CN103427419A - 有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率自适应谐振控制器的有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，包括：采集电网电压、负载电流、有源电力滤波器输出电流、有源电力滤波器直流侧电压；独立直流电压控制根据直流电压控制输出，独立控制基波电流根据负载信号，独立控制谐波电流；根据基波电流控制输出和谐波电流控制输出，得到调制信号，并根据调制信号生成控制并网逆变器的开关信号。本发明方法能够使实现对负载谐波电流进行指定次谐波补偿，并且在电网频率波动条件下，保持额定频率时的补偿效果。

Description

有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法

技术领域

本发明是一种谐波补偿方法，特别是涉及一种有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的不断出现和成熟，使柔性交流输电、高电压直流输电、微电网和智能电网等成为可能。电力电子装置的广泛应用也必将加重电网电能质量问题。因此，研发高性能有源电力滤波器，以满足谐波治理方面的需求具有重要意义。具有选择性谐波补偿策略APF具有灵活的补偿功能：1）当负载谐波电流超出APF的补偿容量时，可以选择只补偿其中危害比较大的特征次谐波；2）在无源滤波器与APF配合使用的场合，APF只补偿所需次数的谐波；3）选择性避开对会引起系统谐振次数谐波进行补偿。目前，APF选择性谐波补偿策略的实现可归为两类：谐波指令选择性提取和选择性控制器设计。指令的选择性提取可采用常规DFT和FFT算法及其改进方法和基于谐波同步坐标旋转变换方法。此类方法优点是可以采用传统控制方案，缺点是算法耗费资源。选择性控制器设计是将具有选频特性环节直接嵌入到控制器中，具体为在各次谐波同步旋转坐标系下设计积分控制器实现谐波分次控制；或者采用具有选频特性的谐振或准谐振控制器。以上两种控制器方法本质上是一致的。电网频率波动时，谐振控制器失谐会导致控制器失去对设定的谐波频率点的高增益和选择性。

中国专利公开号：CN1411118A，公开日2002年12月6日，公开了一种有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环控制方法及系统属于有源电力滤波器技术领域，其特征在于：它是一种选择性谐波检测方法，它在检测出第N次谐波有功和无功电流的直流分量后，再经过延迟补偿角变换矩阵CΔθ以求出两相坐标系电流，并从中减去直流侧电压调节信号Δip，以使得补偿电流信号中包含一定的基波有功电流分量，其中，Δip是变流器直流侧电容电压的给定值和上述电容电压反馈值之差再经过一个PI调节器而得到的。它是一种建立在延时补偿的选择性谐波方法上的直流侧电压控制方法，不仅可以像原有谐波检测一样很好地克服数字式控制器的延时，可耐受比传统方法更长时间的延迟，而且也能完成传统方法中对于直流侧电压的控制。专利《有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环控制方法和系统》是通过电压N倍频锁相环，以及N倍频选择变换矩阵Cn来提取N次谐波，算法复杂。

发明内容

本发明的目的是为解决目前的技术方案存在是通过电压N倍频锁相环，以及N倍频选择变换矩阵Cn来提取N次谐波，算法复杂，且只能选择性补偿无功，不能对谐波进行指定次补偿的问题，提供一种算法简单，省去复杂分次谐波检测环节，直接通过核心控制器实现了对的谐波的指定次补偿的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，采用本本法的硬件装置包括采样调理电路、核心控制电路、驱动电路和有源电力滤波器，核心控制电路包括谐波检测装置、谐波电流调节器、基波电流调节器和直流电压调节器，包括以下控制步骤：

步骤一，由采样调理电路采集电网电压、负载电流、有源电力滤波器输出电流和有源电力滤波器直流侧电压；

步骤二，将检测到的负载电流通过谐波检测装置检测出负载电流谐波分量，将负载电流谐波分量作为有源电力滤波器谐波电流指令，核心控制电路将所述谐波电流指令减去有源电力滤波器输出电流，得到谐波电流误差信号，利用谐波电流调节器对所述的谐波电流误差信号进行调节，得到指令信号谐波分量；

步骤三，核心控制电路将检测到的有源电力滤波器直流侧电压减去直流侧电压设定值，得到直流电压误差信号；利用直流电压调节器对所述的直流电压误差信号进行调节得到有源电力滤波器同步旋转坐标系下基波电流指令；将所述的同步旋转坐标系下基波电流指令经反同步旋转变换为ABC坐标系基波电流指令；将所述ABC坐标系基波电流指令减去有源电力滤波器输出电流，得到基波电流误差信号；利用基波电流调节器对所述的基波电流误差信号进行调节，得到指令信号基波分量；

步骤四，核心控制电路将电网电压与指令信号谐波分量和指令信号基波分量相加，得到调制信号；核心控制电路使所述的调制信号与设定的三角载波信号进行比较，生成开关信号通过驱动电路对有源电力滤波器中的开关管进行控制，实现对电网的选择性谐波补偿控制。

本发明方法能够在实现有源电力滤波器选择性谐波补偿；保证电网频率波动情况下，有源电力滤波器补偿精度；且本发明方法可采用C语言编程，在DSP（数字信号处理器）芯片上实现，实施简易。

作为优选，谐波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制公式为： $C_h\left(z\right)=\underset{h=6k\±1,k=\mathrm{1,2,3}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{K_{\mathrm{ih}}{T}_s{(z-1)}^2}{z^2-2\cos \left(h\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)z+1},$

K_ih为h次谐波对应积分系数；T_s为采样周期；h为谐波次数；N为基波周期系统采样次数。

作为优选，直流电压调节器采用的是比例积分控制；比例积分控制的公式为：

K_P和K_I分别为比例系数和积分系数。

作为优选，基波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制的公式为： $C_f\left(z\right)=K_p+\frac{K_i{T}_s(z-1)}{z^2-2\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)z+1},$ 式中，K_p为比例系数；K_i为积分系数；T_s为采样周期；N为基波周期采样次数。

作为优选，谐波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制公式中K_ih=0.02；T_s=7.8125×10^-5S；h=5、7、11、13、17、19、23和25；N=256。

作为优选，直流电压调节器采用的是比例积分控制；比例积分控制的公式中K_P=1.7和K_I=5×10^-6。

作为优选，基波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制公式中K_p=0.3；K_i=0.01；T_s=7.8125×10^-5S；N=256。

本发明的实质性效果是：本发明方法能够在实现有源电力滤波器选择性谐波补偿；保证电网频率波动情况下，有源电力滤波器补偿精度；且本发明方法可采用C语言编程，在DSP（数字信号处理器）芯片上实现，实施简易。

附图说明

图1为三相有源滤波器系统结构示意图；

图2为本发明谐波控制器组示意图；

图3为本发明基波控制器组示意图；

图4为采用本发明有源电力滤波器仅补偿5次谐波时，电网侧电流波形图；

图5为采用本发明有源电力滤波器仅补偿5次谐波时，电网侧电流频谱图；

图6为采用本发明有源电力滤波器补偿5,7,11,13,17,19,23,25次谐波时，电网侧电流波形图；

图7为采用本发明有源电力滤波器补偿5,7,11,13,17,19,23,25次谐波时，电网侧电流频谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例：

一种有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法（参见附图1）采用本本法的硬件装置包括采样调理电路、核心控制电路、驱动电路和有源电力滤波器，核心控制电路包括谐波检测装置、谐波电流调节器、基波电流调节器和直流电压调节器，本实施方式中，有源电力滤波器产生相位与负载谐波电流相位相反的电流，通过LCL型滤波器输入至电网，抵消电网中的谐波成分。

有源电力滤波器为200kW的三相电压源型逆变器VSI，其具有9只IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），IGBT的开关频率为6.4kHz。LCL型滤波器包括逆变侧电感L1、电容C和电网侧电感L2；L1=0.08mH，L2=0.04mH，C=141F。

步骤一：由采样调理电路采集电网电压、负载电流、有源电力滤波器输出电流、有源电力滤波器直流侧电压；

步骤二：将检测到的负载电流通过谐波检测环节检测出负载电流谐波分量（参见附图2），将负载电流谐波分量作为有源电力滤波器谐波电流指令；核心控制电路将所述谐波电流指令减去有源电力滤波器输出电流，得到谐波电流误差信号；利用谐波电流调节器对所述的谐波电流误差信号进行调节，得到指令信号谐波分量；

谐波电流调节器为频率自适应比例谐振控制器组。此频率自适应比例谐振控制公式为：

$C_h\left(z\right)=\underset{h=6k\±1,k=\mathrm{1,2,3}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{K_{\mathrm{ih}}{T}_s{(z-1)}^2}{z^2-2\cos \left(h\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)z+1}$

式中，K_ih为h次谐波对应积分系数；T_s为采样周期；h为谐波次数；N为基波周期系统采样点数。本实施实例中，K_ih=0.02；T_s=7.8125×10^-5S；h=5,7,11,13,17,19,23,25；N=256。

步骤三：核心控制电路将检测到的有源电力滤波器直流侧电压做反馈减去直流侧电压设定值（参见附图3），得到直流电压误差信号；利用直流电压调节器对所述的直流电压误差信号进行调节，得到有源电力滤波器同步旋转坐标系下基波电流指令；将所述的同步旋转坐标系下基波电流指令经反同步旋转变换为ABC坐标系基波电流指令；将所述ABC坐标系基波电流指令减去有源电力滤波器输出电流，得到基波电流误差信号；利用电流调节器对所述的基波电流误差信号进行调节，得到指令信号基波分量；

直流电压调节器为比例积分控制器；基波电流调节器为频率自适应比例谐振控制器；此比例积分控制公式为：

$\mathrm{PI}\left(z\right)=K_P(1+\frac{K_{I}z}{z-1})$

其中：K_P和K_I分别为比例系数和积分系数；本实施实例中，K_P=1.7和K_I=5×10^-6。

此频率自适应比例谐振控制公式为：

$C_f\left(z\right)=K_p+\frac{K_i{T}_s(z-1)}{z^2-\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)z+1}$

式中，K_p为比例系数；K_i为积分系数；T_s为采样周期；N为基波周期采样点数。本实施实例中，K_p=0.3；K_i=0.01；T_s=7.8125×10^-5S；N=256。

步骤四：核心控制电路将电网电压与指令信号谐波分量和指令信号基波分量相加，得到调制信号；利用PWM调制器使所述的调制信号与给定的三角载波信号进行比较，生成开关信号，以对有源电力滤波器中的开关管进行控制。

APF投入后（参见附图4），只补偿5次谐波情况下电网侧电流的波形及其频谱。可以看出，对于指定的5次谐波，5次谐波畸变率从22.4%降低到0.8%，此时总谐波畸变率从26.6%降到12.9%。

综合指定5,7,11,13,17,19,23,25次谐波时相应的实验波形（参见附图5），此时总谐波畸变率从26.6%降低到2.9%。

如表1所示为使用Matlab Simulink对本发明进行仿真验证。电网频率波动0.5Hz情况下，采用或不采用自适应策略有源电力滤波器的补偿结果对比。

表1

从表1可以看出，本实施例能够保证电网频率波动情况下，有源电力滤波器补偿精度；且本发明方法可采用C语言编程，在DSP（数字信号处理器）芯片上实现，实施简易。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (7)

1.一种有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，采用本本法的硬件装置包括采样调理电路、核心控制电路、驱动电路和有源电力滤波器，核心控制电路包括谐波检测装置、谐波电流调节器、基波电流调节器和直流电压调节器，其特征在于：包括以下控制步骤：

步骤一，由采样调理电路采集电网电压、负载电流、有源电力滤波器输出电流和有源电力滤波器直流侧电压；

步骤二，将检测到的负载电流通过谐波检测装置检测出负载电流谐波分量，将负载电流谐波分量作为有源电力滤波器谐波电流指令，核心控制电路将所述谐波电流指令减去有源电力滤波器输出电流，得到谐波电流误差信号，利用谐波电流调节器对所述的谐波电流误差信号进行调节，得到指令信号谐波分量；

步骤三，核心控制电路将检测到的有源电力滤波器直流侧电压减去直流侧电压设定值，得到直流电压误差信号；利用直流电压调节器对所述的直流电压误差信号进行调节得到有源电力滤波器同步旋转坐标系下基波电流指令；将所述的同步旋转坐标系下基波电流指令经反同步旋转变换为ABC坐标系基波电流指令；将所述ABC坐标系基波电流指令减去有源电力滤波器输出电流，得到基波电流误差信号；利用基波电流调节器对所述的基波电流误差信号进行调节，得到指令信号基波分量；

步骤四，核心控制电路将电网电压与指令信号谐波分量和指令信号基波分量相加，得到调制信号；核心控制电路使所述的调制信号与设定的三角载波信号进行比较，生成开关信号通过驱动电路对有源电力滤波器中的开关管进行控制，实现对电网的选择性谐波补偿控制。

2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，其特征在于：谐波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制公式为： $C_h\left(z\right)=\underset{h=6k\±1,k=\mathrm{1,2,3}}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{K_{\mathrm{ih}}{T}_s{(z-1)}^2}{z^2-2\cos \left(h\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)z+1},$

K_ih为h次谐波对应积分系数；T_s为采样周期；h为谐波次数；N为基波周期系统采样次数。

3.根据权利要求1所述的有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，其特征在于：直流电压调节器采用的是比例积分控制；比例积分控制的公式为：

K_P和K_I分别为比例系数和积分系数。

4.根据权利要求1所述的有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，其特征在于：基波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制的公式为： $C_f\left(z\right)=K_p+\frac{K_i{T}_s(z-1)}{z^2-2\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)z+1},$ 式中，K_p为比例系数；K_i为积分系数；T_s为采样周期；N为基波周期采样次数。

5.根据权利要求2所述的有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，其特征在于：谐波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制公式中K_ih=0.02；T_s=7.8125×10^-5S；h=5、7、11、13、17、19、23和25；N=256。

6.根据权利要求3所述的有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，其特征在于：直流电压调节器采用的是比例积分控制；比例积分控制的公式中K_P=1.7和K_I=5×10^-6。

7.根据权利要求4所述的有源电力滤波器选择性谐波补偿控制方法，其特征在于：基波电流调节器采用频率自适应比例谐振控制，频率自适应比例谐振控制公式中K_p=0.3；K_i=0.01；T_s=7.8125×10^-5S；N=256。

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