CN104300542A - 一种消除电网背景谐波对并网电流影响的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除电网背景谐波对并网电流影响的方法及装置。在传统特定谐波消除法并网逆变器控制中增加谐波电流抑制环，并获得需要在逆变电压中注入的相应谐波电压的幅值和相位，通过离线求解获得带各种不同幅值和相位谐波注入的开关角数组，最后根据查表得到含有相应谐波幅值和相位的开关角并生成相应的脉冲波形，驱动特定谐波消除法并网逆变器的开关管，达到抑制电网背景谐波对并网电流产生的谐波的目的。本发明提出的消除并网电流谐波的方法，能使采用特定谐波消除法的三相并网逆变器的并网电流满足逆变器并网电流总谐波失真的要求，使得并网逆变器具有THD低和稳态性能好的特点，该方法实现简单方便、稳定可靠。

Description

一种消除电网背景谐波对并网电流影响的方法及装置
技术领域
本发明涉及逆变器控制及其调制技术，尤其涉及一种消除电网背景谐波对并网电流影响的方法及装置。
背景技术
PWM调制方式是逆变器的关键技术之一。目前广泛应用的调制方式主要包括正弦波PWM调制法（SPWM）、空间矢量PWM调制法（SVPWM）和特定谐波消除法（SHEPWM）。SVPWM调制法具有直流电压利用率高、转矩脉动小等优点，而相比SPWM和SVPWM调制法，SHEPWM调制法在相同的输出电能质量下具有更低的等效开关频率。因此，SHEPWM特别适合高功率并网逆变器的应用。
目前，SHEPWM调制法由于具有更低的等效开关频率，在电机驱动领域得到了很好的应用。更低的等效开关频率意味着更低的开关损耗，从而能够提高逆变器的效率，故可以将SHEPWM应用于并网逆变器，以获得更好的稳态性能。 
然而，SHEPWM调制法通常基于理想正弦波实现，当面临含有各种低次背景谐波的实际电网，其无法抵抗电网背景谐波对并网电流的副作用，从而导致传统SHEPWM难以用于实际工况的并网逆变器。特别的，当SHEPWM调制法应用于高功率并网逆变器时，逆变器输出滤波器较小，电网背景谐波对并网电流的影响更加严重，甚至导致并网电流总谐波失真（THD）不能满足并网标准的要求。可见，传统只含基波电流控制的SHEPWM并网逆变器难以满足实际应用条件。
发明内容
本发明的目的是克服现有应用于SHEPWM并网逆变器的调制技术的不足，提出一种消除电网背景谐波对并网电流影响的方法及装置。
本发明的技术方案如下：
一种消除电网背景谐波对并网电流影响的方法，其针对于特定谐波消除法三相并网逆变器，方法是：制作含有不同基波幅值、不同谐波幅值与相位的多维开关角数组表；在传统特定谐波消除法并网逆变器中增加多个并网电流谐波控制模块，来检测并网电流中的低次谐波含量并获得需要在逆变器输出电压中注入的谐波电压幅值与相位，再将谐波电压幅值与相位结合传统特定谐波消除法并网逆变器中的基波电压幅值，共同由查表地址生成模块生成查表地址，根据查表地址在多维开关数组表中找到相应的基波幅值、各个谐波的幅值与相位的一组开关角数据，通过驱动脉冲发生器生成相应的脉冲波形，驱动特定谐波消除法并网逆变器的开关管，特定谐波消除法并网逆变器输出含有相应基波幅值和各个谐波幅值与相位的三相电压，实现对电网背景谐波的有效补偿，从而达到消除并网电流中低次谐波的目的。
实现所述方法的消除电网背景谐波对并网电流影响的装置： 包括电网电压锁相模块、基波电流控制模块、多个n次谐波电流控制模块，查表地址生成模块、多维开关角数组表、驱动脉冲发生器，其中基波电流控制模块包括基波dq变换模块和基波调节器，n次谐波电流控制模块包括n次谐波dq变换模块和n次谐波调节器，n取6k±1，k为正整数，通过电网电压检测电路获得的电网电压ua，ub，uc连接到电网电压锁相模块的输入端，电网电压锁相模块的输出为电网电压相位角θ，电网电压相位角θ连接到基波dq变换模块的输入端，电网电压相位角θ乘以n后，连接到相应n次谐波dq变换模块，其中n取6k±1，k为正整数，通过并网电流检测电路获得的并网电流ia，ib，ic连接到基波dq变换模块和多个n次谐波dq变换模块，基波dq轴电流给定值id1ref和iq1ref分别减去基波dq变换模块的输出id1和iq1后得到基波电流dq轴误差id1 ’和iq1 ’，再将id1 ’和iq1 ’分别连接到基波调节器的输入端，基波调节器的输出为基波电压调制比m1和基波电压的相位θ1，基波电压的相位θ1加上电网电压相位角θ得到的结果连接到驱动脉冲发生器的输入；每个谐波dq轴电流给定值idnref和iqnref分别减去谐波dq变换模块的输出idn和iqn后得到谐波电流dq轴误差idn ’和iqn ’，再将idn ’和iqn ’分别连接到谐波调节器的输入端，谐波调节器的输出为谐波电压调制比mn和谐波电压的相位θn，将基波电压调制比m1、所有谐波电压调制比与谐波电压的相位连接到查表地址生成模块，其中n取6k±1，k为正整数，查表地址生成模块的输出端连接到多维开关角数组表的输入端，多维开关角数组表的输出端连接到驱动脉冲发生器的输入端，驱动脉冲发生器的输出端连接到特定谐波消除法并网逆变器的开关管。
本发明提出的消除特定谐波消除法并网逆变器并网电流中低次谐波的方法能在传统SHEPWM并网逆变器的基波电流控制环路上，增加谐波电流控制环路，并在SHEPWM并网逆变器的输出电压中注入与电网背景谐波相适应的谐波电压，从而有效抑制并网电流中的低次谐波，使得SHEPWM并网逆变器的并网电流满足并网标准的要求，且有良好的静态性能，结构简单，实现方便。
附图说明
       图1为消除特定谐波消除法并网逆变器并网电流低次谐波装置的结构示意图；
图2为一种带有谐波注入的多维开关角数组存储结构示意图；
       图3为带有谐波注入的SHEPWM在半个基波周期内的开关角示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
在传统的不包含谐波抑制的特定谐波消除法并网逆变器控制中，由基波电压调制比m1便可以通过查表地址生成器和一维开关角数组表获得相应的开关角数组，然后通过驱动脉冲发生器生成SHEPWM脉冲波形，通过驱动电路驱动开关管，完成SHEPWM的控制，但是传统SHEPWM并网逆变器对于电网中实际存在的电网背景谐波没有抑制能力，因此传统SHEPWM并网逆变器的并网电流中将出现大量的低次谐波电流，使得SHEPWM并网逆变器不能满足并网标准。
如图1所示，本发明提出的一种针对于SHEPWM并网逆变器的并网电流低次谐波消除的方法，其特征在于：通过对并网电流的检测，然后经过基波电流控制模块2和多个谐波电流控制模块3、4、5的运算处理，可以获得SHEPWM并网逆变器需要的输出电压(包括基波分量和谐波分量)，通过在带谐波分量的多维开关角数据表7中查找出相应的一组开关角数据，经过驱动脉冲发生器8，其中多维开关角数组表7的结构如图2所示，形成脉冲驱动SHEPWM并网逆变器的开关管，其中SHEPWM并网逆变器的驱动脉冲如图3所示，得到带有谐波分量的逆变器输出电压，实现对电网背景谐波的补偿，完成对并网电流中谐波电流的控制；
所述的多维开关角数组表的获得是根据SHEPWM非线性方程组在半个基波周期内的求解，方程组如下所示：
                                                
通过设定第M次谐波（或基波）的幅值调制比mM和相位角θM，求解出所有含有不同谐波的开关角数组，按照图2所示的结构将其存储于大容量存储器中（如SD卡）以备查询使用。以5、7次谐波消除为例，在求解方程组时，需要设定m1，m5，θ5，m7，θ7分别为指定范围内的不同参数，然后分别求解出对应的α1至αN，然后按照图2的存储结构，将所有的开关角数组存为一个多维数组表。由基波电流控制模块和5、7次谐波电流控制模块获得SHEPWM并网逆变器需要输出的基波电压调制比m1、谐波电压调制比和相位角m5，θ5，m7，θ7，在查表地址生成模块中将所有量与多维开关角数组表中的基波调制比、谐波电压调制比和相位角相对应，获得一个查表地址（m1，m5，θ5，m7，θ7），通过查表地址就可以在多维开关角数组内找到对应的基波调制比、谐波电压调制比和相位角相应的一组开关角数据，与驱动脉冲发生器的输入量θ*共同决定某个时刻SHEPWM并网逆变器的开关管的开关状态，因此在驱动脉冲发生器中就可以产生相应的SHEPWM脉冲波形，驱动逆变桥的开关管。
针对以上所述的方法，本发明还具体提出了针对于特定谐波消除法三相并网逆变器消除电网背景谐波对并网电流影响的装置，包括电网电压锁相模块1、基波电流控制模块2、多个n次谐波电流控制模块，查表地址生成模块6、多维开关角数组表7、驱动脉冲发生器8，其中基波电流控制模块2包括基波dq变换模块201和基波调节器202，n次谐波电流控制模块包括n次谐波dq变换模块和n次谐波调节器，n取6k±1，k为正整数，所有的谐波电流控制模块相似，只是针对于不同次数的谐波电流，需要在不同的旋转坐标系下完成控制，比如5次谐波电流控制器，即n为5时，该谐波控制器针对于5次谐波电流，在5次旋转坐标系下计算出并网电流的dq轴分量，然后分别与给定值作差，将差值通过PI控制器的计算，便可获得5次谐波电压的dq轴控制量ud5，uq5；通过电网电压检测电路获得的电网电压ua，ub，uc连接到电网电压锁相模块1的输入端，电网电压锁相模块1的输出为电网电压相位角θ，电网电压相位角θ连接到基波dq变换模块201的输入端，电网电压相位角θ乘以n后，连接到相应n次谐波dq变换模块，其中n取6k±1，k为正整数，通过并网电流检测电路获得的并网电流ia，ib，ic连接到基波dq变换模块201和多个n次谐波dq变换模块，基波dq轴电流给定值id1ref和iq1ref分别减去基波dq变换模块201的输出id1和iq1后得到基波电流dq轴误差id1 ’和iq1 ’，再将id1 ’和iq1 ’分别连接到基波调节器202的输入端，基波调节器202的输出为基波电压调制比m1和基波电压的相位θ1，基波电压的相位θ1加上电网电压相位角θ得到的结果连接到驱动脉冲发生器8的输入；每个谐波dq轴电流给定值idnref和iqnref分别减去谐波dq变换模块的输出idn和iqn后得到谐波电流dq轴误差idn ’和iqn ’，再将idn ’和iqn ’分别连接到谐波调节器的输入端，谐波调节器的输出为谐波电压调制比mn和谐波电压的相位θn。基波电流控制模块的原理和谐波电流控制模块的原理相似，只是要在相应的旋转坐标系下进行运算，通过对并网电流相应的dq变换，得到电流在基波和谐波dq轴的分量，然后与给定值作差，差值做PI运算，便可获得基波电压的dq轴控制量ud1，uq1和谐波电压的dq轴控制量udn，uqn，通过如下运算
获得基波电压调制比m1和基波电压的相位θ1、谐波电压调制比mn和谐波电压的相位θn。将基波电压调制比m1、所有谐波电压调制比与谐波电压的相位连接到查表地址生成模块6，其中n取6k±1，k为正整数，查表地址生成模块6的输出端连接到多维开关角数组表7的输入端，根据图2的事先计算并存储在大容量存储器中的多维开关角数组表的结构，可以容易的查找到与查表地址依次对应的一组开关角数据α1至αN，多维开关角数组表7的输出端连接到驱动脉冲发生器8的输入端，驱动脉冲发生器8的输出端连接到特定谐波消除法并网逆变器的开关管。
工作原理：
制作含有不同基波幅值、不同谐波幅值与相位的多维开关角数组表7；在传统特定谐波消除法并网逆变器中增加多个并网电流谐波控制模块，来检测并网电流中的低次谐波含量并获得需要在逆变器输出电压中注入的谐波电压幅值与相位，再将谐波电压幅值与相位结合传统特定谐波消除法并网逆变器中的基波电压幅值，共同由查表地址生成模块6生成查表地址，根据查表地址在多维开关数组表7中找到相应的基波幅值、各个谐波的幅值与相位的一组开关角数据，通过驱动脉冲发生器8生成相应的脉冲波形，驱动特定谐波消除法并网逆变器的开关管，特定谐波消除法并网逆变器输出含有相应基波幅值和各个谐波幅值与相位的三相电压，实现对电网背景谐波的有效补偿，从而达到消除并网电流中低次谐波的目的。

Claims (2)

1. 一种消除电网背景谐波对并网电流影响的方法，其针对于特定谐波消除法三相并网逆变器，其特征在于：制作含有不同基波幅值、不同谐波幅值与相位的多维开关角数组表（7）；在传统特定谐波消除法并网逆变器中增加多个并网电流谐波控制模块，来检测并网电流中的低次谐波含量并获得需要在逆变器输出电压中注入的谐波电压幅值与相位，再将谐波电压幅值与相位结合传统特定谐波消除法并网逆变器中的基波电压幅值，共同由查表地址生成模块（6）生成查表地址，根据查表地址在多维开关数组表（7）中找到相应的基波幅值、各个谐波的幅值与相位的一组开关角数据，通过驱动脉冲发生器（8）生成相应的脉冲波形，驱动特定谐波消除法并网逆变器的开关管，特定谐波消除法并网逆变器输出含有相应基波幅值和各个谐波幅值与相位的三相电压，实现对电网背景谐波的有效补偿，从而达到消除并网电流中低次谐波的目的。
2. 一种实施如权利要求1所述方法的消除电网背景谐波对并网电流影响的装置，其特征在于： 
包括电网电压锁相模块（1）、基波电流控制模块（2）、多个n次谐波电流控制模块，查表地址生成模块（6）、多维开关角数组表（7）、驱动脉冲发生器（8），其中基波电流控制模块（2）包括基波dq变换模块（201）和基波调节器（202），n次谐波电流控制模块包括n次谐波dq变换模块和n次谐波调节器，n取6k±1，k为正整数，通过电网电压检测电路获得的电网电压ua，ub，uc连接到电网电压锁相模块（1）的输入端，电网电压锁相模块（1）的输出为电网电压相位角θ，电网电压相位角θ连接到基波dq变换模块（201）的输入端，电网电压相位角θ乘以n后，连接到相应n次谐波dq变换模块，其中n取6k±1，k为正整数，通过并网电流检测电路获得的并网电流ia，ib，ic连接到基波dq变换模块（201）和多个n次谐波dq变换模块，基波dq轴电流给定值id1ref和iq1ref分别减去基波dq变换模块（201）的输出id1和iq1后得到基波电流dq轴误差id1 ’和iq1 ’，再将id1 ’和iq1 ’分别连接到基波调节器（202）的输入端，基波调节器（202）的输出为基波电压调制比m1和基波电压的相位θ1，基波电压的相位θ1加上电网电压相位角θ得到的结果连接到驱动脉冲发生器（8）的输入；每个谐波dq轴电流给定值idnref和iqnref分别减去谐波dq变换模块的输出idn和iqn后得到谐波电流dq轴误差idn ’和iqn ’，再将idn ’和iqn ’分别连接到谐波调节器的输入端，谐波调节器的输出为谐波电压调制比mn和谐波电压的相位θn，将基波电压调制比m1、所有谐波电压调制比与谐波电压的相位连接到查表地址生成模块（6），其中n取6k±1，k为正整数，查表地址生成模块（6）的输出端连接到多维开关角数组表（7）的输入端，多维开关角数组表（7）的输出端连接到驱动脉冲发生器（8）的输入端，驱动脉冲发生器（8）的输出端连接到特定谐波消除法并网逆变器的开关管。
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