CN104578073A - 一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法，该方法具有如下特点：利用电流环生成的调制波信号，以一个系统周期内的最大调制比M_max为控制对象，通过在传统电流电压双闭环控制器的基础上增加一级直流侧电压参考值调节环，改变直流侧参考电压为实现对直流侧电压的动态调节，在满足补偿精度要求的前提下，最大限度地降低系统的功率损耗，从而使得APF补偿系统的综合性能达到最优。当谐波补偿指令电流急剧增加导致调节器输出的直流侧电压参考值高于直流侧电容可承受电压的上限值时，立即对补偿指令电流进行限幅，从而保证系统的安全稳定运行。本发明可以实现APF对功率损耗和补偿精度的综合优化，具有很好的可行性和实用价值。

Description

一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统，特别是电力电子技术中一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法。

背景技术

随着工业场合中的非线性负载逐渐增多，电能质量治理问题正日益受到关注。有源电力滤波器(APF)以其高度可控以及快速响应特点，逐渐成为谐波治理的首选，其中，又以并联型APF应用居多。在并联型APF主电路参数设计中，直流侧电压值的选取是系统设计中最为重要的关键环节之一，谐波补偿性能和功率损耗如何实现综合最优化是设计直流侧电压值优先考虑的因素。在调制比、开关频率、输出电感均相同的情况下，直流侧电压与系统功率损耗和输出电流的开关纹波的幅值大小均成正比，因而选择合适的、且能根据不同工况改变的直流侧电压有重要的意义。实际应用时，APF的直流侧电压一般采用固定值，当谐波容量上升时，较低的直流侧电压将无法满足补偿精度的要求；当谐波容量下降时，在满足补偿精度的基础上，较高的直流侧电压导致了较高的功率损耗，无法实现APF功率损耗和补偿性能的综合最优。

发明内容

要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法，用于解决由于现有的APF直流侧电压固定导致谐波补偿指令电流波动时出现补偿精度低、功率损耗大等技术问题。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法，在有源型谐波治理装置内设置控制器，控制器包括谐波检测单元、电流内环单元、电压外环单元、直流侧电压调节单元和PWM脉冲宽度调制单元；所述直流侧电压调节单元包括最大调制比检测单元和直流侧参考电压调节单元；

所述谐波检测单元采集网侧电压以及负载电流计算输出谐波补偿指令电流谐波补偿指令电流与电压外环单元的输出端的基波有功指令电流求和形成总指令电流总指令电流与桥臂电流i_C求差后得到二者之间的偏差形成调制波信号；将调制波信号与载波信号输入最大调制比检测单元中获得一个系统周期的最大调制比M_max；将一个系统周期的最大调制比M_max作为控制对象输入至直流侧参考电压调节单元中，根据输入的系统周期的最大调制比M_max的值动态调整获得下一个系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}；当前系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}与当前直流侧电压测量值U_dc求差后输入电压外环单元中，电压外环单元的输出端生成基波有功指令电流

所述PWM单元接收调制波信号和载波信号并进行调制后作为逆变器的驱动脉冲信号输入逆变器。

进一步的，在本发明中，在控制器中还包括输出限幅单元，所述输出限幅单元设置在谐波检测单元的输出端，当检测到一个系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}大于直流侧电容的可承受的电压上限时，输出限幅单元对谐波补偿指令电流进行限幅至额定补偿电流。

进一步的，在本发明中，将第k个系统周期的最大调制比输入至直流侧参考电压调节单元中，从而获得第k+1个系统周期的直流侧参考电压为：

$U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}^{(k+1)}=U_{\mathrm{dc}}^{\left(k\right)}*M_{\max }^{\left(k\right)}/M_{\mathrm{ref}}$

式中，为第k个系统周期的直流侧电压测量值，为第k个系统周期的最大调制比，M_ref为调制比参考值。

有益效果：

(1)本发明利用电流内环生成的调制波信号，以一个系统周期内的最大调制比M_max为控制对象，通过在传统电流电压双闭环控制器的基础上增加一个直流侧电压参考值调节环，改变直流侧参考电压为实现对直流侧电压的动态调节，在满足补偿精度要求的前提下，最大限度地降低系统的功率损耗，从而使APF补偿系统的综合性能最优化。

(2)当谐波补偿指令电流减小使得一个系统周期内的最大调制比M_max低于参考值M_ref时，通过直流侧参考电压调节器减小直流侧参考电压，在保证谐波补偿精度的基础上降低直流侧电压以减少功率损耗；同样的，当谐波补偿指令电流增加使得最大调制比M_max大于参考值M_ref时，通过直流侧参考电压调节器增大直流侧参考电压，从而增加直流侧电压以优先保证谐波补偿精度，有效抑制了负载谐波容量变化对APF补偿精度的影响。在保证APF补偿精度的同时，有效降低APF的功率损耗，并且极大地提高了APF适应不同类型实际工况的能力，实现了APF功率损耗和补偿精度的综合优化。

(3)在本发明中，直流侧参考电压调节器的输入信息直接来自电流内环的调制波信号，无需增加额外的传感器，也不用改变原来的硬件结构，实现方便。

(4)本发明中还设置输出限幅单元，当谐波补偿指令电流急剧增加导致直流侧参考电压调节器输出的直流侧参考电压大于直流侧电容可承受电压的上限时，立即将谐波补偿指令电流限幅到额定补偿电流，从而保证系统的安全稳定运行。

附图说明

图1、本发明的控制原理框图；

图2、本发明有源型谐波治理装置整机系统示意图；

图3、本发明双闭环控制结构图；

图4、本发明控制系统流程图；

图5、直流侧电压为700V时的网侧电流的波形图；

图6、直流侧电压为700V时FFT分析结果；

图7、直流侧电压为600V时的网侧电流的波形图；

图8、直流侧电压为600V时FFT分析结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为控制原理框图，其中左侧虚线方框内为增加的直流侧电压调节单元。在有源型谐波治理装置内设置控制器，控制器由谐波检测单元、电流内环单元、电压外环单元、直流侧电压调节单元、输出限幅单元以及PWM脉冲宽度调制单元组成。其中，直流侧电压调节单元包括最大调制比检测单元以及直流侧参考电压调节单元。所述谐波检测单元通过A/D转换单元检测到网侧电压以及负载电流从而计算出谐波补偿指令电流谐波补偿指令电流与电压外环单元的输出端的基波有功指令电流求和形成总指令电流总指令电流与桥臂电流i_C求差后得到二者之间的偏差形成调制波信号；

将调制波信号与载波信号输入最大调制比检测单元中获得一个系统周期的最大调制比M_max；将一个系统周期的最大调制比M_max作为控制对象输入至直流侧参考电压调节单元中，根据输入的系统周期的最大调制比M_max的值动态调整获得下一个系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}；系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}与当前直流侧电压测量值U_dc求差后输入电压外环单元中，电压外环单元的输出端生成用于稳定直流侧电压的基波有功指令电流

所述PWM单元接收调制波信号和载波信号并进行调制后作为逆变器的驱动脉冲信号输入逆变器。

图2所示为有源型谐波治理装置整机系统示意图。利用电流内环生成的调制波信号V_g，以一个系统周期内的最大调制比M_max为控制对象，通过在传统电流电压双闭环控制器的基础上增加一个直流侧电压参考值调节器，改变直流侧参考电压为(1)式

$U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}^{(k+1)}=U_{\mathrm{dc}}^{\left(k\right)}*M_{\max }^{\left(k\right)}/M_{\mathrm{ref}}---\left(1\right)$

由此实现对直流侧电压的动态调节，在满足补偿精度要求的前提下，最大限度地降低系统的功率损耗，从而使APF补偿系统的综合性能最优化。

当谐波补偿指令电流减小使得M_max低于参考值M_ref时，在保证谐波补偿精度的基础上降低直流侧电压以减少功率损耗；当谐波补偿电流增加使得最大调制比M_max大于参考值M_ref时，增加直流侧电压以优先保证谐波补偿精度，有效抑制了负载谐波容量变化对APF补偿性能的影响。在保证APF补偿精度的同时，有效降低APF的功率损耗，并且极大地提高了APF适应不同类型实际工况的能力，实现了APF功率损耗和补偿精度的综合优化。

应用举例：由载波信号与调制波信号共同计算出一个系统周期内的最大调制比M_max，若一个系统周期内最大调制比M_max在0.95～1.05之间时，在正常负载电流波动和计算误差之内，此时直流侧参考电压不做改变；当谐波补偿指令电流减少，使得一个系统周期内的最大调制比M_max小于0.95时，按照式(1)减小控制器输出的直流侧参考电压值，在保证系统补偿精度的基础上降低直流侧电压以减少系统的功率损耗；当谐波补偿指令电流增加，使得一个系统周期内最大调制比M_max大于1.05时，按照式(1)增加控制器输出的直流侧电压参考值，增加直流侧电压以优先保证系统的补偿精度。

图3为与图1结构对应的为双闭环控制结构图。在传统电流电压双闭环控制器的基础上增加一个直流侧电压参考值调节器，按照式(1)改变直流侧参考电压，实现对直流侧电压的动态调节，在满足补偿精度要求的前提下，最大限度地降低系统的功率损耗，从而使APF补偿系统的综合性能最优化。图3中，为谐波补偿指令电流，为基波有功指令电流，为总指令电流，i_C为桥臂电流，K_P1为电流内环的比例系数、K_i1为电流内环的积分系数，K_P2为电压外环的比例系数，K_i2为电压外环的积分系数，T_S为电流内环电流采样周期，E为网侧电压。

图4所示为控制系统流程图。控制系统检测初始参数，生成谐波补偿指令电流后开始补偿运行。当检测到第k个系统周期的最大调制比M_max超出调制比参考值M_ref时，下一个系统周期开始增加直流侧电压参考值；当检测到第k个系统周期的最大调制比M_max小于参考值M_ref时，下一个系统周期开始减小直流侧电压参考值。通过调节直流侧参考电压，实现补偿精度和功率损耗的综合优化。当谐波补偿指令电流突增导致下一个系统周期的直流侧参考电压超过直流电容的耐压值时，将谐波补偿指令电流限幅到装置的额定补偿电流，从而确保补偿系统的安全稳定运行。

图5至图8所示为验证直流侧电压取值与补偿精度的实验结果，图5、图6对应直流侧电压分别取值700V，图6、图8对应直流侧电压分别取值600V，其中图5和图7为网侧电流i_S的波形并且图5和图7的横轴表示时间、纵轴表示电流(单位A)，图6和图8为相应的FFT分析结果。可以看出，随着直流侧电压的降低，网侧电流i_S波形畸变明显，出现了周期性跟踪松弛，电流畸变率THD值逐渐上升，补偿精度变差。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法，其特征在于：控制器包括谐波检测单元、电流内环单元、电压外环单元、直流侧电压调节单元和PWM脉冲宽度调制单元；所述直流侧电压调节单元包括最大调制比检测单元和直流侧参考电压调节单元；

所述谐波检测单元采集网侧电压以及负载电流计算输出谐波补偿指令电流谐波补偿指令电流与电压外环单元的输出端的基波有功指令电流求和形成总指令电流总指令电流与桥臂电流i_C求差后得到二者之间的偏差形成调制波信号；将调制波信号与载波信号输入最大调制比检测单元中获得一个系统周期的最大调制比M_max；将一个系统周期的最大调制比M_max作为控制对象输入至直流侧参考电压调节单元中，根据输入的系统周期的最大调制比M_max的值动态调整获得下一个系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}；当前系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}与当前直流侧电压测量值U_dc求差后输入电压外环单元中，电压外环单元的输出端生成基波有功指令电流

所述PWM单元接收调制波信号和载波信号并进行调制后作为逆变器的驱动脉冲信号输入逆变器。

2.根据权利要求1所述的一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法，其特征在于：在控制器中还包括输出限幅单元，所述输出限幅单元设置在谐波检测单元的输出端，当检测到一个系统周期的直流侧参考电压U_{dc_ref}大于直流侧电容的可承受的电压上限时，输出限幅单元对谐波补偿指令电流进行限幅至额定补偿电流。

3.根据权利要求1或2所述的一种有源型谐波治理装置直流侧电压控制优化方法，其特征在于：将第k个系统周期的最大调制比输入至直流侧参考电压调节单元中，从而获得第k+1个系统周期的直流侧参考电压为：

$U_{\mathrm{dc}\_\mathrm{ref}}^{(k+1)}=U_{\mathrm{dc}}^{\left(k\right)}*M_{\max }^{\left(k\right)}/M_{\mathrm{ref}}$

式中，为第k个系统周期的直流侧电压测量值，为第k个系统周期的最大调制比，M_ref为调制比参考值。