CN102832620A - 基于加窗全相位fft的apf谐波检测与控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，包括带非线性负载和有源电流滤波器的交流电网，其特征在于它是包括控制模块和检测模块；其工作方法包括：信号检测、触发指令、发出脉冲、产生补偿电流；其优越性在于：①简单、成本适中；②准确、实时地检测谐波电流的频率、幅值和相位，保障了APF的补偿性能；③提高了计算精度和实时性；④提高了APF的电流跟踪控制效果。

Description

基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统及方法

（一）技术领域：

本发明属于电能质量控制领域，尤其是一种基于加窗全相位FFT（Fast Fourier Transform——快速傅里叶变换）的APF（Active Power Filter——有源电力滤波器）谐波检测与控制系统及方法。

（二）背景技术：

近年来随着电力电子装置和非线性负载的日益广泛，电能质量得到了有效的提高。但是，随之而来的在配电网中诸如换流器、变频调速、电弧炉、电气化铁路、家用电子电器等各种设备不断增加，这些负荷的用电特性(非线性、冲击性和不对称性)使电力系统中电压和电流的波形发生较严重的畸变，形成严重的谐波问题。

传统的谐波治理与无功补偿方法是采用基于谐振原理的无源滤波器，但这样只能滤除设定次数的谐波，且易与电网产生串、并联谐振，滤波器参数的漂移导致滤波性能变差。从目前的国内外研究与使用情况来看，有源电力滤波器是未来的一个发展的主要趋势。

有源电力滤波器是一种动态的电力电子补偿装置，一般采用并联的方式并联于电源和负荷之间，能够弥补无源滤波器的缺点。具有很好的动态性能和谐波补偿特性。能否准确和快速的检测出谐波电流是有源滤波技术的关键。所以APF的准确检测方法的研究显得尤为重要。

有电力源滤波器的主要原理是检测负载电流，向电网注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，进而达到滤除谐波的目的。传统的FFT检测方法存在栅栏效应和泄漏现象，使算出的信号参数即频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足准确的电力系统谐波测量要求。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统及方法，它可以克服上述现有的快速傅里叶检测算法的不足，是一种计算精度高、检测准确性高、速度快的控制系统，且其方法简单易行。

本发明的技术方案：一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，包括带非线性负载和有源电流滤波器的交流电网，其特征在于它是包括控制模块和检测模块，其中，所述检测模块包括指令电流检测运算单元；所述控制模块包括主电路单元、PWM驱动单元和电流跟踪控制单元；所述指令电流检测运算单元的输入端检测电网中负载端的电流信号，其输出端与电流跟踪控制单元的输入端连接；所述PWM驱动单元的输入端连接电流跟踪控制单元的输出端，其输出端连接主电路单元的输入端；所述主电路单元的输出端输出补偿电流信号反馈给电网。

所述指令电流检测运算单元是由数据采集模块、信号调理电路模块、A/D转换器模块、光电隔离模块、驱动电路模块、数据存储模块、DSP中央控制模块、显示电路模块、过零检测模块和电压传感器模块构成；其中，所述数据采集模块检测电网中负载端的三相电流信号和有源电流滤波器发出的三相补偿电流信号，其输出端与信号调理电路模块的输入端连接；所述A/D转换器模块的输入端分别连接信号调理电路模块的输入端和电压传感器模块的输入端，同时还与DSP中央控制模块呈双向连接；所述光电隔离模块的输入端连接DSP中央控制模块的输出端，其输出端连接驱动电路模块的输入端；所述数据存储模块与DSP中央控制模块呈双向连接；所述过零检测模块的输入端连接电压传感器模块的输出端，其输出端与DSP中央控制模块的输入端连接；所述DSP中央控制模块的输出端还与显示电路模块的输入端连接；所述电压传感器模块的输入端采集直流侧的母线电压信号和交流电网中的A、B、C三相相电压信号。

所述电压传感器模块由四个霍尔电压传感器构成，分别采集母线电压信号和交流电网中的A、B、C三相相电压信号。

所述A/D转换器模块是A/D转换芯片AD7356。

所述DSP中央控制模块是由包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，可提供多达16路的PWM控制脉冲信号的美国德州仪器公司的DSP芯片TMS230F2812。

所述电流跟踪控制单元由LADRC（Linear Auto Disturbance Rejection Control）——线性自抗扰控制）控制器构成；所述LADRC控制器是由非线性跟踪微分器TD（Tracking Differentiator非线性跟踪微分器）单元、扩张状态观测器ESO（Extended State Observer——扩张状态观测器）单元、非线性误差反馈控制律NLSEF（Non-linear State Error Feedback Law——非线性误差反馈控制律）单元以及控制对象单元构成；所述非线性跟踪微分器TD单元采集指令电流检测运算单元输出的电压信号，其输出端与非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输入端连接；所述非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输入端接收非线性跟踪微分器TD单元的输出端和扩张状态观测器ESO单元的输出端发出的信号之和；所述扩张状态观测器ESO单元的输入端采集控制对象的输出端信号，其输出端输出的信号经1/b倍变换后与非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输出信号叠加后输送给控制对象，同时叠加信号还经倍数b变换输送给扩张状态观测器ESO单元。

所述主电路单元由电压型PWM变流器电路构成；其中，它是由3个由电力电子开关器件构成的桥臂、电容C以及储能装置构成；所述每个桥臂均有一个IGBT开关管和一个二极管反并联而成，每个桥臂的一端分别连接电网的3相线路，另一端连接电容C以及储能装置；所述每个IGBT开关管的门极接收PWM驱动单元发出的PWM驱动信号。

一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）指令电流检测运算系统单元检测并计算电网中负载侧的电流，补偿电流的指令信号发送给电流跟踪控制单元；

（2）电流跟踪控制单元根据步骤（1）的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，给PWM驱动单元发出需要发出触发信号的指令，并让其按照电流间的相互关系发出相应的脉冲宽度调制信号；

（3）PWM驱动单元是PWM信号生成模块，用于触发产生控制有源电力滤波器的功率单元的脉冲宽度调制信号，使其发出控制补偿电流发生的主电路单元中的6个IGBT开关器件通断的PWM信号；

（4）主电路单元中的各桥臂根据接收到的PWM信号决定各桥臂的通断以产生期望的补偿电流。

所述步骤（1）中的电流检测计算由以下步骤构成：

①通过数据采集信号模块采集N个点的采样频率fs，通过信号调理电路模块将模拟信号经过放大环节调至A/D转换器模块，得到N个点的数据长度；

②构造N个点长度的多卷积窗函数，对采样的数据进行加多卷积窗FFT进行运算，进而得到FFT的谱线X(k)，k=0,1,…，N，其中FFT的运算数据长度为N；

③根据搜索FFT的谱线的最高峰和相邻次高峰，计算相邻谱线的峰的幅值之比，根据幅值之比计算基波的插值系数；

④根据基波的插值系数计算各次谐波的插值系数；

⑤计算基波频谱对邻近谐波谱线的频谱进行干涉，从原谱线中消除该频谱干涉，得到谐波的真实谱线；

⑥通过全相位插值计算得到准确的基波和各次谐波的频率、幅值和相位；

⑦运用全相位修正算法思想对相位进行修正，最终得到更准确的基波各次谐波的频率、幅值和相位；

⑧对检测到的电流信号进行跟踪微分计算得到光滑的输入信号，并将其输入给电流跟踪控制单元的LADRC控制器中的非线性跟踪微分器TD单元进行非线性误差反馈计算；

⑨步骤⑧得到的计算结果在扩张状态器ESO输出的一个扰动Zn+1共同作用下得到状态误差量，同时扩张状态器ESO通过状态误差重构得到一个补偿项，它作为自动检测系统模型和外扰实时作用并予以补偿的分量，最终对补偿电流进行精确控制；

⑩在DSP中央控制模块完成对负载电流的采集后，通过ADRC控制器控制补偿电流发生的主电路单元中的6个IGBT开关器件通断的PWM信号，最终实现APF谐波的精确检测与准确控制。

本发明的工作原理：

基于加窗全相位快速傅里叶变换，根据本发明提出的加窗全相位快速傅里叶变换电流检测原理，利用加窗（hamming窗）函数对快速傅里叶变换进行改进适合于电力系统谐波的高精度测量，进而有利用了全相位修正算法思想进行修证，使得相位检测无误差，在电力系统的谐波检测中较大地提高了计算精度和实时性，也很好地解决了加窗插值FFT算法中对相位检测不准的问题。

在分析比较现有的谐波和无功电流检测理论和方法基础上本发明提出采用加窗全相位算法思想运用于有源电力滤波器谐波检测中，通过对常用窗组合的卷积窗的比较，构造出新的卷积窗比原窗具有更大的旁瓣衰减速度，可以进一步减少谐波间的能量泄漏，从而得到减小幅值误差较好的效果，并加三次样条函数的有效形式计算插值FFT函数，计算公式简单，程序实现方便，用128个采样点更加加强了实时性，在分段处连续，且为精确值，不存在极限值问题，适合于电力系统谐波的高精度测量。通过全相位修正算法思想进行修证，使得相位检测无误差，在电力系统的谐波检测中较大地提高了计算精度和实时性，也很好地解决了加窗插值FFT算法中对相位检测不准的问题。经过仿真计算表明该方法有较高的精度。此算法还可用于电力系统远动，继电保护测量装置或电量表计中，也可以用于其他领域中，具有实用价值。

本发明的优越性在于：①硬件装置设计简单、成本适中、易于实现；②采用加窗全相位FFT电流检测法能准确、实时地检测出电网中瞬态变化的谐波电流的谐波的频率、幅值和相位，保障了APF的补偿性能；③通过全相位修正算法思想进行修证，使得相位检测无误差，在电力系统的谐波检测中较大地提高了计算精度和实时性；

④将ADRC控制策略应用于控制APF中，大大提高了APF的电流跟踪控制效果。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统的整体结构示意图。

图2为本发明所涉基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统中检测模块中指令电流检测计算单元的结构示意图。

图3为本发明所涉基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统中电流跟踪控制模块的LADRC控制器的结构示意图。

图4为本发明所涉基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制装置中的主电路单元的结构示意图。

图5为本发明所涉基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统中的加窗全相位FFT检测方法流程框图。

（五）具体实施方式：

实施例：一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统（见图1），包括带非线性负载和有源电流滤波器的交流电网，其特征在于它是包括控制模块和检测模块，其中，所述检测模块包括指令电流检测运算单元；所述控制模块包括主电路单元、PWM驱动单元和电流跟踪控制单元；所述指令电流检测运算单元的输入端检测电网中负载端的电流信号，其输出端与电流跟踪控制单元的输入端连接；所述PWM驱动单元的输入端连接电流跟踪控制单元的输出端，其输出端连接主电路单元的输入端；所述主电路单元的输出端输出补偿电流信号反馈给电网。

所述指令电流检测运算单元（见图2）是由数据采集模块、信号调理电路模块、A/D转换器模块、光电隔离模块、驱动电路模块、数据存储模块、DSP中央控制模块、显示电路模块、过零检测模块和电压传感器模块构成；其中，所述数据采集模块检测电网中负载端的三相电流信号和有源电流滤波器发出的三相补偿电流信号，其输出端与信号调理电路模块的输入端连接；所述A/D转换器模块的输入端分别连接信号调理电路模块的输入端和电压传感器模块的输入端，同时还与DSP中央控制模块呈双向连接；所述光电隔离模块的输入端连接DSP中央控制模块的输出端，其输出端连接驱动电路模块的输入端；所述数据存储模块与DSP中央控制模块呈双向连接；所述过零检测模块的输入端连接电压传感器模块的输出端，其输出端与DSP中央控制模块的输入端连接；所述DSP中央控制模块的输出端还与显示电路模块的输入端连接；所述电压传感器模块的输入端采集直流侧的母线电压信号和交流电网中的A、B、C三相相电压信号。

所述电压传感器模块（见图2）由四个霍尔电压传感器构成，分别采集母线电压信号和交流电网中的A、B、C三相相电压信号。

所述A/D转换器模块（见图2）是A/D转换芯片AD7356。

所述DSP中央控制模块（见图2）是由包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，可提供多达16路的PWM控制脉冲信号的美国德州仪器公司的DSP芯片TMS230F2812。

所述电流跟踪控制单元由LADRC（Linear Auto Disturbance Rejection Control）——线性自抗扰控制）控制器（见图3）构成；所述LADRC控制器是由非线性跟踪微分器TD（Tracking Differentiator非线性跟踪微分器）单元、扩张状态观测器ESO（Extended State Observer——扩张状态观测器）单元、非线性误差反馈控制律NLSEF（Non-linear State Error Feedback Law——非线性误差反馈控制律）单元以及控制对象单元构成；所述非线性跟踪微分器TD单元采集指令电流检测运算单元输出的电压信号，其输出端与非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输入端连接；所述非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输入端接收非线性跟踪微分器TD单元的输出端和扩张状态观测器ESO单元的输出端发出的信号之和；所述扩张状态观测器ESO单元的输入端采集控制对象的输出端信号，其输出端输出的信号经1/b倍变换后与非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输出信号叠加后输送给控制对象，同时叠加信号还经倍数b变换输送给扩张状态观测器ESO单元。

所述主电路单元（见图4）由电压型PWM变流器电路构成；其中，它是由3个由电力电子开关器件构成的桥臂、电容C以及储能装置构成；所述每个桥臂均有一个IGBT开关管和一个二极管反并联而成，每个桥臂的一端分别连接电网的3相线路，另一端连接电容C以及储能装置；所述每个IGBT开关管的门极接收PWM驱动单元发出的PWM驱动信号。

一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）指令电流检测运算系统单元检测并计算电网中负载侧的电流，补偿电流的指令信号发送给电流跟踪控制单元；

（2）电流跟踪控制单元根据步骤（1）的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，给PWM驱动单元发出需要发出触发信号的指令，并让其按照电流间的相互关系发出相应的脉冲宽度调制信号；

（3）PWM驱动单元是PWM信号生成模块，用于触发产生控制有源电力滤波器的功率单元的脉冲宽度调制信号，使其发出控制补偿电流发生的主电路单元中的6个IGBT开关器件通断的PWM信号；

（4）主电路单元中的各桥臂根据接收到的PWM信号决定各桥臂的通断以产生期望的补偿电流。

所述步骤（1）中的电流检测计算由以下步骤构成（见图5）：

①通过数据采集信号模块采集N个点的采样频率fs，通过信号调理电路模块将模拟信号经过放大环节调至A/D转换器模块，得到N个点的数据长度；

②构造N个点长度的多卷积窗函数，对采样的数据进行加多卷积窗FFT进行运算，进而得到FFT的谱线X(k)，k=0,1,…，N，其中FFT的运算数据长度为N；

③根据搜索FFT的谱线的最高峰和相邻次高峰，计算相邻谱线的峰的幅值之比，根据幅值之比计算基波的插值系数；

④根据基波的插值系数计算各次谐波的插值系数；

⑤计算基波频谱对邻近谐波谱线的频谱进行干涉，从原谱线中消除该频谱干涉，得到谐波的真实谱线；

⑥通过全相位插值计算得到准确的基波和各次谐波的频率、幅值和相位；

⑦运用全相位修正算法思想对相位进行修正，最终得到更准确的基波各次谐波的频率、幅值和相位；

⑧对检测到的电流信号进行跟踪微分计算得到光滑的输入信号，并将其输入给电流跟踪控制单元的LADRC控制器中的非线性跟踪微分器TD单元进行非线性误差反馈计算；

⑨步骤⑧得到的计算结果在扩张状态器ESO输出的一个扰动Zn+1共同作用下得到状态误差量，同时扩张状态器ESO通过状态误差重构得到一个补偿项，它作为自动检测系统模型和外扰实时作用并予以补偿的分量，最终对补偿电流进行精确控制；

⑩在DSP中央控制模块完成对负载电流的采集后，通过ADRC控制器控制补偿电流发生的主电路单元中的6个IGBT开关器件通断的PWM信号，最终实现APF谐波的精确检测与准确控制。

Claims (9)

1.一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，包括带非线性负载和有源电流滤波器的交流电网，其特征在于它包括控制模块和检测模块，其中，所述检测模块包括指令电流检测运算单元；所述控制模块包括主电路单元、PWM驱动单元和电流跟踪控制单元；所述指令电流检测运算单元的输入端检测电网中负载端的电流信号，其输出端与电流跟踪控制单元的输入端连接；所述PWM驱动单元的输入端连接电流跟踪控制单元的输出端，其输出端连接主电路单元的输入端；所述主电路单元的输出端输出补偿电流信号反馈给电网。

2.根据权利要求1所述一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，其特征在于所述指令电流检测运算单元是由数据采集模块、信号调理电路模块、A/D转换器模块、光电隔离模块、驱动电路模块、数据存储模块、DSP中央控制模块、显示电路模块、过零检测模块和电压传感器模块构成；其中，所述数据采集模块检测电网中负载端的三相电流信号和有源电流滤波器发出的三相补偿电流信号，其输出端与信号调理电路模块的输入端连接；所述A/D转换器模块的输入端分别连接信号调理电路模块的输入端和电压传感器模块的输入端，同时还与DSP中央控制模块呈双向连接；所述光电隔离模块的输入端连接DSP中央控制模块的输出端，其输出端连接驱动电路模块的输入端；所述数据存储模块与DSP中央控制模块呈双向连接；所述过零检测模块的输入端连接电压传感器模块的输出端，其输出端与DSP中央控制模块的输入端连接；所述DSP中央控制模块的输出端还与显示电路模块的输入端连接；所述电压传感器模块的输入端采集直流侧的母线电压信号和交流电网中的A、B、C三相相电压信号。

3.根据权利要求2所述一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，其特征在于所述电压传感器模块由四个霍尔电压传感器构成，分别采集母线电压信号和交流电网中的A、B、C三相相电压信号。

4.根据权利要求2所述一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，其特征在于所述A/D转换器模块是A/D转换芯片AD7356。

5.根据权利要求2所述一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，其特征在于所述DSP中央控制模块是由包含大容量快速闪存、多个32位定时器、2个事件管理器和SPI、SCI、CAN多种接口，可提供多达16路的PWM控制脉冲信号的美国德州仪器公司的DSP芯片TMS230F2812。

6.根据权利要求1所述一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，其特征在于所述电流跟踪控制单元由LADRC控制器构成；所述LADRC控制器是由非线性跟踪微分器TD单元、扩张状态观测器ESO单元、非线性误差反馈控制律NLSEF单元以及控制对象单元构成；所述非线性跟踪微分器TD单元采集指令电流检测运算单元输出的电压信号，其输出端与非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输入端连接；所述非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输入端接收非线性跟踪微分器TD单元的输出端和扩张状态观测器ESO单元的输出端发出的信号之和；所述扩张状态观测器ESO单元的输入端采集控制对象的输出端信号，其输出端输出的信号经1/b倍变换后与非线性误差反馈控制律NLSEF单元的输出信号叠加后输送给控制对象，同时叠加信号还经倍数b变换输送给扩张状态观测器ESO单元。

7.根据权利要求1所述一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统，其特征在于所述主电路单元由电压型PWM变流器电路构成；其中，它是由3个由电力电子开关器件构成的桥臂、电容C以及储能装置构成；所述每个桥臂均有一个IGBT开关管和一个二极管反并联而成，每个桥臂的一端分别连接电网的3相线路，另一端连接电容C以及储能装置；所述每个IGBT开关管的门极接收PWM驱动单元发出的PWM驱动信号。

8.一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统的工作方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）指令电流检测运算系统单元检测并计算电网中负载侧的电流，补偿电流的指令信号发送给电流跟踪控制单元；

（2）电流跟踪控制单元根据步骤（1）的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，给PWM驱动单元发出需要发出触发信号的指令，并让其按照电流间的相互关系发出相应的脉冲宽度调制信号；

（3）PWM驱动单元是PWM信号生成模块，用于触发产生控制有源电力滤波器的功率单元的脉冲宽度调制信号，使其发出控制补偿电流发生的主电路单元中的6个IGBT开关器件通断的PWM信号；

（4）主电路单元中的各桥臂根据接收到的PWM信号决定各桥臂的通断以产生期望的补偿电流。

9.根据权利要求8所述一种基于加窗全相位FFT的APF谐波检测与控制系统的工作方法，其特征在于所述步骤（1）中的电流检测计算由以下步骤构成：

①通过数据采集信号模块采集N个点的采样频率fs，通过信号调理电路模块将模拟信号经过放大环节调至A/D转换器模块，得到N个点的数据长度；

②构造N个点长度的多卷积窗函数，对采样的数据进行加多卷积窗FFT进行运算，进而得到FFT的谱线X(k)，k=0,1,…，N，其中FFT的运算数据长度为N；

③根据搜索FFT的谱线的最高峰和相邻次高峰，计算相邻谱线的峰的幅值之比，根据幅值之比计算基波的插值系数；

④根据基波的插值系数计算各次谐波的插值系数；

⑤计算基波频谱对邻近谐波谱线的频谱进行干涉，从原谱线中消除该频谱干涉，得到谐波的真实谱线；

⑥通过全相位插值计算得到准确的基波和各次谐波的频率、幅值和相位；

⑦运用全相位修正算法思想对相位进行修正，最终得到更准确的基波各次谐波的频率、幅值和相位；

⑧对检测到的电流信号进行跟踪微分计算得到光滑的输入信号，并将其输入给电流跟踪控制单元的LADRC控制器中的非线性跟踪微分器TD单元进行非线性误差反馈计算；

⑨步骤⑧得到的计算结果在扩张状态器ESO输出的一个扰动Zn+1共同作用下得到状态误差量，同时扩张状态器ESO通过状态误差重构得到一个补偿项，它作为自动检测系统模型和外扰实时作用并予以补偿的分量，最终对补偿电流进行精确控制；

⑩在DSP中央控制模块完成对负载电流的采集后，通过ADRC控制器控制补偿电流发生的主电路单元中的6个IGBT开关器件通断的PWM信号，最终实现APF谐波的精确检测与准确控制。

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