CN103293379B - 基于有效值的apf谐波检测方法及其直流侧电压的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于有效值的APF的谐波检测方法及其直流侧电压的控制方法，谐波检测方法：A．通过控制选择开关的选择通道，进行基波电流相位信息提取；B.计算负载电流的有效值RMS(i_L)；C．根据步骤A中获取的基波相位信息和步骤B中获得的有效值RMS(i_L)，构造出基波电流；D．步骤B中负载电流减去步骤C中构造的基波电流即得到谐波电流；直流侧电压的方法，采用将控制器的输出与负载电流的有效值RMS(i_L)相加；利用构造的基波电流的幅值与获取的基波相位信息构造出含有直流侧电压控制量Δip的基波电流，进行直流侧电压的控制；从而不需要进行坐标变换；不需要设计低通滤波器；简便的对直流侧电压进行稳定控制。

Description

基于有效值的APF谐波检测方法及其直流侧电压的控制方法

技术领域

本发明涉及基于有效值的APF的谐波检测方法及其直流侧电压的控制方法，属于电力检测技术领域。

背景技术

随着电力电子装置等大量的非线性负载在各个领域的广泛地应用，使得谐波对电网的污染越来严重，严重影响了电网的安全稳定运行；而现代信息社会对电能质量又提出了更高的要求，因此如何提高电能质量已经成为电力行业目前最迫切需要解决的问题。APF(即有源电力滤波器)被公认为是一种动态抑制谐波和无功功率的新型电力电子装置，而谐波电流的检测是APF的动态补偿的关键技术之一。目前，谐波检测方法主要有基于瞬时无功理论谐波检测，基于傅里叶变换快速FFT检测，基于神经网络的谐波检测，基于小波变换的谐波检测等。

运用最成熟和广泛的是基于瞬时无功理论的谐波检测方法，该方法能实时分离有功电流和无功电流，检测不受电网电压畸变的影响，不受系统参数的影响，有一定的优势。但是该方法需要大量的坐标变换，需要设计高性能的低通滤波器，使得系统在精确性和稳定性上存在矛盾，另外现有的检测方法需要进行三相静止到两相静止，两相静止到两相旋转的坐标变换，所以在运用到单相系统中时，需要用单相的电流信号按照三相电流信号互差120度的特征进行构造，构造出虚拟的三相电流信号，然后按照坐标变换矩阵进行坐标变换，所以这种方法无法直接运用到单相系统中。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于有效值的APF的谐波检测方法及其直流侧电压的控制方法，不需要进行坐标变换；不需要设计低通滤波器；能定量的描述谐波电流的大小；简便的对直流侧电压进行稳定控制；能直接运用到单相系统中。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于有效值的APF的谐波电流检测方法，该方法的具体步骤是：

A.基波电流相位信息提取：利用PLL(即自适应锁相环)，根据系统补偿目的的需要，通过选择开关选择PLL与1号通道或2号通道相通，获取PLL的输入信号，从而获取电流的基波相位信息；

B.计算负载电流的有效值：负载电流的a相电流值的表达式为：

其中，(1)式中等式右边的前半部分表示基波分量，后半部分表示谐波分量；I₁表示负载电流基波有效值；表示基波电流相位；I_n表示第n次谐波负载电流有效值；表示第n次谐波电流相位；基波分量进一步改写成：

其中，(2)式中等式右边的前半部分表示基波有功分量，后半部分表示基波无功分量；

然后，利用定积分算法，在一个电网周期T＝0.02s的区间长度上对负载电流求取有效值RMS(i_L)；具体见公式：

$\mathrm{RMS}\left(i_L\right)=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^t{i_L}^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}---\left(3\right)$

C.构造基波电流：根据步骤A中获取的基波相位信息，利用三角函数运算获得基波电流的单位正弦信号，然后利用步骤B中获得的有效值RMS(i_L)，构造出负载电流中的基波电流；具体公式：

其中，(4)式由选择开关连接1号通道所得，为谐波和无功同时检测的方案，(5)式由选择开关连接2号通道所得，为只检测电网谐波的方案；

D.计算谐波电流：步骤B中负载电流的有效值RMS(i_L)减去步骤C中构造的基波电流即得到谐波电流。

进一步，所述的步骤B中的定积分算法，通过DSP编程计算。

一种利用基于有效值的APF的谐波电流检测方法的直流侧电压控制方法，该方法的具体步骤是：(a)通过分析APF交直流侧能量交换机理，将给定的参考电压与反馈的实际电容电压相比较，差值作为控制器的输入；(b)将控制器的输出与负载电流的有效值RMS(i_L)相加，其二者的和作为构造基波电流的幅值；(c)利用构造的基波电流的幅值与获取的基波相位信息构造出含有直流侧电压控制量Δip的基波电流，通过APF交流侧与直流侧能量的交换，进行直流侧电压的控制。

与现有技术相比，本发明通过用负载电流有效值代替基波有效值的方法，避开了复杂的坐标变换和低通滤波器的设计难点；同时，考虑到这种方法直流侧电压控制引入的困难，通过深入分析APF交直流侧能量交换的机理，结合瞬时无功理论引入直流侧电压控制的方法，另外本发明可以直接运用到单相系统中，计算负载电流有效值的计算公式采用以单独求取单相的电流信号的有效值，故可直接用在单相系统；本发明将直流侧电压控制器输出与检测出的负载电流有效值进行叠加，以此作为负载基波电流的有效值，获取谐波指令信号，从而实现直流侧电压的稳定控制。

附图说明

图1是本发明控制原理框图；

图2是图1中PLL的原理框图；

图3是采用本发明检测的负载谐波电流的Matlab仿真波形图；

图4是采用本发明获得谐波指令投入APF补偿前后电网侧电流的Matlab仿真波形图；

图5是采用本发明的直流侧电压控制方法所得的直流侧电压Matlab仿真波形图(电压采用500V进行标幺，电流采用80A进行标幺)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本基于有效值的APF的谐波电流检测方法，该方法的具体步骤是：

A.基波电流相位信息提取：如图2所示，利用PLL是指根据负载电流或者电网电压的快速变化和锁存相位的误差，实时的调整PLL内部的PI参数；integrator然后根据系统补偿目的的需要，通过选择开关选择PLL与1号通道或2号通道相通，获取PLL的输入信号，从而获取电流的基波相位信息；

B.计算负载电流的有效值：负载电流的a相电流值的计算表达式为：

其中，(1)式中等式右边的前半部分表示基波分量，后半部分表示谐波分量；I₁表示负载电流基波有效值；表示基波电流相位；I_n表示第n次谐波负载电流有效值；表示第n次谐波电流相位；基波分量进一步改写成：

其中，(2)式中等式右边的前半部分表示基波有功分量，后半部分表示基波无功分量；

然后，利用定积分，在一个电网周期T＝0.02s的区间长度上对负载电流求取有效值RMS(i_L)；具体见公式：

$\mathrm{RMS}\left(i_L\right)=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^t{i_L}^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}---\left(3\right)$

C.构造基波电流：根据步骤A中获取的基波相位信息，利用三角函数运算获得基波电流的单位正弦信号，然后利用步骤B中获得的有效值RMS(i_L)，构造出负载电流中的基波电流；具体公式：

其中，(4)式由选择开关连接1号通道所得，为谐波和无功同时检测的方案，(5)式由选择开关连接2号通道所得，为只检测电网谐波的方案；

D.计算谐波电流：步骤B中负载电流减去步骤C中构造的基波电流即得到谐波电流。

作为本发明的一种改进，步骤B中的定积分算法，通过DSP(即数字信号处理)编程计算；采用这种编程计算，不仅精度高，而且运行稳定。

如图1所示，本基于有效值的APF的直流侧电压控制方法，上述谐波检测方法对于直流侧电压控制存在误差，即单独从上述谐波检测来看；

$\mathrm{RMS}\left(i_L\right)=\sqrt{I_1^2+\underset{n=6k\±1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n^2}---\left(6\right)$

由于RMS(i_L)≥I₁(I₁是指负载电流基波有效值)，故用RMS(i_L)代替I₁构造的负载基波电流比实际的基波电流值大，因此上述检测方法得到的谐波电流比实际的谐波电流小，所以需对控制直流侧电压的基波电流进行改进，该方法的具体步骤是：(a)通过分析APF交直流侧能量交换机理，将给定的参考电压与反馈的实际电容电压相比较，差值作为PI控制器的输入；(b)将PI控制器的输出与负载电流的有效值RMS(i_L)相加，其二者的和作为构造基波电流的幅值，这样做相当于在谐波指令信号中引入基波分量；(c)利用构造的基波电流的幅值与获取的基波相位信息构造出含有直流侧电压控制量Δip的基波电流，Δip对利用负载电流有效值替代负载基波电流有效值产生的误差进行自动反馈补偿消除，通过APF交流侧与直流侧能量的交换，进行直流侧电压的控制。

实施例1：只检测电网谐波的方案

(1)利用电流传感器(CT)和电压传感器(PT)获取三相负载电流和直流侧电压信号，经过调理电路和AD采样转换后输入到控制芯片中，经过数据处理在控制器芯片中实现信号还原；

(2)将负载电流信号还原后经过有效值获取模块，经过定积分电路一个电网周期区间的积分，检测出负载电流的有效值；定积分的实现采用编程实现，在一个周期0.02s内采样250个数据点，根据定积分原理和有效值计算公式求取负载电流有效值；

(3)将PLL离散化，数字化，编程实现。根据电流的变化和当前输出锁相角与理想角度的偏差，利用自适应神经网络实时的修定PI参数值，使得PLL准确的获取负载电流的基波相位；

(4)利用获得的基波相位，经过三角函数运算，得到单位基波电流，利用得到的有效值的幅值，构造出负载基波电流；

(5)用负载电流减去构造的基波电流获得谐波电流。

实施例2：谐波和无功同时检测的方案

(1)利用电流传感器(CT)和电压传感器(PT)获取三相负载电流和直流侧电压信号，经过调理电路和AD采样转换后输入到控制芯片中，经过数据处理在控制器芯片中实现信号还原；

(2)将负载电流信号还原后经过有效值获取模块，经过定积分电路一个电网周期区间的积分，检测出负载电流的有效值；在一个周期0.02s内采样250个数据点，根据定积分原理和有效值计算公式求取负载电流有效值；

(3)将PLL离散化，数字化；根据电流的变化和当前输出锁相角与理想角度的偏差，利用自适应神经网络实时的修定PI参数值，使得PLL准确的获取电网电压的基波相位；

(4)利用获得的基波相位，经过三角函数运算，得到单位基波有功电流，利用得到的有效值的幅值，构造出负载基波电流：

(5)用负载电流减去构造的基波有功电流获得谐波电流。

实施例3：直流侧电压控制的方案

(1)将给定的参考电压与反馈的实际电容电压相比较，差值作为控制器输入，控制器为PI控制器，参数的整定根据双闭环系统的传递函数零极点确定；

(2)将PI控制器的输出与上述检测到的负载电流有效值相加，其二者的和作为构造基波电流的幅值，具体公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{af}}=\sqrt{2}(\mathrm{RMS}\left(i_{\mathrm{aL}}\right)+\mathrm{\Δ}{i}_P)\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_{\mathrm{bf}}=\sqrt{2}(\mathrm{RMS}\left(i_{\mathrm{bL}}\right)+\mathrm{\Δ}{i}_P)\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\\ i_{\mathrm{cf}}=\sqrt{2}(\mathrm{RMS}\left(i_{\mathrm{cL}}\right)+\mathrm{\Δ}{i}_P)\sin (\mathrm{\ωt}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\end{array}\right.---\left(7\right)$

(3)利用构造的基波电流的幅值与获取的基波相位信息构造出含有直流侧电压控制量Δip的基波电流，通过APF交流侧与直流侧能量的交换，进行直流侧电压的控制。

通过如图3、图4、图5所示的Matlab仿真图可以清楚地观察到采用本发明的检测方法及其直流侧电压的控制方法，各种电流的波形图。

Claims (3)

1.一种基于有效值的APF的谐波电流检测方法，其特征在于，该方法的具体步骤是：

A.基波电流相位信息提取：利用PLL，根据系统补偿目的的需要，通过选择开关选择PLL与1号通道或2号通道相通，获取PLL的输入信号，从而获取电流的基波相位信息；

B.计算负载电流的有效值：负载电流的a相电流值的表达式为：

其中，(1)式中等式右边的前半部分表示基波分量，后半部分表示谐波分量；I₁表示负载电流基波有效值；表示基波电流相位；I_n表示第n次谐波负载电流有效值；表示第n次谐波电流相位；基波分量进一步改写成：

其中，(2)式中等式右边的前半部分表示基波有功分量，后半部分表示基波无功分量；

然后，利用定积分算法，在一个电网周期T＝0.02s的区间长度上对负载电流求取有效值RMS(i_L)；具体见公式：

$\mathrm{RMS}\left(i_L\right)=\sqrt{\frac{1}{T}{\∫}_{t-T}^t{i_L}^2\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}}---\left(3\right)$

C.构造基波电流：根据步骤A中获取的基波相位信息，利用三角函数运算获得基波电流的单位正弦信号，然后利用步骤B中获得的有效值RMS(i_L)，构造出负载电流中的基波电流；具体公式：

其中，(4)式由选择开关连接1号通道所得，为谐波和无功同时检测的方案，(5)式由选择开关连接2号通道所得，为只检测电网谐波的方案；

D.计算谐波电流：步骤B中负载电流的有效值RMS(i_L)减去步骤C中构造的基波电流即得到谐波电流。

2.根据权利要求1所述的基于有效值的APF的谐波电流检测方法，其特征在于，所述的步骤B中的定积分算法，通过DSP编程计算。

3.一种利用权利要求1所述的基于有效值的APF的谐波电流检测方法的直流侧电压控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤是：(a)通过分析APF交直流侧能量交换机理，将给定的参考电压与反馈的实际电容电压相比较，差值作为控制器的输入；(b)将控制器的输出与负载电流的有效值RMS(i_L)相加，其二者的和作为构造基波电流的幅值；(c)利用构造的基波电流的幅值与获取的基波相位信息构造出含有直流侧电压控制量Δip的基波电流，通过APF交流侧与直流侧能量的交换，进行直流侧电压的控制。