CN103872685B - 一种谐波电流分频交错补偿装置及其谐波电流分频率给定算法 - Google Patents

一种谐波电流分频交错补偿装置及其谐波电流分频率给定算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐波电流分频交错补偿装置及其谐波电流分频率给定算法，装置主电路的有源部分由低开关频率大功率逆变电路单元和高开关频率小功率逆变电路单元组成，二者分别负责产生谐波参考电流中的低频分量和高频分量。所述谐波电流补偿装置的两个逆变电路单元共用一个直流侧母线电容Cdc，交流侧分别与7次串联谐振支路和13次串联谐振支路串联后再与滤波电容并联后接入电网。所述串联谐振支路构成的无源部分极大地降低了有源部分的功率等级。采用一种基于滑动DFT的谐波电流分频率给定算法实现了上述参考电流低频分量和高频分量分开给定。上述装置有效地解决了谐波补偿装置的有源部分容量、效率、开关频率与补偿性能间的矛盾约束关系。

Description

一种谐波电流分频交错补偿装置及其谐波电流分频率给定算法
技术领域
本发明涉及一种谐波补偿装置及其谐波电流分频率给定算法，具体涉及能够将谐波电流各分量和无功电流按频率分成两组，分别进行补偿的高性能、高效率的谐波补偿装置。
背景技术
中高压非线性负载在运行中产生大量的谐波电流，会给所在电网带来严重的电能质量问题。这些问题集中的表现为负载电流的畸变以及不对称，而过大的畸变电流甚至会引发接入点电压的畸变，也会导致其他设备的额定工作点严重偏移、继电保护误动作，严重威胁供配电系统及其他设备的安全稳定运行。中高压工况下，大幅度降低了现有电力谐波补偿装置的补偿效果，而且补偿设备的损耗也大幅上升，设备的可靠性降低。针对运行在电压电流严重畸变的中高压环境下的电力谐波补偿装置损耗大、效率低、补偿效果差的问题，研究一种新的谐波电流分频交错补偿的双逆变单元补偿装置，能够有效地解决上述问题。
传统的谐波电流补偿装置主要有无源滤波器（PF）、有源电力滤波器（APF）和由二者共同构成的混合型有源电力滤波器（HAPF）。PF成本低，技术成熟，还可补偿无功功率，但存在着诸如只能对特定谐波进行滤波、滤波器参数影响滤波性能、串并联谐振和对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好等问题。APF可以克服以上各缺点，但补偿容量受到功率器件容量的限制，高开关频率下损耗较大，且当容量较大时补偿性能会降低。HAPF能够发挥以上两种方法的优点，由无源滤波器补偿主要次谐波，从而降低有源部分容量，有源部分负责高次谐波电流的补偿，提高补偿的性能。但是在中高压的应用场合，如何进一步处理好有源部分容量、效率、开关频率与补偿性能间的矛盾约束关系还是一个非常有意义的课题，本发明人正是着眼于此，以期创设一种新的交错分频谐波补偿方法，缓解上面所提矛盾。
发明内容
本发明的目的在于克服现有谐波补偿装置有源部分容量、效率、开关频率与补偿性能间的矛盾约束关系，特提供了一种新型的谐波补偿装置主电路拓扑及其谐波电流分频率给定算法。
所述谐波电流分频交错补偿装置应用于三相三线的信号连接结构如图2所示，锁相环PLL模块对相电压进行锁相产生的相角信号，加上对负载电流iL、低频逆变单元补偿电流iCL和直流侧电容电压udc的采样信号提供给参考电流给定模块，计算得出补偿参考电流低频分量和补偿参考电流高频分量，再通过对两个逆变单元实际的谐波补偿电流iCL和iCH进行采样，由电流跟踪控制算法模块产生两个输出平均电压信号vconL和vconH,通过PWM调制与驱动电路模块产生开关信号作用到主电路开关器件，主电路产生的电流通过无源滤波支路注入到电网，进而对负载产生的无功电流和谐波电流进行补偿。
所述的主电路拓扑是指，有源部分包括低频大功率逆变电路单元和高频小功率逆变电路单元，二者共用直流侧母线电容，分别与7次串联谐振无源滤波支路和13次串联谐振无源滤波支路串联后接入电网。
所述的补偿方法是指，低频逆变电路单元由大功率GTO器件构成，采用较低的驱动频率主要负责补偿无功电流、5次、7次和11次谐波电流等低频待补偿电流分量，还负责直流侧电压的维持；高频逆变电路单元由小功率IGBT器件构成，采用较高的驱动频率，主要负责补偿剩余的高次谐波电流分量。
本发明的另一个目的在于提供了一种能够将补偿电流参考信号分频率给定的方法，为此，采用滑动DFT谐波电流检测方法得到无功电流、5次、7次和11次谐波电流再加上通过PI调节算法给定的有功损耗电流作为补偿参考电流低频分量，而高频参考电流的给定是通过负载电流，减掉负载有功电流，再减掉低频单元补偿的电流，加上有源损耗有功参考电流得到。
有益效果：
低频串联谐振支路和高频串联谐振支路分别补偿两组频率分量中的含量最大的5次和13次谐波电流，充分发挥无源滤波支路补偿容量大的优点降低的有源部分的补偿容量；低频逆变单元负责低频待补偿电流的补偿，采用较低的采样频率，降低了开关损耗，提高了效率，充分发挥了GTO的效能；高频逆变单元承担高次剩余的高次待补偿分量，容量可以较小，但可以采用较高的采样频率，有利于补偿性能的提高。
附图说明
图1为本发明中谐波电流分频交错补偿装置的主电路结构示意图；
图2为本发明谐波电流分频交错补偿装置的系统总体结构图；
图3为本发明中谐波电流分频率给定算法结构图；
图4为本发明中参考电流跟踪控制和PWM调制与驱动框图；
图5为本发明应用于三相整流桥加阻感负载的谐波治理的补偿结果；其包括图5（a）-图5（e），其中，
图5(a)是电网电压曲线；
图5(b)是非线性负载产生的三相电流曲线；
图5(c)是谐波补偿装置产生的电流曲线；
图5(d)是补偿后的电网电流曲线；
图5(e)是直流侧电压曲线。
具体实施方式
本装置用于三相整流桥加阻感负载的谐波治理的结构图如图2所示，电源是50Hz三相380V交流电，负载是三相二极管整流桥加阻感型负载构成的非线性负载，电阻电感分别是26Ω和10mH。谐波治理装置由锁相环（PLL）模块、电流电压传感器、参考电流分频给定模块、电流跟踪控制算法模块、PWM&驱动电流模块和双逆变单元主电路构成。PLL模块以74HC4046为核心，加上一片累加计数器CD4040和低通滤波器组成。参考电流分频给定模块如图3所示，是补偿参考电流低频分量，主要由采用滑动DFT谐波电流检测方法得到无功电流、5次、7次和11次谐波电流再加上通过PI调节算法得到的有功损耗电流构成。是补偿参考电流高频分量，由负载电流，减掉负载有功电流，再减掉低频单元补偿的电流，加上有源损耗有功参考电流得到。电流跟踪控制模块和PWM&驱动电流模块由图4所示，低频和高频通道的控制算法均采用PI算法，输出分别用低频载波和高频载波进行调制，得到空占比可变的门级信号，在通过驱动电流产生互补的门级驱动信号，输出到主电路相应的开关器件的门级。双逆变单元主电路如图1所示，直流母线电压设定为120V，该电压远小于电网的相电压，DSP采样频率为12.8KHz时装置稳态工作时的补偿结果如图5所示。可见，补偿后电网电流基本上是正弦的，直流母线电压维持在120V，波动很小。电流谐波畸变率由补偿前的23%左右，下降到3%左右，能够有效的补偿该非线性负载产生的谐波电流。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种谐波电流分频交错补偿装置，包括有源部分和无源部分，其特征在于：有源部分由低频大功率逆变电路单元和高频小功率逆变电路单元构成，所述两个逆变电路单元共用一个直流侧母线电容Cdc，二者分别与7次串联谐振支路和13次串联谐振支路串联后，再与滤波电容并联后接入电网；
所述低频大功率逆变电路单元由大功率GTO器件构成的三相桥式逆变电路构成，其驱动信号的频率为1-2KHZ；
所述高频小功率逆变电路单元由小功率IGBT器件构成的三相桥式逆变电路构成，其驱动信号的频率为10-30KHZ；
所述7次串联谐振支路的谐振频率是7次电网谐波频率，13次串联谐振支路的谐振频率是13次电网谐波频率，两个谐振支路中的串联电容CF1和CF2承受至少90％以上的电网基波电压；
低频大功率逆变电路单元负责由无功电流分量、低次谐波电流分量和直流侧电压维持所需有功电流共同构成的补偿参考电流低频分量的产生；
所述高频小功率逆变电路单元负责补偿低频逆变电路单元补偿后剩余的所有谐波电流，统称为补偿参考电流高频分量；
所述直流侧母线电容Cdc的电压参考值采用小于电网侧电压的值，根据功率器件功率等级限制和待补偿谐波电流值和谐波谐振支路参数确定；
所述的补偿参考电流低频分量或所述的补偿参考电流高频分量的给定通过谐波电流分频率给定算法实现，低频逆变单元和高频逆变单元的补偿参考电流的计算采用基于滑动DFT谐波电流检测方法，其中，补偿参考电流低频分量由非线性负载产生的无功电流、5次、7次和11次谐波电流再加上通过PI调节算法得到的装置有功损耗电流构成。
2.一种权利要求1所述补偿装置的谐波电流分频给定算法，其特征在于:补偿参考电流高频分量由负载电流，减掉负载有功电流，再减掉低频大功率逆变电路单元补偿的电流，加上有源损耗有功参考电流得到。
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