波电流指令；

（7）将步骤(6)谐波电流指令叠加到正序电流控制指令中，实现对负载谐波电流的补偿。

2.如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其特征在于：对谐波电流的校正在频域中实现；通过对需要补偿的谐波电流的幅值指令和相位指令分别进行校正，得到校正后的谐波电流幅值与相位信号，经过谐波电流重构环节得到校正后的时域谐波电流指令。

3.如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其特征在于：对谐波电流的幅值指令和相位指令采用实时滞环调节的控制方法，所述方法包括如下步骤：

1）对链式换流器输出电流与负载电流进行快速傅里叶变换分析，分别得链式换流器输出电流幅值信号、相位信号和负载电流的幅值信号、相位信号；

2）分别求取负载谐波电流幅值信号误差、负载谐波电流相位信号误差、输出谐波电流幅值信号误差和输出谐波电流相位信号误差，将所述的4个误差分别对应与幅值信号的误差滞环宽度和相位信号的误差滞环宽度作比较，根据滞环控制的输出确定谐波电流幅值指令和相位指令的调节方向；

3）进行滞环控制：当负载谐波电流幅值与输出谐波电流幅值误差在滞环宽度范围内时谐波电流幅值指令不变；当负载谐波电流幅值与输出谐波电流幅值误差大于滞环宽度且为正时，谐波电流幅值指令增大以减小该误差；当负载谐波电流幅值与输出谐波电流幅值误差大于滞环宽度且为负时，谐波电流幅值指令减小以减小该误差；谐波电流相位滞环控制原理与幅值滞环控制原理相同；

4）在所述每个采样周期循环步骤1)-步骤4)。

4.如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其特征在于：所述控制器采用双序电流解耦控制，双序电流解耦控制环节包括正序电流控制与负序电流控制；

所述正序电流控制为，将三相正序电流指令的dq轴分量i_pd ^*、i_pq ^*与测量所得的换流器输出正序电流的dq轴分量i_pd、i_pq相减所得的偏差经过比例积分调节器后，与dq轴电流耦合量ωL_fci_pq、ωL_fci_pd以及系统电压的dq轴分量e_pd、e_pq进行数学运算后得到正序调制波电压的dq轴分量

所述负序电流控制为，将三相负序电流指令的dq轴分量i_nd ^*、i_nq ^*与测量所得的换流器输出负序电流的dq轴分量i_nd、i_nq相减所得的偏差经过比例积分调节器后，与dq轴电流耦合量ωL_fci_nq、ωL_fci_nd以及系统电压的dq轴分量e_nd、e_nq进行数学运算后得到负序调制波电压的dq轴分量

将得到的所述正序调制波电压和负序调制波电压分别进行坐标变换到αβ坐标系下相加得到后进行克拉克反变换，得到三相调制波电压参考值控制换流器输出实现闭环控制。

5.如权利要求1所述的基于快速傅里叶变换的谐波电流补偿方法，其特征在于：所述步骤（1）负载电流谐波分量和所述链式换流器输出电流谐波分量为同次的谐波分量。

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