CN102522751A - 一种主动抑制电网谐波的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主动抑制电网谐波的控制方法，采用基于瞬时无功功率的谐波电流检测方法，可以精确检测和分离出谐波分量；为了使输出电流控制达到比传统PI控制更好的效果，确定了以模糊PI闭环调节为核心的复合控制策略，因此，也实现了PI参数在线调整和优化，有效抑制了由谐波负载和器件带给电网的谐波。

Description

一种主动抑制电网谐波的控制方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种主动抑制电网谐波的控制方法。

背景技术

随着分布式发电系统的广泛应用，其并网问题也引起了越来越多的关注，并且功率设备和系统引起的谐波和无功功率问题给电网带来的困扰日趋严重。实际中，由于电力电子设备的广泛使用，使电网中产生了大量谐波，而谐波电流对用电设备的危害很大，会造成电能质量严重劣化，对各种电气设备、继电保护装置、计算机、测量仪器以及通信系统产生不利影响，危及电力系统安全和经济运行。

目前，谐波检测和抑制的研究从未间断，但由于电力系统的谐波受非线性、非平衡型、随机性和复杂性等因素影响，进行准确的检测和抑制谐波并非易事。利用RC无源滤波检测补偿方法虽然简单，但对不稳定的电网和变负载系统来说，可靠性低，实时性差；利用PI控制器和瞬时无功功率瞬时有功功率理论的方法有力地推动了有源电力滤波器技术的发展，但由于负载的非线性和运行状态的改变，调节常规的PI参数有一定难度，因此寻找一种实现PI参数在线调整和优化的主动式谐波抑制的控制方法是非常有意义的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种主动抑制电网谐波的控制方法，通过基于瞬时无功功率的谐波电流检测，精确检测和分离出谐波分量；确定了以模糊PI闭环调节为核心的复合控制策略，有效抑制由谐波负载带给电网的谐波。

该方法具体按如下步骤进行：

步骤1：设定电网中的三相电压和三相电流的瞬时值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c；

步骤2：三相电压和电流的瞬时值通过Clark变换到α-β两相正交的坐标系中，得到α-β两相瞬时电压e_α、e_β和两相瞬时电流i_α、i_β；

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right],\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中，变换矩阵 $C_{3/2}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

步骤3：两相瞬时电流i_α、i_β通过变换矩阵C变换到旋转的p-q坐标系中，i_p和i_q在p-q坐标系中变换为直流形式，即 $\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中， $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right];$

步骤4：通过低通滤波函数对i_p和i_q进行滤波，得到电网中对应的基波电流直流分量I_p和I_q；

步骤5：将基波电流直流分量I_p和I_q通过步骤2到步骤4的反变换计算得到三相电路的基波电流i_af，i_bf，i_cf，反变换的变换矩阵分别为： $C^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right],$ $C_{2/3}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ 将基波电流i_af，i_bf，i_cf取反加上电网的瞬时电流i_a、i_b、i_c后，得到电流谐波分量i_ah，i_bh，i_ch，即从瞬时电流中减去基波电流得到谐波电流；

步骤6：将电流谐波分量i_ah，i_bh，i_ch反极性后加上与电网电压同相位的正弦信号sin ωt作为给定电流信号将逆变器输出的电流实际值i_c作为反馈，与

进行做差运算，得到电流的偏差信号Δi_c，此偏差信号Δi_c经过模糊PI控制后得到载波控制信号；

由于谐波电流的特点，调节常规的PI参数有一定难度，利用模糊控制方法，可以实现PI参数的在线调整和优化，符合谐波控制的特点。

模糊PI控制有两个输入变量为e和ec，两个输出变量为kp和ki。设输入变量e和ec的论域为[-3，3]，隶属度函数有7个，为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，即为[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]，生成输入变量e，ec的隶属度函数，然后对控制规则进行编辑。kp和ki的模糊规则表为：

根据模糊规则可以实时对k_p，k_i进行实时调节，克服由于谐波负载的非线性和谐波电流时变性及其高变化率的特点引起的PI控制器参数k_p，k_i调节困难，由于模糊控制器和PI控制器的双重作用，较传统的PI控制器，能够更加快速，稳定地跟踪给定信号；

步骤7：经过模糊PI控制后得到载波控制信号与高频三角调制波进行实时比较，得到逆变器所需要的PWM脉冲信号；

同普通的PWM控制方式不同，模糊PI控制不直接将

与三角波比较，而是将偏差信号Δi_c经模糊PI控制处理后再与高频三角调制波比较，形成脉冲信号控制逆变器；这样，控制是基于偏差信号Δi_c最小来实现的，有助于控制的准确性；

步骤8：生成的PWM脉冲信号直接驱动IGBT，完成逆变过程；逆变器输出的电流并入电网，消除由于负载带来的谐波。

本发明方法所包括采用的装置包括：电流互感器CT、电压互感器PT、谐波检测电路、三相不可控桥式整流电路、控制器和电阻性负载。电流互感器的输入端和电压互感器的输入端均接入电网，电流互感器的输出端和电压互感器的输出端接至谐波检测电路输入端，谐波检测电路输出端连接控制器输入端口，控制器的输出端口与逆变器相连，三相不可控桥式整流电路输入端接入电网，三相不可控桥式整流电路输出端接电阻性负载。

有益效果：本发明采用基于瞬时无功功率的谐波电流检测，可以精确检测和分离出谐波分量；为了使输出电流控制达到比传统PI控制更好的效果，确定了以模糊PI闭环调节为核心的复合控制策略，因此，也实现了PI参数在线调整和优化，有效抑制了由谐波负载带给电网的谐波。

附图说明

图1本发明实施例主动抑制谐波检测原理图；

图2本发明方法控制原理图；

图3本发明实施例模糊PI控制原理图；

图4本发明方法流程图；

图5本发明方法采用的控制装置结构框图；

图6本发明实施例仿真实验电路原理图；

图7本发明实施例电网电流波形图；

图8本发明实施例谐波电流波形图；

图9本发明实施例谐波抑制后的电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，主动抑制谐波的原理如图1所示，本发明方法的控制原理如图2所示，本发明方法所采用的装置结构如图5所示，本实施例通过MATLAB7.0软件，仿真实验执行本方法，采用三相电压源模拟电网信号，三相电压源连接电流检测电路输入端，得到三相电流为i_a、i_b、i_c，三相电压源连接三相不可控桥式整流电路输入端，三相不可控桥式整流电路输出端接电阻性负载。三相电流i_a、i_b、i_c通过Clark变换模块得到两相有功与无功电流的交流量。三相电压经过锁相环环节得到与三相电压同相位的相位信号，两相有功与无功电流经过低通滤波器(LPF)模块得到基波电流直流分量，通过Clark逆变换模块得到三相基波电流，与原各相电流相减，得到各相的谐波电流。检测到的谐波电流和电网电流作运算后进入模糊PI控制器，依次经过算法比较，与逆变器输出电流构成闭环，通过模糊PI调节后和高频三角波进行比较，得到6路脉冲控制信号。脉冲信号作为逆变器的输入信号加给逆变器，逆变器输出经滤波环节加到电网侧，达到并网目的。仿真实验电路原理如图6所示。

本发明方法具体流程如图4所示，按如下步骤执行：

步骤1：设定电网中的三相电压和三相电流的瞬时值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c；三相电压为380V，A相相位0°，B相相位-120°，C相相位120°，电流波形如图7所示；

步骤2：三相电压和电流的瞬时值通过Clark变换到α-β两相正交的坐标系中，得到α-β两相瞬时电压e_α、e_β和两相瞬时电流i_α、i_β；

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中，变换矩阵 $C_{3/2}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

步骤3：两相瞬时电流i_α、i_β通过变换矩阵C变换到旋转的p-q坐标系中，i_p和i_q在p-q坐标系中变换为直流形式，即 $\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中， $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right];$

步骤4：通过低通滤波函数对i_p和i_q进行滤波，得到对应的基波电流直流分量I_p和I_q；

步骤5：将基波电流直流分量I_p和I_q通过步骤2到步骤4的反变换计算得到三相电路的基波电流i_af，i_bf，i_cf，反变换的变换矩阵分别为： $C^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right],$ $C_{2/3}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ 将基波电流i_af，i_bf，i_cf取反加上电网的瞬时电流i_a、i_b、i_c后，得到电流谐波分量i_ah，i_bh，i_ch，即从瞬时电流中减去基波电流得到谐波电流；谐波电流波形如图8所示；总谐波失真THD＝30.79％；

步骤5：将电流谐波分量i_ah，i_bh，i_ch反极性后加上与电网电压同相位的正弦信号sin ωt作为给定电流信号

将逆变器输出的电流实际值i_c作为反馈，与

进行做差运算，得到电流的偏差信号Δi_c，此偏差信号Δi_c经过模糊PI控制后得到载波控制信号；模糊PI控制原理如图3所示；

模糊PI控制有两个输入变量为e和ec，两个输出变量为kp和ki。设输入变量e和ec的论域为[-3，3]，隶属度函数有7个，为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，即为[负大，负中，负小，零，正小，正中，正大]，生成输入变量e，ec的隶属度函数，然后对控制规则进行编辑。kp和ki的模糊规则表为：

根据模糊规则可以实时对k_p，k_i进行实时调节，克服由于谐波负载的非线性和谐波电流时变性及其高变化率的特点引起的PI控制参数k_p，k_i调节困难，由于模糊控制器和PI控制器的双重作用，较传统的PI控制器，能够更加快速，稳定地跟踪给定信号；

步骤6：经过模糊PI控制后得到载波控制信号与高频三角调制波进行实时比较，得到逆变器所需要的PWM脉冲信号；

同普通的PWM控制方式不同，模糊PI控制方式不直接将与三角波比较，而是将偏差信号Δi_c经模糊PI控制处理后再与高频三角调制波比较，形成脉冲信号控制逆变器；这样，控制是基于偏差信号Δi_c最小来实现的，有助于控制的准确性；

步骤7：生成的PWM脉冲信号直接驱动IGBT，完成逆变过程；逆变器输出的电流并入电网，消除由于负载带来的谐波。谐波抑制后的电流波形如图9所示。THD＝2.87％，本发明方法有效抑制了谐波电流。

Claims (1)

1.一种主动抑制电网谐波的控制方法，其特征在于：具体按如下步骤进行：

步骤1：设定电网中的三相电压和三相电流的瞬时值分别为e_a、e_b、e_c和i_a、i_b、i_c；

步骤2：三相电压和电流的瞬时值通过Clark变换到α-β两相正交的坐标系中，得到α-β两相瞬时电压e_α、e_β和两相瞬时电流i_α、i_β；

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right],$ $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{3/2}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right],$ 其中，变换矩阵 $C_{3/2}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

步骤3：两相瞬时电流i_α、i_β通过变换矩阵C变换到旋转的p-q坐标系中，i_p和i_q在p-q坐标系中变换为直流形式，即 $\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right],$ 其中， $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right];$

步骤4：通过低通滤波函数对i_p和i_q进行滤波，得到电网中对应的基波电流直流分量I_p和I_q；

步骤5：将基波电流直流分量I_p和I_q通过步骤2到步骤4的反变换计算得到三相电路的基波电流i_af，i_bf，i_cf，反变换的变换矩阵分别为： $C^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right],$ $C_{2/3}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ 将基波电流i_af，i_bf，i_cf取反加上电网的瞬时电流i_a、i_b、i_c后，得到电流谐波分量i_ah，i_bh，i_ch，即从瞬时电流中减去基波电流得到谐波电流；

步骤6：将电流谐波分量i_ah，i_bh，i_ch反极性后加上与电网电压同相位的正弦信号sin ωt作为给定电流信号

将逆变器输出的电流实际值i_c作为反馈，与

进行做差运算，得到电流的偏差信号Δi_c，此偏差信号Δi_c经过模糊PI控制后得到载波控制信号；

步骤7：经过模糊PI控制后得到载波控制信号与高频三角调制波进行实时比较，得到逆变器所需要的PWM脉冲信号；

步骤8：生成的PWM脉冲信号直接驱动IGBT，完成逆变过程；逆变器输出的电流并入电网，消除由于负载带来的谐波。

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