CN105048463A - 基于电容电流反馈的hapf谐振抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电容电流反馈的HAPF谐振抑制方法，其包括如下步骤：步骤1、将负载电流i_CL传输至谐波电流检测环节；步骤2、PLL锁相环将同步信号θ_e传输至谐波电流检测环节；步骤3、PI电压控制器将生成谐波指令电流的有功功率分量P_dc传输至谐波电流检测环节；步骤4、谐波电流检测环节根据负载电流i_CL、同步信号θ_e以及谐波指令电流的有功功率分量P_dc生成SAPF谐波补偿指令电流i^*；步骤5、PI电流控制器生成调制波电压u₁；步骤6、对FC电容电流反馈控制，生成综合调制波电压u；步骤7、采用空间矢量脉宽调制输出PWM触发脉冲。本发明通过电容电流的反馈控制环节，增强阻尼，在实现对负载电流补偿的同时，有效抑制系统串联和并联谐振。

Description

基于电容电流反馈的HAPF谐振抑制方法

技术领域

本发明涉及一种谐振抑制方法，尤其是一种基于电容电流反馈的HAPF谐振抑制方法，属于电工类电力电子的技术领域。

背景技术

有源电力滤波器(ActivePowerFilter，APF)作为一种先进的谐波治理装置，由于具有良好的动态性能以及不受电网参数影响等诸多优点，近年来被越来越多的应用于配电网谐波抑制与无功补偿等电能质量治理领域。特别地，在某些无功需求量较大的场合，为了降低APF的容量和造价，通常结合无功补偿电容器(FixedCapacitor，FC)组成混合补偿装置(Hybridactivepowerfilter，HAPF)，由FC补偿大部分无功功率，APF补偿谐波和剩余少量无功功率。然而，在一定的参数条件下，电网谐波电压或负载谐波电流会引起无功补偿电容器和电网阻抗之间的串联或并联谐振，造成谐波放大；并且，当APF检测电流包含电容电流时，系统通常处于不稳定状态。

为了抑制谐振，现有的典型方法包括如下两种：第一，通过在FC支路上串联电抗器来调节系统的谐振点，该方法只能消除某一个频率点上的谐振，当谐振激励源或电网参数发生变化时，就会产生新的谐振。第二，检测公共接入点(PCC)谐波电压，该方法等效为在电网侧并联一个谐波电阻来阻尼系统谐振，但实际工程中由于电网谐波电压含量较小及检测误差，并不能充分提取该谐波电压。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于电容电流反馈的HAPF谐振抑制方法，其操作方便，通过电容电流的反馈控制环节，增强系统阻尼，在实现对负载电流补偿的同时，有效抑制系统串联和并联谐振。

按照本发明提供的技术方案，一种基于电容电流反馈的HAPF谐振抑制方法，所述HAPF谐振抑制方法包括如下步骤：

步骤1、获取负载电流i_CL，并将获取的负载电流i_CL传输至谐波电流检测环节；

步骤2、获取三相电网的电网电压u_g，对于获取的电网电压u_g，通过PLL锁相环获取所述电网电压u_g的同步信号θ_e，PLL锁相环将获取的同步信号θ_e传输至谐波电流检测环节；

步骤3、获取SAPF滤波器直流侧的电压值U_dc，将所述电压值U_dc与指令电压相比较，并经过PI电压控制器生成谐波指令电流的有功功率分量P_dc，PI电压控制器将生成谐波指令电流的有功功率分量P_dc传输至谐波电流检测环节；

步骤4、谐波电流检测环节根据负载电流i_CL、同步信号θ_e以及谐波指令电流的有功功率分量P_dc生成SAPF谐波补偿指令电流i^*；

步骤5、检测并获取SAPF滤波器输出的SAPF补偿电流i_f，在获取SAPF补偿电流i_f后确定SAPF补偿电流i_f与SAPF谐波补偿指令电流i^*的电流偏差值Δi，其中，所述电流偏差值Δi为

Δi＝i^*-i_f；

将得到的电流偏差值Δi输入至PI电流控制器，以使得PI电流控制器根据电流偏差值Δi生成调制波电压u₁，生成的调制波电压u₁为

$u_1=(K_p+\frac{K_i}{s})\×(i*-i_f),$

其中，k_p、k_i分别为PI电流控制器的比例和积分常数；

步骤6、获取FC支路的FC电容电流i_c，FC电容电流i_c经过反馈比例调节器后，以得到反馈调节值-K_c×i_c；将反馈调节值-K_c×i_c与调制波电压u₁相叠加，以生成综合调制波电压u，所述综合调制波电压u为

u＝u₁-k_c×i_c；

步骤7、对综合调制波电压u采用空间矢量脉宽调制输出PWM触发脉冲，以通过PWM触发脉冲触发SAPF滤波器内的开关工作。

PI电压控制器生成的谐波指令电流的有功功率分量P_dc为

$P_{dc}=(K_{pdc}+\frac{K_{idc}}{s})\×(U_{dc}^{*}-U_{dc}),$

其中，k_pdc、k_idc分别为PI电压控制器的比例和积分常数。

本发明的优点：

1、相比较于传统在FC支路上串联电抗器的谐振抑制方法，本发明谐振抑制频带范围较宽，且无需在FC支路上串联调谐电抗器，降低了装置的体积和造价，便于工程应用；

2、通过增加FC电容电流的反馈比例调节器来增强系统阻尼，在实现对负载电流补偿的同时，能够在负载电流包含和不包含FC电容电流的两种情况下，有效抑制系统串联和并联谐振，提高系统的稳定性；

3、当负载电流不包含FC电容器电流或者无功补偿装置为晶闸管投切电容器(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)时，该检测电流一方面可以用于APF和FC或TSC的协调控制，另一方面，可以实时监测FC支路或TSC支路的电流情况，保护装置的正常运行。

附图说明

图1为现有HAPF谐振抑制的电路原理图。

图2为本发明的电路原理图。

图3为未投入FC支路的实验波形图。

图4为切除FC支路且在投入整流器谐波负载时的实验波形图。

图5为在投入FC支路且不投入整流器谐波负载，仅有电网电压引起串联谐振特性与抑制示意图。

图6为SAPF滤波器未启动，投入FC支路以及整流器谐波负载时，采用现有谐波抑制方法时的实验波形图。

图7为SAPF滤波器未启动，投入FC支路以及整流器谐波负载时，采用本发明谐波抑制方法时的实验波形图。

图8为SAPF滤波器未启动，仅投入FC支路以及整流器谐波负载时的实验波形图。

图9为SAPF滤波器启动后采用现有谐波抑制方法时的实验波形图。

图10为SAPF滤波器启动后采用本发明谐波抑制方法时的实验波形图。

附图标记说明：100-SAPF滤波器、110-电压比较器、120-PI电压控制器、130-谐波电流检测环节、140-PLL锁相环、150-电流比较器、160-PI电流控制器、170-反馈比较器、180-反馈比例调节器以及190-SVPWM调制器。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为混合型有源电力滤波器(HAPF)的电路原理图，所述混合型有源电力滤波器由SAPF滤波器(并联型APF)100与无功功率补偿电容FC组成，C_f、L分别为SAPF滤波器100直流侧的电容和网侧的滤波电感；C为FC无功补偿电容；u_g为三相电网的电网电压，R_g、L_g分别为电网等效电阻、等效电感；R_L为整流器电阻负载。

如图2所示，为本发明对HAPF谐振抑制的电路原理图，其中，PLL锁相环140与三相电网连接，以得到三相电网的电网电压u_g的同步信息θ_e，所述同步信息θ_e为电网电压u_g的相位信息。PLL锁相环140的输出端与谐波电流检测环节130连接，谐波电流检测环节130还接收负载电流i_CL的输入，同时，谐波电流检测环节130还与PI电压控制器120的输出端连接，PI电压控制器120的输入端与电压比较器110的输出端连接。谐波电流检测环节130的输出端与电流比较器150的输入端连接，电流比较器150的输入端还接收SAPF滤波器100输出的SAPF补偿电流i_f。电流比较器150的输出端与PI电流控制器160的输入端连接，PI电流控制器160的输出端与反馈比较器170的一输入端连接，反馈比较器170的另一输入端与反馈比例调节器180连接，反馈比例调节器180用于对无功功率补偿电容FC的FC电容电流i_c进行反馈比例调节，反馈比较器170的输出端与SVPWM调制器190的输入端连接，SVPWM调制器190的输出端与SAPF滤波器100连接，以实现对SAPF滤波器100内的开关导通状态进行调节。

由图2以及上述说明可知，本发明对HAPF的谐振抑制主要由谐波电流检测、电流跟踪控制、FC电容电流反馈控制、SAPF直流侧电压控制以及SVPWM脉冲调制等五个环节组成，从而，本发明对HAPF谐振抑制方法包括如下步骤：

步骤1、获取负载电流i_CL，并将获取的负载电流i_CL传输至谐波电流检测环节130；

在具体实施时，负载电流i_CL可以包含FC电容电流i_c，当然也可以不包含FC电容电流i_c，具体可以根据负载工作情况确定，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。通过常规的技术手段来获取负载电流i_CL，具体获取的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤2、获取三相电网的电网电压u_g，对于获取的电网电压u_g，通过PLL锁相环140获取所述电网电压u_g的同步信号θ_e，PLL锁相环140将获取的同步信号θ_e传输至谐波电流检测环节130；

本发明实施例中，在获取电网电压u_g后，PLL锁相环140通过常规的技术手段或方式能得到电网电压u_g的同步信号θ_e。

步骤3、获取SAPF滤波器100直流侧的电压值U_dc，将所述电压值U_dc与指令电压相比较，并经过PI电压控制器120生成谐波指令电流的有功功率分量P_dc，PI电压控制器120将生成谐波指令电流的有功功率分量P_dc传输至谐波电流检测环节130；

本发明实施例中，通过检测电容C_f两侧的电压获得SAPF滤波器100直流侧的电压值U_dc，指令电压为控制目标值，指令电压的大小根据控制目标确定，确定指令电压的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。电压值U_dc与指令电压由电压比较器110进行比较，电压比较器100的比较过程计算为指令电压与电压值U_dc间的差值。

PI电压控制器120根据电压值U_dc与指令电压比较的结果生成的谐波指令电流的有功功率分量P_dc为：

$P_{dc}=(K_{pdc}+\frac{K_{idc}}{s})\×(U_{dc}^{*}-U_{dc})$

其中，k_pdc、k_idc分别为PI电压控制器120的比例和积分常数。PI电压控制器120内的比例常数k_pdc、积分常数k_idc的大小可以根据试验进行确定，具体为本技术领域人员所熟知。

步骤4、谐波电流检测环节130根据负载电流i_CL、同步信号θ_e以及谐波指令电流的有功功率分量P_dc生成SAPF谐波补偿指令电流i^*；

本发明实施例中，谐波电流检测环节130根据负载电流i_CL、谐波指令电流的有功功率分量P_dc以及同步信号θ_e共同生成SAPF谐波补偿指令电流i^*，谐波电流检测环节130确定生成SAPF谐波补偿指令电流i^*的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤5、检测并获取SAPF滤波器100输出的SAPF补偿电流i_f，在获取SAPF补偿电流i_f后确定SAPF补偿电流i_f与SAPF谐波补偿指令电流i^*的电流偏差值Δi，其中，所述电流偏差值Δi为

Δi＝i^*-i_f；

将得到的电流偏差值Δi输入至PI电流控制器160，以使得PI电流控制器160根据电流偏差值Δi生成调制波电压u₁，生成的调制波电压u₁为

$u_1=(K_p+\frac{K_i}{s})\×(i*-i_f),$

其中，k_p、k_i分别为PI电流控制器160的比例和积分常数；

本发明实施例中，可以通过常规的技术手段SAPF滤波器100输出的SAPF补偿电流i_f，在获取SAPF补偿电流i_f后，将SAPF补偿电流i_f与SAPF谐波补偿指令电流i^*均输入至电流比较器150内，由电流比较器150确定SAPF补偿电流i_f与SAPF谐波补偿指令电流i^*的电流偏差值Δi。PI电流控制器160根据电流偏差值Δi得到调制波电压u₁，PI电流控制器160内比例常数k_p、积分常数k_i具体可以通过经验、试验等技术手段确定，具体确定过程为本技术领域人员确定。

步骤6、获取FC支路的FC电容电流i_c，FC电容电流i_c经过反馈比例调节器180后，以得到反馈调节值-K_c×i_c；将反馈调节值-K_c×i_c与调制波电压u₁相叠加，以生成综合调制波电压u，所述综合调制波电压u为

u＝u₁-k_c×i_c；

本发明实施例中，可以采用常规技术手段获取FC支路的FC电容电流i_c，将获取的FC电容电流i_c输入至反馈比例调节器180内，反馈比例调节器180的比例调节值为-K_c，即经过反馈比例调节器180得到的反馈调节值为-K_c×i_c。反馈调节值-K_c×i_c与调制波电压u₁由反馈比较器170叠加，在叠加后，由反馈比较器170输出综合调制波电压u。一般地，K_c≥0。当K_c＝0，即没有采取电容电流反馈控制；随着K_c的增加，稳定裕度越来越大，谐振峰值越来越低，电流跟踪控制的相角偏差也越来越小。

步骤7、对综合调制波电压u采用空间矢量脉宽调制输出PWM触发脉冲，以通过PWM触发脉冲触发SAPF滤波器100内的开关工作。

本发明实施例中，反馈比较器170的输出端与SVPWM调制器190连接，SVPWM调制器190能对综合调制波电压u采用空间矢量脉宽调制，以输出对应的PWM触发脉冲。SVPWM调制器190对综合调制波电压u的空间矢量脉宽调制过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。在由SVPWM调制器190输出的PWM触发脉冲触发SAPF滤波器100内的开关工作后，能实现SAPF滤波器100的SAPF补偿电流i_f调节，使得SAPF补偿电流i_f能精确跟踪SAPF谐波补偿指令电流i^*。

此外，获取FC支路的FC电容电流i_c，将FC电容电流i_c通过反馈比例调节器180进行比例控制后实现负反馈，反馈调节值-K_c×i_c与调制波电压u₁相叠加，以生成综合调制波电压u，SVPWM调制器190根据综合调制波电压u输出PWM触发脉冲。通过上述过程，能形成整个HAPF谐振抑制的闭环，从而在实现对负载电流i_CL补偿的同时，有效抑制串联和并联谐振。

在具体实施时，为了确定本发明对HAPF谐振抑制的可行性及有效性，对于不同环节中的具体取值为：

三相电网的电网电压u_g存在谐波，通过测量获得电网电压u_g主要次谐波的含有率如下表所示：

下面通过本发明与现有技术中的几种HAPF谐振抑制方法进行对比，具体为：

1)、切除FC支路，投入整流器谐波负载

在未投入FC支路的情况下，实验结果如图3所示。由图3可见，SAPF滤波器100具有较好的谐波补偿效果，由于没有投入FC支路，系统未发现谐振情况。

2)、投入FC支路，切除整流器谐波负载

由于实施时不投入谐波源负载，主要分析由电网电压u_g的谐波电压引起的串联谐振特性及其抑制情况，如图4～图7所示。

图4为SAPF滤波器100未启动，仅投入FC支路时的实验波形，u_sab为电网线电压。由图可见，串联谐振引起FC电容电流i_c的波形畸变，其中13次谐波电流含有率接近30％。

图6和图7为SAPF滤波器100启动后，分别采用现有谐振抑制方法和本发明谐振抑制方法时的谐波抑制实验波形。由图可见，在现有谐振抑制方法下，系统启动后处于不稳定状态，FC电容电流i_c和SAPF补偿电流i_f振荡，该结论说明现有控制方法不能有效抑制系统串联谐振，导致整个电路不能正常运行；而采用本发明的谐振抑制方法时，SAPF滤波器100能够有效抑制系统谐振，并基本补偿FC支路的无功功率。

3)、投入FC支路和整流器谐波负载

在投入FC支路以及整流器谐波负载后，能验证在电网电压u_g和负载谐波电流源共同作用下系统发生串、并联混合谐振时的谐振特性及其抑制情况，如图7～图10所示。

图8为SAPF滤波器100未启动，投入FC支路和整流器谐波负载时的实验波形。由图可见，混合谐振引起FC电容电流i_c的波形畸变。

图9、图10为SAPF滤波器100启动后分别采用现有谐波抑制方法和本发明的谐振抑制实验波形。由图可见，采用现有谐振抑制方法处于不稳定状态，FC电容电流i_c和SAPF补偿电流i_f振荡发散，大约11个工频周期后装置过流跳闸，该结论进一步说明现有谐波抑制方法不能有效抑制系统串、并联谐振，装置不能正常运行；而采用本发明的谐波抑制方法时，SAPF滤波器100能够有效抑制系统串、并联谐振，并对负载谐波有较好的补偿效果。

Claims (2)

1.一种基于电容电流反馈的HAPF谐振抑制方法，其特征是，所述HAPF谐振抑制方法包括如下步骤：

步骤1、获取负载电流i_CL，并将获取的负载电流i_CL传输至谐波电流检测环节；

步骤2、获取三相电网的电网电压u_g，对于获取的电网电压u_g，通过PLL锁相环获取所述电网电压u_g的同步信号θ_e，PLL锁相环将获取的同步信号θ_e传输至谐波电流检测环节；

步骤3、获取SAPF滤波器直流侧的电压值U_dc，将所述电压值U_dc与指令电压相比较，并经过PI电压控制器生成谐波指令电流的有功功率分量P_dc，PI电压控制器将生成谐波指令电流的有功功率分量P_dc传输至谐波电流检测环节；

步骤4、谐波电流检测环节根据负载电流i_CL、同步信号θ_e以及谐波指令电流的有功功率分量P_dc生成SAPF谐波补偿指令电流i^*；

步骤5、检测并获取SAPF滤波器输出的SAPF补偿电流i_f，在获取SAPF补偿电流i_f后确定SAPF补偿电流i_f与SAPF谐波补偿指令电流i^*的电流偏差值Δi，其中，所述电流偏差值Δi为

Δi＝i^*-i_f；

将得到的电流偏差值Δi输入至PI电流控制器，以使得PI电流控制器根据电流偏差值Δi生成调制波电压u₁，生成的调制波电压u₁为

$u_1=(K_p+\frac{K_i}{s})\×(i^{*}-i_f),$

其中，k_p、k_i分别为PI电流控制器的比例和积分常数；

步骤6、获取FC支路的FC电容电流i_c，FC电容电流i_c经过反馈比例调节器后，以得到反馈调节值-K_c×i_c；将反馈调节值-K_c×i_c与调制波电压u₁相叠加，以生成综合调制波电压u，所述综合调制波电压u为

u＝u₁-k_c×i_c；

步骤7、对综合调制波电压u采用空间矢量脉宽调制输出PWM触发脉冲，以通过PWM触发脉冲触发SAPF滤波器内的开关工作。

2.根据权利要求1所述的基于电容电流反馈的HAPF谐振抑制方法，其特征是：PI电压控制器生成的谐波指令电流的有功功率分量P_dc为

$P_{dc}=(K_{pdc}+\frac{K_{idc}}{s})\×(U_{dc}^{*}-U_{dc}),$

其中，k_pdc、k_idc分别为PI电压控制器的比例和积分常数。