CN103490417A - 基于小波和fft的shapf谐波检测与控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统，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、比较、触发、调制、处理和输出；其优越性在于：①结构简单、成本适中、易于实现；②能准确、实时地检测谐波电流频率、幅值和相位及暂态谐波电流，保障了SHAPF的补偿性能且提高了计算精度和实时性；③提高了SHAPF的电流跟踪控制效果。

Description

基于小波和FFT的SHAPF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，尤其是一种基于小波和FFT（FastFourier Transform——快速傅里叶变换）的SHAPF（Shunt HybridActive Power Filter——并联混合型有源电力滤波器）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。

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只能滤除设定次数的谐波，且易与电网产生串、并联谐振的缺点。具有很好的动态性能和谐波补偿特性。但其结构及元件特性决定其只能并联于低电压等级的电力系统中，对中高压系统其无能为力。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。所以适合于中高压系统的SHAPF的拓扑结构的提出及基于小波和FFT的SHAPF检测方法的研究显得尤为重要。

SHAPF结构中，参见图1，APF（Active Power Filter——有源电力滤波器）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；而基波串联谐振电路是指在基波频率处产生谐振，使得APF只承担谐波电压，即提高了APF的电压等级。传统的FFT对稳态信号有强大的处理能力，但其对于局部突变的暂态谐波信号有其局限性；小波变换具有时频分析能力，尤其对局部突变的谐波信号有其强大的分能力。两者单独控制均无法满足准确的电力系统谐波检测要求。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于小波和FFT的SHAPF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以及小波变换算法的不足，是一种计算精度高、检测准确性高、速度快的检测及控制系统，且其方法简单易行。

本发明的技术方案：一种基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统，包括带非线性负载的交流电网，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出端和电压传感器模块的输出端，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与DSP中央控制模块的输出端连接，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。

所述数据采集模块检测到的电网中负载端的电流信号为3路电流信号，即电网中负载端的三相电流信号。

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构成。

所述电流跟踪控制单元由LADRC（Linear Auto DisturbanceRejection 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,TD）单元、扩张状态观测器ESO（Extended State Observer,ESO）单元、非线性误差反馈控制律NLSEF（Non-linear State Error Feedback Law,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变换后再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。

一种基于小波和FFT的SHAPF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，即：指令电流运算检测单元所检测出的指令信号与实际补偿电流大小相等方向相反，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即发出与原有谐波信号大小相等方向相反的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6）：

①将原始的电流信号进行离散小波变换得到低频稳态部分和高频非稳态部分；

②对低频稳态部分通过FFT进行分析处理；通过数据采集信号模块采集N点的采样频率fs，并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，从而得到N点的数据长度；

③构造步骤②中得到的N点数据长度的多卷积窗函数，对采样的数据进行加多卷积窗FFT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；

④取步骤③得到的FFT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，根据幅值比计算基波的插值系数；进而可以根据基波的插值系数计算各次谐波的插值系数；

⑤通过插值计算得到稳态部分的基波和各次谐波的频率、幅值和相位；

⑥对高频非稳态部分信号通过离散小波变换进行分析处理；通过小波变换把信号映射到小波空间，得到小波系数矢量；

⑦通过对小波系数矢量的分析得到原始信号的暂态部分和细节部分，然后通过小波逆变换得到暂态谐波电流；

⑧对检测到的电流信号v(t)进行跟踪微分计算得到光滑的输入信号v₁、v₂、…、v_n，与扩张状态观测器观测到的扰动项Z进行综合运算后得到的ε并输出给LADRC的非线性误差反馈控制单元(见图4)；

⑨非线性反馈的输出端输出信号u₀(t)与扩张状态器输出的一个扰动Zn+1的1/b倍共同作用得到状态误差量u(t)。ESO通过状态误差重构得到补偿项，它是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SHAPF谐波的精确检测与准确控制。

本发明的工作原理：

基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统及方法，根据本发明提出的基于小波和FFT的SHAPF谐波电流检测原理，首先将原始的电流信号进行离散小波变换得到低频稳态部分和高频非稳态。利用FFT对低频稳态部分进行分析处理，对高频非稳态信号通过离散小波变换进行分析处理。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，也很好地结合了两种理论的优缺点，弥补了各自的不足。此方法的提出，可以对其他领域有借鉴意义，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提出适合于中高压等级下的有源滤波装置SHAPF的结构；③采用基于小波和FFT的SHAPF谐波检测方法能准确、实时地检测出电网中稳态瞬态变化的谐波电流的频率、幅值和相位及暂态谐波电流，保障了SHAPF的补偿性能且提高了计算精度和实时性；④将ADRC控制策略应用于控制SHAPF中，大大提高了SHAPF的电流跟踪控制效果。

（四）附图说明：

图1为背景技术中SHAPF结构示意图。

图2为本发明所涉基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统的整体结构示意图。

图3为本发明所涉基于小波和FFT的SHAPF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4为本发明所涉基于小波和FFT的SHAPF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5为本发明所涉基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制装置中的主电路单元的结构示意图。

图6为本发明所涉基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统中的检测方法流程框图。

(五）具体实施方式：

实施例：一种基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统（见图2），包括带非线性负载的交流电网，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3）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出端和电压传感器模块的输出端，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与DSP中央控制模块的输出端连接，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。

所述数据采集模块检测到的电网中负载端的电流信号为3路电流信号，即电网中负载端的三相电流信号。

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构成。

所述电流跟踪控制单元由LADRC控制器（见图4）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变换后再输送给扩张状态观测器ESO单元。

所述主电路单元（见图5）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。

一种基于小波和FFT的SHAPF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，即：指令电流运算检测单元所检测出的指令信号与实际补偿电流大小相等方向相反，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即发出与原有谐波信号大小相等方向相反的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6）：

①将原始的电流信号进行离散小波变换得到低频稳态部分和高频非稳态部分；

②对低频稳态部分通过FFT进行分析处理；通过数据采集信号模块采集N点的采样频率fs，并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，从而得到N点的数据长度；

③构造步骤②中得到的N点数据长度的多卷积窗函数，对采样的数据进行加多卷积窗FFT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；

④取步骤③得到的FFT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，根据幅值比计算基波的插值系数；进而可以根据基波的插值系数计算各次谐波的插值系数；

⑤通过插值计算得到稳态部分的基波和各次谐波的频率、幅值和相位；

⑥对高频非稳态部分信号通过离散小波变换进行分析处理；通过小波变换把信号映射到小波空间，得到小波系数矢量；

⑦通过对小波系数矢量的分析得到原始信号的暂态部分和细节部分，然后通过小波逆变换得到暂态谐波电流；

⑧对检测到的电流信号v(t)进行跟踪微分计算得到光滑的输入信号v₁、v₂、…、v_n，与扩张状态观测器观测到的扰动项Z进行综合运算后得到的ε并输出给LADRC的非线性误差反馈控制单元(见图4)；

⑨非线性反馈的输出端输出信号u₀(t)与扩张状态器输出的一个扰动Zn+1的1/b倍共同作用得到状态误差量u(t)。ESO通过状态误差重构得到补偿项，它是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SHAPF谐波的精确检测与准确控制。

Claims (10)

1.一种基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统，包括带非线性负载的交流电网，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。

2.根据权利要求1所述一种基于小波和FFT的SHAPF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出端和电压传感器模块的输出端，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与DSP中央控制模块的输出端连接，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所述一种基于小波和FFT的SHAPF谐波检测与控制系统，其特征在于所述数据采集模块检测到的电网中负载端的电流信号为3路电流信号，即电网中负载端的三相电流信号。

4.根据权利要求2所述一种基于小波和FFT的SHAPF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。

5.根据权利要求2所述一种基于小波和FFT的SHAPF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。

6.根据权利要求2所述一种基于小波和FFT的SHAPF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构成。

7.根据权利要求1所述一种基于小波和FFT的SHAPF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变换后再输送给扩张状态观测器ESO单元。

8.根据权利要求1所述一种基于小波和FFT的SHAPF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。

9.一种基于小波和FFT的SHAPF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，即：指令电流运算检测单元所检测出的指令信号与实际补偿电流大小相等方向相反，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即发出与原有谐波信号大小相等方向相反的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。

10.根据权利要求9所述一种基于小波和FFT的SHAPF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将原始的电流信号进行离散小波变换得到低频稳态部分和高频非稳态部分；

②对低频稳态部分通过FFT进行分析处理；通过数据采集信号模块采集N点的采样频率fs，并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，从而得到N点的数据长度；

③构造步骤②中得到的N点数据长度的多卷积窗函数，对采样的数据进行加多卷积窗FFT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；

④取步骤③得到的FFT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，根据幅值比计算基波的插值系数；进而可以根据基波的插值系数计算各次谐波的插值系数；

⑤通过插值计算得到稳态部分的基波和各次谐波的频率、幅值和相位；

⑥对高频非稳态部分信号通过离散小波变换进行分析处理；通过小波变换把信号映射到小波空间，得到小波系数矢量；

⑦通过对小波系数矢量的分析得到原始信号的暂态部分和细节部分，然后通过小波逆变换得到暂态谐波电流；

⑧对检测到的电流信号v(t)进行跟踪微分计算得到光滑的输入信号v₁、v₂、…、v_n，与扩张状态观测器观测到的扰动项Z进行综合运算后得到的ε并输出给LADRC的非线性误差反馈控制单元(见图4)；

⑨非线性反馈的输出端输出信号u₀(t)与扩张状态器输出的一个扰动Zn+1的1/b倍共同作用得到状态误差量u(t)。ESO通过状态误差重构得到补偿项，它是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SHAPF谐波的精确检测与准确控制。

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