CN104505834B - 一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法，采集单元采集电流电压信号，并对电压信号进行锁相；并对系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf分别进行FFT分析。根据阻抗对偶原理采用虚拟阻抗，通过并联有源电力滤波装置在自身容量容许的条件前，产生容性无功电流，该容性无功电流等效为在负载中串入一个电感，以达到改变系统谐振点。本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法，实现在线实时判断系统谐波放大频谱及谐振频次。根据所测谐波放大频次自适应进行谐波补偿，避免谐振及谐波放大频次。

Description

一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法。

背景技术

近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子变流装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，给电力系统带来了大量的谐波污染。为了提高电力系统的功率因数，电力系统通常会配置TSC型无功补偿装置，同时很多用电装置为了提高装置自身的功率功率因数，装置也会在内部配置电容器提高功率因数，如变频器，充电站中的充电机等，可以将这些电容等效为配电系统中有大量的分布式容性负载。由于非线性负荷谐波频谱含量丰富，各次谐波均有可能存在，导致系统中存在容性负载时易发生并联及谐波放大。并联有源滤波装置在含容性负载的配电网中进行谐波补偿时，由于并联谐振及谐波放大，使得有源滤波装置不能正常工作或谐波补偿率低，补偿效果不好。

目前，市场上大多数有源滤波装置对于接入系统方式、补偿负荷类型都作了一定要求，一般都要求按图1所示接入系统，要求无功补偿电容C接在有源滤波装置接入系统的公共连接点PCC点之前，要求滤波装置的采样电流不能含有电容电流i_C。参见图2、图3所示的接入系统方式，有源滤波装置不能稳定运行，存在控制上的不足，导致其应用上的局限性。参见图4，图4是常规有源滤波装置应用时因系统发生并联谐振而导致有源滤波装置不能稳定运行的分析原理图，X_S为从公共连接点以上的系统等效短路阻抗、X_C及R为负荷，I_h为谐波源，当含有X_S与X_C的谐振频率谐波成分时，X_S与X_C及R发生并联谐振。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种容性负载的抑制并联谐振的自适应补偿控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法，

步骤一、采集单元采集电流电压信号，并对电压信号进行锁相；并对系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf分别进行FFT分析；

步骤二、对步骤一的系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf分析结果进行判断，对以上三值分别进行FFT及IFFT变换后可得各次谐波，对于h次谐波，应满足下式：i_sh＝i_lh+i_apfh，即电源侧某频次谐波近似为负载侧与滤波输出侧之和。倘若i_sh<<i_lh+i_apfh，即电源侧某频次远小于负载侧与滤波输出侧之和，判定此次谐波因容性负载原因发生谐波放大或谐振，得出谐波放大频次h；

步骤三、FPGA控制器将检测判断结果存入内部自建的双口RAM，同时给DSP主控制器发同步时序信号，DSP主控制器收到同步时序信号后读取双口RAM中的处理数据；

步骤四、根据系统电压U_S、负载电流i_l，及步骤二中判断出的放大谐波次数h计算出负荷等效阻抗Z_l、公共连接点上端的系统等效短路阻抗X_S；

步骤五、当系统发生谐波放大或谐振时，通常在系统中串入电抗器改变系统阻抗从而改变系统谐振频次、系统谐振点或谐波放大次数，使系统特征次谐波中不包含谐振频次谐波分量，根据阻抗对偶原理，在系统中串入电抗等效为在系统中并入电容。本发明采用虚拟阻抗来实现，通过并联有源电力滤波装置在自身容量容许的条件前，产生容性无功电流，该容性无功电流等效为在负载中串入一个电感，以改变系统谐振点；

步骤六、根据步骤五的等效虚拟阻抗改变系统谐振频次，有源电力滤波装置的目标补偿电流不包含系统谐振频次成分谐波，使系统滤波装置能稳定正常工作。

作为上述方案的进一步优化，步骤二中的判断方法为：对系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf进行FFT、IFFT变换得各次谐波，对同一频次谐波进行三个检测位置比较，设h次应满足下式：i_sh＝i_lh+i_apfh，即电源侧某频次为负载侧与滤波输出侧之和；

若i_sh<<i_lh+i_apfh，即电源侧某频次远小于负载侧与滤波输出侧之和，判定此次谐波因容性负载原因发生谐波放大或谐振。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供一种容性负载的抑制并联谐振的自适应补偿控制方法，实现在线实时判断系统谐波放大频谱及谐振频次；根据所测谐波放大频次自适应进行谐波补偿，避免谐振及谐波放大频次。

附图说明

图1为常规有源滤波装置接入系统示意图。

图2为有源滤波装置APF公共连接点PCC在补偿电容前接入系统示意图。

图3为有源滤波装置APF接入系统示意图。

图4为常规有源滤波装置并联谐振原理图。

图5为本发明的有源滤波装置APF接入系统示意图。

图6为本发明的有源滤波装置的内部电路结构框图。

图7为本发明的一种容性负载抑制并联谐振的自适应补偿控制方法原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图5，为本发明的有源滤波装置APF接入系统示意图，采用两套电流CT，CT1位置在公共连接点PCC点之前靠近电源侧，CT2在PCC点之后靠近负载侧，根据两套CT检测结果结合有源滤波装置自身输出电流，判断谐振或谐波放大的频次。

图6为本发明采用的有源滤波装置APF的内部电路结构框图。有源滤波装置以DSP控制器为主控，以FPGA控制器为数据处理控制器，同时在FPAG控制器的内部实现双口RAM功能进行数据传送和同步。

定义：本发明的一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法应用的CLARK、PARK、PARK逆变换矩阵分别为：

CLARK变换： $C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

PARK变换： $C_{\mathrm{dq}}^{+}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{wt}& -\cos \mathrm{wt}\\ -\cos \mathrm{wt}& -\sin \mathrm{wt}\end{array}\right],$

PARK逆变换：

参见图7，一种对容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法，包括如下步骤：

步骤一、采集单元采集电流电压信号，并对电压信号进行锁相；并对系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf分别进行FFT分析；对系统电压进行PLL锁相得到A相电压相位ωt，分别得到sinωt、cosωt。

系统电压在dq坐标系中值为 $\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\&OverBar;}{V}}_d^{+}\\ {\stackrel{\&OverBar;}{V}}_q^{+}\end{array}\right]=C_{32}*C_{\mathrm{dq}}^{+}*\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right].$

对采集单元采集的各电流分量进行FFT变换，得到各电流分量在频率中的分量，除去基波分量，根据实际应用工况要求进行谐波分量全补偿或有选择性补偿，得到目标电流在频域中的值。

将目标补偿电流进行IFFT变换得到ABC三相目标电流在时域中的值将目标补偿电流通过CLARK、PARK变换，在d轴加上直流电压闭环控制分别输出dq坐标系下d、q的目标电流。

将采样到的装置输出电流i_apf通过CLARK、PARK，系统电压进行CLARK、PARK变换，在dq坐标系进行系统前馈控制及dq坐标分量的解耦直流电压电流双闭环控制。

步骤二、对步骤一的系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf分析结果按如下方法进行判断，得出谐波放大频次h；

对于h次谐波，应满足下式：i_sh＝i_lh+i_apfh，即电源侧某频次谐波近似为负载侧与滤波输出侧之和。倘若i_sh<<i_lh+i_apfh，即电源侧某频次远小于负载侧与滤波输出侧之和，判定此次谐波因容性负载原因发生谐波放大或谐振，得出谐波放大频次h。

对系统电流、负载电流、装置输出电流进行FFT、IFFT变换得各次谐波，对同一频次谐波进行三个检测位置比较，按图5所示电流参考方向，h次应满足下式：i_sh＝i_lh+i_apfh，即电源侧某频次近似为负载侧与滤波输出侧之和。

若i_sh<<i_lh+i_apfh，即电源侧某频次远小于负载侧与滤波输出侧之和，则此时基本可判定h次谐波因容性负载原因发生谐波放大或谐振。

步骤三、FPGA控制器将检测判断结果存入内部自建的双口RAM，同时给DSP主控制器发同步时序信号，DSP主控制器收到同步时序信号后读取双口RAM中的处理数据；

步骤四、根据系统电压U_S、负载电流i_l，及步骤二中判断出的放大谐波次数h可计算出计算负荷等效阻抗Z_l、公共连接点上端的系统等效短路阻抗X_S，其中：

$Z_l={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s/{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_l=R+j{X}_l;$

X_S＝X_L/h；

步骤五、当系统发生谐波放大或谐振时，通常在系统中串入电抗器改变系统阻抗从而改变系统谐振频次、系统谐振点或谐波放大次数，使系统特征次谐波中不包含谐振频次谐波分量。根据阻抗对偶原理，在系统中串入电抗等效为在系统中并入电容。本发明采用虚拟阻抗来实现，通过并联有源电力滤波装置在自身容量容许的条件前，产生容性无功电流，该容性无功电流等效为在负载中串入一个电感，以改变系统谐振点；

为改变系统谐振点，需在负载交流侧串入3％-5％的电抗器，在实际系统中不能实现，基于对偶原理可通过在负载侧并联电容器能实现，实际系统中并联电容器也难以实现。本发明通过有源滤波装置实现虚拟阻抗，发容性电流来实现等效并联电容器。

根据上述步骤计算出的发生谐波放大时的系统等效短路阻抗Xs、负载等效阻抗Z_l＝R+jX_l，放大谐波次数h，计算改变谐振点所需并联等效电容容抗 ^*选取的原则为根据计算出增加并联电容电流控制有源滤波在容量容许范围内发指令电流加入实现谐波补偿同时抑制系统原来的谐波放大或谐振，在装置发出后，重复步骤一至步骤五，判断是否仍有谐波放大现象，如有需重新设置

上述解决方案是理想解决方案，通常情况下受限于有源滤波装置容量，系统无功不能过补等因素，上述方案并不能完全实施。优化的，有源滤波装置采用可选择性滤波方式，滤波装置不产生发生谐波放大的h次谐波，保证装置稳定运行。

步骤六、根据步骤五的等效虚拟阻抗不改变系统谐振频次，有源电力滤波装置的目标补偿电流不包含系统谐振频次成分谐波，使系统滤波装置能稳定正常工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法，其特征在于：

步骤一、采集单元采集电流电压信号，并对电压信号进行锁相；并对系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf分别进行FFT分析；

步骤二、对步骤一的系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf分析结果进行判断，对系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf三值分别进行FFT及IFFT变换后可得各次谐波，对于各次谐波，应满足电源侧某频次谐波近似为负载侧与滤波输出侧之和；倘若电源侧某频次远小于负载侧与滤波输出侧之和，判定此次谐波因容性负载原因发生谐波放大或谐振，得出谐波放大频次h；

步骤三、FPGA控制器将检测判断结果存入内部自建的双口RAM，同时给DSP主控制器发同步时序信号，DSP主控制器收到同步时序信号后读取双口RAM中的处理数据；

步骤四、根据系统电压U_S、负载电流i_l，及步骤二中判断出的放大谐波次数h计算出负荷等效阻抗Z_l、公共连接点上端的系统等效短路阻抗X_S；

步骤五、当系统发生谐波放大或谐振时，通常在系统中串入电抗器改变系统阻抗从而改变系统谐振频次、系统谐振点或谐波放大次数，使系统特征次谐波中不包含谐振频次谐波分量，根据阻抗对偶原理，在系统中串入电抗等效为在系统中并入电容；本发明采用虚拟阻抗来实现，通过并联有源电力滤波装置在自身容量容许的条件前，产生容性无功电流，该容性无功电流等效为在负载中串入一个电感，以改变系统谐振点；

步骤六、根据步骤五的等效虚拟阻抗改变系统谐振频次，有源电力滤波装置的目标补偿电流不包含系统谐振频次成分谐波，使系统滤波装置能稳定正常工作。

2.根据权利要求1所述的一种容性负载的抑制并联谐振自适应补偿控制方法，其特征在于：步骤二中的判断方法为：对系统电流i_S、负载电流i_l、装置输出电流i_apf进行FFT、IFFT变换得各次谐波，对同一频次谐波进行三个检测位置比较，应满足电源侧某频次为负载侧与滤波输出侧之和；

若电源侧某频次远小于负载侧与滤波输出侧之和，判定此次谐波因容性负载原因发生谐波放大或谐振。