CN105007060A - 一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，包括谐波提取步骤、重复控制步骤、辅助控制步骤。从误差电流中提取需要补偿的基波和谐波分量。通过重复控制累加器对所述谐波提取的结果，进行稳态无差的追踪控制。定期清除驻留在所述重复控制累加器中的选频范围以外的谐波。本发明可以解决实际的电力系统中因负荷电流的幅值和相位的动态变化引起的非选定频率的信号驻留在重复控制累加器中的问题，从而避免了有源滤波器对电网造成新的谐波污染。

Description

一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法

技术领域

本发明涉及有源滤波器技术领域，尤其是指一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法。

背景技术

今天，随着现代工业技术的发展和精密电子设备的广泛应用，电力系统污染与电能质量问题日益突出，一方面，谐波污染情况随着非线性负载的增加而不断恶化，另一方面，电力用户对于电能质量提出越来越高的要求，谐波等电力系统污染的治理显得越来越重要。

随着电力电子器件容量的增加和成本的降低，采用多功能有源滤波器的可行性和方便性逐步体现出来。对谐波提取的需求逐渐转移到对指定频率进行选频滤波、避免谐振、与无源滤波器配合，以及某些算法的特定需求上来。

在现有的有源滤波器中，由于RDFT选频滤波器作为FIR滤波器在零状态启动时，具有一个工频周期的暂态过程，在之后系统选定谐波电流的衰减过程中，同样存在暂态过程。在这些的暂态过程中，滤波器的输入信号不是周期信号，因而从频域分析角度看含有大量的非整次谐波。当系统逐渐进入稳态后，这些非周期信号驻留在重复控制缓冲器中，并由重复控制器周期性重复发出，其中的非整次谐波也就转变为整次谐波，包括大量选定频率以外的谐波信号。由于这些非选定频率的电流在动态过程完成后，作为非选定频率的整次谐波再次经过RDFT选频滤波器时，将被阻塞，因而重复控制累加器中的这些非选定频率的电流将永远驻留下去，并作为有源滤波器的输出电流对电力系统进行污染。

在实际的电力系统中，负荷电流的幅值和相位将根据用户的投切操作经常发生变化，因而在这些变化的动态过程中，将不断有非选定频率的信号驻留在重复控制累加器中，严重影响有源滤波器的补偿效果。

发明内容

为了克服有源滤波器的重复控制器与RDFT选频滤波器配合使用时，将出现非选定谐波驻留重复控制缓冲区的问题，本发明提供一种能够清除有源滤波器中非选定谐波的方法，所采用的技术方案是：

一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，包括谐波提取步骤,即从误差电流中提取需要补偿的基波和谐波分量。重复控制步骤，即通过重复控制累加器对所述谐波提取的结果，进行稳态无差的追踪控制。辅助控制步骤，即定期清除驻留在所述重复控制累加器中的选频范围以外的谐波。

所述辅助控制步骤忽略输入信号，直接对所述重复控制累加器中的缓冲区进行RDFT选频滤波，滤波结果存入一个新的缓冲区Buf1，同时送入PWM发生机构后输出到外围物理系统，当所述辅助控制步骤结束时，将Buf1的内容整体复制到所述重复控制累加器的缓冲区Buf0覆盖原值。

所述重复控制步骤和辅助控制步骤交替应用。

进一步地，所述重复控制步骤每次应用K_rep个工频周期(K_rep∈Z⁺)，所述辅助控制步骤每次应用1个工频周期,重复控制步骤的工频周期个数可以根据实际情况进行确定，从而兼顾了工作效率和清除效果的问题。

进一步地，所述谐波提取步骤采用FIR滤波器实现，此滤波器可以对整次谐波方便、灵活地设置滤波器增益和相移。

进一步地，所述重复控制累加器采用积分型重复控制器、比例-积分型重复控制器或直通型重复控制器中的一种。

进一步地，所述的FIR滤波器为RDFT组合选频滤波器，所述的RDFT组合选频滤波器选择3次谐波算法表示为：

$F\left(z\right)=\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}cos\left(\frac{6\mathrm{\π}(i+2)}{N}\right)z^{-i}$

N为FIR滤波器的阶数；

F(z)为RDFT组合选频滤波器的传递函数；

$z=e^{{\mathrm{sT}}_s},$ 采样周期为 $T_s=\frac{L}{N}$

其中，负荷电流i_L表示为：

$i_L=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ \sin \left(\mathrm{\&omega;}t\right)+0.1\sin \left(3\mathrm{\&omega;}t\right)& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.\mathrm{\&omega;}=100\mathrm{\&pi;}$

其中，系统电压V_m表示为：

V_S＝V_m sin(ωt)

其中，V_M为接入点电压。

进一步的，所述FIR滤波器的FIR系数由一个或多个RDFT单谐选频滤波器的系数加和而成，此滤波器不存在干扰和误差积累问题。

进一步的，所述的RDFT组合选频滤波器的选频范围：Γ＝{1，2，…，25}。

进一步的，所述的RDFT组合选频滤波器的增益：Jk＝0.2，k∈Γ，Γ为RDFT组合选频滤波器的选频范围。

进一步的，所述的RDFT组合选频滤波器的延时补偿系数：实测最优补偿系数，各次谐波从2.4到5.0不等。

本发明的有益效果是：

有源滤波器的重复控制器与RDFT选频滤波器配合使用时，将出现非选定频率信号驻留重复控制缓冲区的问题。针对此问题，本清除有源滤波器中非选定谐波的方法设计了辅助控制步骤，并提出了辅助控制步骤与重复控制步骤交替应用的控制方法，此方法可以完全解决非选定频率信号驻留重复控制缓冲区的问题，从而可以避免有源滤波器的输出电流对电力系统进行新的污染。

附图说明

图1是本发明一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法的工作原理图；

图2是本发明一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法中辅助控制步骤的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中所有附图中相同的标号代表相同或类似的部件，说明书中的附图为简化形式，仅供理解本发明的具体结构。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，以下结合附图对本发明实施进行说明。

如图1所示，一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，包括谐波提取、重复控制、辅助环节和PWM发生机构，谐波提取从误差电流中提取需要补偿的基波和谐波分量，重复控制对提取出的部分进行稳态无差的追踪控制，辅助环节针对重复控制与谐波提取配合过程中存在的非选定谐波问题，辅助环节定期清除驻留在重复控制的选频范围以外的谐波；

所述的重复控制和辅助环节交替应用，重复控制每次应用K_rep个工频周期(K_rep∈Z⁺)，辅助环节每次应用1个工频周期；

所述谐波提取为FIR滤波器，所述的FIR滤波器为RDFT组合选频滤波器，RDFT组合选频滤波器根据FIR滤波器的可叠加性构造得出。述的RDFT组合选频滤波器选择3次谐波算法可表示为：

$F\left(z\right)=\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}cos\left(\frac{6\mathrm{\&pi;}(i+2)}{N}\right)z^{-i}$

N为FIR滤波器的阶数，同时也是周期信号每个周期的采样点数；

F(z)为RDFT组合选频滤波器的传递函数；

$z=e^{{\mathrm{sT}}_s},$ 采样周期为 $T_s=\frac{L}{N}$

其中，负荷电流i_L可表示为：

$i_L=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ \sin \left(\mathrm{\&omega;}t\right)+0.1\sin \left(3\mathrm{\&omega;}t\right)& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.\mathrm{\&omega;}=100\mathrm{\&pi;}$

其中，系统电压V_m可表示为：

V_S＝V_m sin(ωt)

其中，V_m为接入点电压。

所述FIR滤波器的FIR系数由一个或多个RDFT单谐选频滤波器的系数加和而成。RDFT单谐选频滤波器是直接引用DFT系数构造的一种FIR滤波器，是RDFT选频滤波器最简单最基本的一类。RDFT单谐选频滤波器具对于频率等于选定频率的信号，滤波器输出严格等于滤波器输入；对于其他频率信号，滤波器输出严格等于零。RDFT单谐选频滤波器的一个重要的优点，是可以通过调整FIR系数的方法，对系统的延时进行精确的补偿。

带有延时补偿的RDFT单谐选频滤波器的系数计算表达式可表示为：

$b_k\left(i\right)=\frac{2}{N}cos\&lsqb;\mathrm{\&Omega;}k(i+m_k)\&rsqb;$

其中，m_k为一实数，表示第k次谐波需要补偿的延时，单位为采样周期的个数。对于线性相位系统，m_k取与k无关的常数；对于非线性相位系统，m_k可以根据需要对应不同的k灵活取值。

所述重复控制是积分型重复控制器、比例-积分型重复控制器或直通型重复控制器。

如图2所示，所述辅助环节忽略输入信号，直接对重复控制缓冲区进行RDFT选频滤波，滤波结果存入一个新的缓冲区Buf1，同时送入PWM发生机构输出到系统，当辅助环节结束时，将Buf1的内容整体复制到重复控制缓冲区Buf0覆盖原值。

其中，控制参数为：

RDFT滤波器阶数：N＝128

RDFT滤波器选频范围：Γ＝{1,2,…，25}

RDFT增益：J_k＝0.2，K∈Γ

RDFT延时补偿系数：实测最优补偿系数，各次谐波从2.4至5.0不等。

重复控制模式持续时间：K_rep＝4

直流母线电压设定值：V*DC＝700V

功率闭环控制器比例系数：K_p＝-24

功率闭环控制器积分系数：K₁＝-20

在辅助控制模式下，图2中的F_clr(z)为J＝1，m＝0，选定的频率与F(z)相同的RDFT组合选频滤波器，虚线部分为辅助环节。两种模式交替应用，重复控制每次应用K_rep个工频周期(K_rep∈Z⁺)，辅助环节每次应用1个工频周期。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，其特征在于包括:

谐波提取步骤,即从误差电流中提取需要补偿的基波和谐波分量；

重复控制步骤，即通过重复控制累加器对所述谐波提取的结果，进行稳态无差的追踪控制；

辅助控制步骤，即定期清除驻留在所述重复控制累加器中的选频范围以外的谐波；

所述辅助控制步骤忽略输入信号，直接对所述重复控制累加器中的缓冲区进行RDFT选频滤波，滤波结果存入一个新的缓冲区Buf1，同时送入PWM发生机构后输出到外围物理系统，当所述辅助控制步骤结束时，将Buf1的内容整体复制到所述重复控制累加器的缓冲区Buf0覆盖原值；

所述重复控制步骤和辅助控制步骤交替应用。

2.根据权利要求1所述的一种有源滤波器提取选定谐波的方法，其特征在于：所述重复控制步骤每次应用K_rep个工频周期(K_rep∈Z⁺)，所述辅助控制步骤每次应用1个工频周期。

3.根据权利要求1所述的一种有源滤波器提取选定谐波的方法，其特征在于：所述谐波提取步骤采用FIR滤波器实现。

4.根据权利要求1所述的一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，其特征在于：所述重复控制累加器采用积分型重复控制器、比例-积分型重复控制器或直通型重复控制器中的一种。

5.根据权利要求3所述的一种有源滤波器提取选定谐波的方法，其特征在于：所述的FIR滤波器为RDFT组合选频滤波器，所述的RDFT组合选频滤波器选择3次谐波算法表示为：

$F\left(z\right)=\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\&Sigma;}}cos\left(\frac{6\mathrm{\&pi;}(i+2)}{N}\right)z^{-i}$

N为FIR滤波器的阶数；

F(z)为RDFT组合选频滤波器的传递函数；

$z=e^{{\mathrm{sT}}_s},$ 采样周期为 $T_s=\frac{L}{N}$

其中，负荷电流i_L表示为：

$i_L=\left\{\begin{array}{cc}0& t<0\\ \sin \left(\mathrm{\&omega;}t\right)+0.1\sin \left(3\mathrm{\&omega;}t\right)& t\&GreaterEqual;0\end{array}\right.\mathrm{\&omega;}=100\mathrm{\&pi;}$

其中，系统电压V_s表示为：

V_S＝V_msin(ωt)

其中，V_M为接入点电压。

6.根据权利要求5所述的一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，其特征在于：所述FIR滤波器的FIR系数由一个或多个RDFT单谐选频滤波器的系数加和而成。

7.根据权利要求5所述的一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，其特征在于：所述的RDFT组合选频滤波器的选频范围：Γ＝{1，2，…，25}。

8.根据权利要求5所述的一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，其特征在于：所述的RDFT组合选频滤波器的增益：Jk＝0.2，k∈Γ，Γ为RDFT组合选频滤波器的选频范围。

9.根据权利要求5所述的一种清除有源滤波器中非选定谐波的方法，其特征在于：所述的RDFT组合选频滤波器的延时补偿系数：X＝[2.4,5.0]。