CN105515004A - 一种有源电力滤波器谐波检测和指令修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器的谐波检测和指令修正方法，属于电能质量检测与治理技术领域。本方法包括：采集待补偿非线性负载电流，利用离散傅里叶变换计算负载电流中各次谐波电流分量；采集有源电力滤波器输出电流；评价输出电流与负载谐波电流误差；利用所得误差修正谐波电流指令；将修正后的谐波电流指令作为有源电力滤波器谐波发生部分的给定从而使得有源电力滤波器的输出能够更为精确地跟随负载谐波电流。本发明方法可有效克服由于检测延时、控制延时以及负载变动引发的有源电力滤波器的补偿误差，提升有源电力滤波器的补偿效果。

Description

一种有源电力滤波器谐波检测和指令修正方法

技术领域

本发明属于电能质量检测与治理技术领域，特别涉及一种有源电力滤波器的谐波检测和指令修正方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的高速发展，电力系统中大量非线性用电设备如变频器、整流器的使用，造成电网中电流不再是标准的正弦波，而是包含大量高次谐波电流，严重影响电能质量和电网用户的用电安全。有源电力滤波器(APF)作为一种新型谐波治理装置，相对常规的无源滤波器，具有体积小，控制灵活，治理效果好的特点。

常规的有源电力滤波器的一般结构由两部分构成，指令生成部分采用开环算法计算出所要补偿的谐波电流或者谐波电压；补偿电流发生部分由控制器和可控谐波电源构成，并通过闭环反馈方式将这部分控制为受控电流源或者受控电压源，用以补偿相应的谐波电流或者谐波电压。以并联型有源电力滤波器谐波补偿系统为例，如图1所示，包括并联的有源电力滤波器与负载均并联接入电网；并联的有源电力滤波器自身包括指令生成部分，以及电流控制和变换器模块组成谐波电流发生部分。指令部分检测待补偿负载电流的谐波分量，并将其作为补偿电流发生部分的指令；控制器和电压源型变流器构成的闭环用以保证整个APF系统的输出能够精确跟随给定指令。

由于所需补偿的谐波电流具有频带范围宽广、变化速率快的特点，上述闭环采用各种方法改进其跟随特性，典型的方法包括在静止坐标系上的PI控制，在多个同步旋转坐标系(每次谐波对应于一个旋转坐标系)上的PI控制，以及静止坐标系上的重复控制等。这些方法的本质均是增加控制器在整个谐波指令频率范围内的误差放大增益，如重复控制可在整个谐波指令频率范围内提供无限误差放大增益。然而受到电力系统的电压幅值和频率变化、以及APF闭环部分开关频率限制等实际物理特性的约束，一般难以同时满足稳定性和精确跟踪的要求。此外，图1所示电力系统中不同负载特性以及变化对于APF的补偿效果也有重要影响。例如,众所周知,并联型有源电力滤波器对电容型谐波负载的补偿效果较差。

综上所述，需要采用“智能”方法改进APF的跟随特性以及对负载变化的适应能力。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种新的有源电力滤波器谐波检测与指令修正方法。该方法通过评价有源电力滤波器的待补偿谐波电流与有源电力滤波器发出电流之间的误差，动态调整控制器的指令给定，提高了有源电力滤波器的控制效果。

为实现上述的发明目的，本发明提出一种用于有源电力滤波器的谐波检测与指令修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

一种有源电力滤波器谐波检测与指令修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用电流传感器，采样得到待补偿的负载电流，利用快速傅里叶变换(FFT)，获取待补偿负载电流i_L中包含的各次谐波电流分量的幅值I_Ln与相位θ_Ln，n为待补偿谐波电流的次数；

2)使用电流传感器，采样得到APF的输出电流i_apf，利用快速傅里叶变换，获取电流i_apf中与APF待补偿电流相同次数的各次谐波电流的幅值I_APFn与相位θ_APFn；

3)将步骤1)中得到的各次谐波电流指令相位θ_Ln与步骤2)中得到的APF输出电流中各次谐波电流相位θ_APFn分别作差，如式(1)所示：得到负载电流中各次谐波电流与实际发出电流的相位误差E_θn，如式(1)所示：

E_θn＝θ_Ln–θ_APFn(1)；

4)将步骤3)中所得各次谐波相位误差E_θn分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为对应的相位修正参数△θ_n；

5)将步骤1)中所得负载电流中各次谐波电流幅值I_Ln与步骤2)中得到的APF输出电流中各次谐波幅值相位I_APFn相除并将结果减1，得到幅值误差E_In，如式(2)所示：

E_In＝I_Ln/I_APFn-1(2)；

6)将步骤5)中所得到的各次谐波幅值误差E_In分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为△I_n1，如式(3)所示：

7)将步骤6)中所得各PI控制器输出△I_n1分别与1相加，得到各次谐波电流指令对应的幅值修正参数△I_n。

△I_n＝△I_n1+1(3)；

8)将步骤4)中得到的相位修正参数△θ_n与步骤1)中得到的负载电流中各次谐波电流相位θ_Ln相加，得到修正后的各次谐波电流指令相位θ’_n，如式(1)所示：

θ’_Ln＝θ_Ln+△θ_n(4)；

9)将步骤7)中得到的幅值修正参数△I_n与步骤1)中得到的负载电流中各次谐波电流幅值相乘，得到修正后的各次谐波电流指令幅值I’_n，如式(1)所示：

I’Ln＝△I_nI_Ln(5)；

10)根据步骤8)和步骤9)中得到的修正后的谐波电流幅值I’_Ln和相位θ’_Ln，利用傅里叶反变换(IFFT)，计算得到修正后的各次谐波指令瞬时值i’(t)；

11)将步骤10)中得到的各次谐波指令瞬时值作为控制器的给定的指令值，控制器采用常规控制算法对有源电力滤波器进行控制。

所述步骤1)中负载电流可为感型负载电流或容性负载电流。

所述步骤11)中控制器采用重复控制算法、用比例谐振控制、多同步旋转坐标系控制算法之任一种。

本发明的特点及有益效果是：本发明的有源电力滤波器的谐波检测与指令修正方法，通过评价谐波电流与有源电力滤波器整体系统发出电流之间的误差，实时地修正给予图1所示谐波电流发生部分的指令值，因此不但可以应用于补偿图1所示各种类型负载产生的谐波，而且可以适度弥补图1所示谐波电流发生部分由于算法不同而存在的闭环响应差异，从而有效地提高APF的补偿效果。

附图说明

图1是已有的有源电力滤波器的构成示意图；

图2是本发明方法的控制流程框图；

图3是本发明方法的实施例中的电感滤波型三相并联有源电力滤波器示意图。

图4是针对图3所示的谐波源条件下本发明检测方法与传统的基于瞬无功功率的单相谐波与无功电流提取方法的对于5、7、11、13次谐波的补偿仿真结果对比图。

具体实施方式

本发明提出的有源电力滤波器谐波检测与指令修正方法，其控制原理及具体实施方式结合附图进一步详述如下：

本发明提出的有源电力滤波器谐波检测与指令修正方法如图2所示。其电路结构与图1相同，包括指令生成部分和由控制器和可控谐波电源构成的补偿电流发生部分，有源电力滤波器与负载并联接入电网，有源电力滤波器自身包括指令生成部分，以及电流控制和变换器模块。本发明主要是提出如何对指令进行修正，其流程包括以下步骤：

1)使用电流传感器，采样得到待补偿的负载电流，利用快速傅里叶变换(FFT)，获取待补偿负载电流i_L中包含的各次谐波电流分量的幅值I_Ln与相位θ_Ln，n为待补偿谐波电流的次数；

2)使用电流传感器，采样得到APF的输出电流i_apf，利用快速傅里叶变换，获取电流i_apf中与APF待补偿电流相同次数的各次谐波电流的幅值I_APFn与相位θ_APFn；

3)将步骤1)中得到的各次谐波电流指令相位θ_Ln与步骤2)中得到的APF输出电流中各次谐波电流相位θ_APFn分别作差，如式(1)所示：得到负载电流中各次谐波电流与实际发出电流的相位误差E_θn，如式(1)所示：

E_θn＝θ_Ln–θ_APFn(1)；

4)将步骤3)中所得各次谐波相位误差E_θn分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为对应的相位修正参数△θ_n；

5)将步骤1)中所得负载电流中各次谐波电流幅值I_Ln与步骤2)中得到的APF输出电流中各次谐波幅值相位I_APFn相除并将结果减1，得到幅值误差E_In，如式(2)所示：

E_In＝I_Ln/I_APFn-1(2)；

6)将步骤5)中所得到的各次谐波幅值误差E_In分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为△I_n1，如式(3)所示：

7)将步骤6)中所得各PI控制器输出△I_n1分别与1相加，得到各次谐波电流指令对应的幅值修正参数△I_n。

△In＝△I_n1+1(3)；

8)将步骤4)中得到的相位修正参数△θ_n与步骤1)中得到的负载电流中各次谐波电流相位θ_Ln相加，得到修正后的各次谐波电流指令相位θ’_n，如式(1)所示：

θ’_Ln＝θ_Ln+△θ_n(4)；

9)将步骤7)中得到的幅值修正参数△I_n与步骤1)中得到的负载电流中各次谐波电流幅值相乘，得到修正后的各次谐波电流指令幅值I’_n，如式(1)所示：

I’Ln＝△I_nI_Ln(5)；

10)根据步骤8)和步骤9)中得到的修正后的谐波电流幅值I’_Ln和相位θ’_Ln，利用傅里叶反变换，计算得到修正后的各次谐波指令瞬时值i’(t)；

11)将步骤10)中得到的各次谐波指令瞬时值作为控制器的给定的指令值，控制器采用常规控制算法对有源电力滤波器进行控制。

所述步骤1)中负载电流可为感型负载电流或容性负载电流。

所述步骤11)中控制器采用重复控制算法、用比例谐振控制、多同步旋转坐标系控制算法之任一种。

以下结合一个具体实施例对本发明方法进行进一步解释。本实施例以电感滤波型三相并联有源电力滤波器补偿电容型不控整流桥负载的5、7、11、13次谐波为例，其待补偿部分的电路结构如图3所示，由三相二极管整流桥和并联在整流桥直流侧的电容C和电阻R构成。其中负载的电阻值为1Ω，电容值为530uf，APF的滤波电感为0.5mh，电网电压为380V，直流侧电压为700V，开关频率为12.5k。

本实施例的方法包括以下步骤：

1)使用电流传感器，采样得到待补偿的负载电流。利用快速傅里叶变换，获取待补偿负载电流i_L中包含的5、7、11、13次谐波电流分量的幅值I_Ln与相位θ_Ln(n＝5、7、11、13)。

2)使用电流传感器，采样得到APF的输出电流i_apf。利用快速傅里叶变换，获取i_apf中与APF待补偿电流5、7、11、13次谐波电流的幅值I_APFn与相位θ_APFn。

3)将1)中得到的各次谐波电流指令相位θ_Ln与2)中得到的APF输出电流中各次谐波电流相位θ_APFn分别作差，得到负载电流中各次谐波电流与实际发出电流的相位误差E_θn

E_θn＝θ_Ln–θ_APFn(1)

4)将3)中所得各次谐波相位误差E_θn分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为对应的相位修正参数△θ_n，本步骤中的各PI控制器的积分系数设为40，比例系数设为0.3。

5)将1)中所得负载电流中各次谐波电流幅值I_Ln与2)中得到的APF输出电流中各次谐波幅值相位I_APFn相除并将结果减1，得到幅值误差E_In。

E_In＝I_Ln/I_APFn-1(2)

6)将5)中所得到的各次谐波幅值误差E_In分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为△I_n1。本步骤中的各PI控制器的积分系数设为60，比例系数为0.1。各PI控制器的输出为△I_n1。

7)将6)中所得各PI控制器输出△I_n1分别与1相加，得到各次谐波电流指令对应的幅值修正参数△I_n。

△In＝△I_n1+1(3)

8)将4)中得到的相位修正参数△θ_n与1)中得到的负载电流中各次谐波电流相位θ_Ln相加，得到修正后的各次谐波电流指令相位θ’_n。

θ’_Ln＝θ_Ln+△θ_n(4)

9)将7)中得到的幅值修正参数△I_n与1)中得到的负载电流中各次谐波电流幅值相乘，得到修正后的各次谐波电流指令幅值I’_n。

I’Ln＝△I_nI_Ln(5)

10)根据步骤8)和9)中得到的修正后的谐波电流幅值I’_Ln和相位θ’_Ln，利用傅里叶反变换(IFFT)，计算得到修正后的各次谐波指令瞬时值i’(t)。

11)将10)中得到的各次谐波指令瞬时值作为控制器的给定，控制器采用重复控制对有源电力滤波器进行控制。

为衡量本算法的有效性，在图4中，对比了图1系统对图3中负载进行5、7、11、13次谐波补偿时，施加本发明控制方法与不使用本发明控制方法的补偿效果对比。其中，闭环控制器均使用重复控制。图4中本发明控制方法为斜线方块，其他已有方法为点划线方块，可以看出，施加本发明控制方法时，5、7、11、13次谐波含量相对于基波百分比分别为0.87％，0.33％，0.83％，0.45％；不使用本发明控制方法时5、7、11、13次谐波含量相对于基波百分比分别为1.85％，6.28％，3.65％，4.22％。可见，使用本发明的有源电力滤波器谐波检测与指令修正方法，可有效抑制待补偿谐波，获得良好的补偿效果。

本实施例控制器采用的是重复控制，然而该控制算法除重复控制外，也可为其他常规控制算法，如多同步旋转坐标系控制。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种有源电力滤波器谐波检测与指令修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用电流传感器，采样得到待补偿的负载电流，利用快速傅里叶变换(FFT)，获取待补偿负载电流i_L中包含的各次谐波电流分量的幅值I_Ln与相位θ_Ln，n为待补偿谐波电流的次数；

2)使用电流传感器，采样得到APF的输出电流i_apf，利用快速傅里叶变换，获取电流i_apf中与APF待补偿电流相同次数的各次谐波电流的幅值I_APFn与相位θ_APFn；

3)将步骤1)中得到的各次谐波电流指令相位θ_Ln与步骤2)中得到的APF输出电流中各次谐波电流相位θ_APFn分别作差，如式(1)所示：得到负载电流中各次谐波电流与实际发出电流的相位误差E_θn，如式(1)所示：

E_θn＝θ_Ln–θ_APFn(1)；

4)将步骤3)中所得各次谐波相位误差E_θn分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为对应的相位修正参数△θ_n；

5)将步骤1)中所得负载电流中各次谐波电流幅值I_Ln与步骤2)中得到的APF输出电流中各次谐波幅值相位I_APFn相除并将结果减1，得到幅值误差E_In，如式(2)所示：

E_In＝I_Ln/I_APFn-1(2)；

6)将步骤5)中所得到的各次谐波幅值误差E_In分别送入各自独立的PI控制器，各PI控制器的输出为△I_n1，如式(3)所示：

7)将步骤6)中所得各PI控制器输出△I_n1分别与1相加，得到各次谐波电流指令对应的幅值修正参数△I_n。

△I_n＝△I_n1+1(3)；

8)将步骤4)中得到的相位修正参数△θ_n与步骤1)中得到的负载电流中各次谐波电流相位θ_Ln相加，得到修正后的各次谐波电流指令相位θ’_n，如式(1)所示：

θ’_Ln＝θ_Ln+△θ_n(4)；

9)将步骤7)中得到的幅值修正参数△I_n与步骤1)中得到的负载电流中各次谐波电流幅值相乘，得到修正后的各次谐波电流指令幅值I’_n，如式(1)所示：

I’_Ln＝△I_nI_Ln(5)；

10)根据步骤8)和步骤9)中得到的修正后的谐波电流幅值I’_Ln和相位θ’_Ln，利用傅里叶反变换(IFFT)，计算得到修正后的各次谐波指令瞬时值i’(t)；

11)将步骤10)中得到的各次谐波指令瞬时值作为控制器的给定的指令值，控制器采用常规控制算法对有源电力滤波器进行控制。

2.如权利要求1所述的一种有源电力滤波器的谐波检测与指令修正方法，其特征在于：所述步骤1)中负载电流为感型负载电流或容性负载电流。

3.如权利要求2所述的一种有源电力滤波器的谐波检测与指令修正方法，其特征在于：所述步骤11)中控制器采用重复控制算法、用比例谐振控制、多同步旋转坐标系控制算法之任一种。