CN105633961B - 一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置及方法，有源谐波电阻装置包括变流器和控制电路；所述的变流器的直流侧连接有直流电容及直流侧电压采样电路，变流器的交流侧连接有交流滤波电感及交流电流采样电路；所述的直流侧电压采样电路的输出端及交流电流采样电路的输出端连接控制电路；所述的控制电路包括基波电流相位控制器和电流控制器，控制电路计算得到控制指令，并控制变流器的直流电容电压实现谐波电阻功能。本装置可以有效降低有源谐波电阻装置的成本及复杂度，便于有源谐波电阻装置的推广使用。

Description

一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置及方法
技术领域
本发明涉及一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置及方法，属于有源谐波电阻控制技术领域。适用于电力系统中谐振的阻尼。
背景技术
目前，电力系统中谐波污染问题日益严重，大量的谐波极易引起电力系统的谐振，导致系统的故障。对电力系统中谐振的抑制目前主要是通过加设无源电阻实现的。但是无源电阻的使用不可避免的产生有功能力的损耗，产生发热等问题。
近年来，随着电力电子技术的发展，有源谐波电阻的概念被提出。有源谐波电阻是通过对电力电子变流器的控制，使其在某一谐波频率或者一段谐波频率上模拟电阻的特性，实现阻尼谐振的目的。有源谐波电阻可以避免有功能量的消耗，相比于无源电阻更加的节能，在未来电力系统谐振阻尼领域有非常广泛的应用前景。
有源谐波电阻是一种用于阻尼谐振及谐波放大的装置。有源谐波电阻利用电力电子变流器，通过一定的控制手段，使其端口电压和电流在谐波频率上模拟出电阻的伏安特性，从而实现对谐振及谐波放大的抑制。为了模拟电阻的伏安特性，传统的控制方式有两种，一种是采样变流器交流端口电压，控制变流器交流端口电流；另一种是采样变流器交流端口电流，控制变流器交流端口电压。
传统的有源谐波电阻的实现，是通过采样电力电子变流器交流侧的电压/电流，然后提取出其中的谐波成份，最后控制变流器交流侧输出的谐波电流/电压，使其模拟出谐波电阻的特性，来实现抑制谐振的目的。目前有源谐波电阻的控制上，需要对电力电子变流器交流侧端口的电压和电流进行采样，需要大量的电压、电流采样元件，使其成本较高，又增加了设备及控 制的复杂程度，限制了有源谐波电阻的推广使用。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置及方法，本装置可以有效降低有源谐波电阻装置的成本及复杂度，便于有源谐波电阻装置的推广使用。
为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：
一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置，包括变流器和控制电路；所述的变流器的直流侧连接有直流电容及直流侧电压采样电路，变流器的交流侧连接有交流滤波电感及交流电流采样电路；所述的直流侧电压采样电路的输出端及交流电流采样电路的输出端连接控制电路；所述的控制电路包括基波电流相位控制器和电流控制器，控制电路计算得到控制指令，并控制变流器的直流电容电压实现谐波电阻功能。
所述的变流器为单相或三相变流器。
所述的控制电路控制变流器的直流电容电压实现谐波电阻功能的具体控制方法为：
首先，控制电路控制变流器交流端口的基波电流，根据变流器直流侧直流电容电压的变化趋势来确定变流器端口基波电压的角度所在的区间；
然后，根据已经确定的变流器端口基波电压的角度所在的区间的信息，控制变流器端口基波电流和基波电压的角度差，实现对变流器直流侧直流电容电压的控制；
最后，变流器交流端口所模拟的谐波电阻特性，通过控制变流器直流侧直流电容电压实现。
一种基于无交流电压采样的有源谐波电阻装置的控制方法，包括以下步骤：
第一步：有源谐波电阻装置开机后，控制电路封锁变流器的脉冲，变流器处于不控整流模式；
第二步：变流器的直流电容电压稳定后，给定基波电流幅值，基波电流相位控制器运行， 基波电流相位控制器根据变流器直流侧电压变化的情况，判断给定基波电流相位和变流器交流侧电压相位的关系：假如变流直流侧电压上升，则给定的基波电流相位位于第一或第四象限，假如变流器直流侧电压下降，则给定的基波电压相位位于第二或第三象限；
第三步：将第二步中给定基波电流相位加90°，根据变流器直流侧电压的变化情况进一步确定第二步中给定基波电流相位所处的象限；
第四步：根据第三步中确定的第二步中给定基波电流相位，利用基波电流相位控制器控制基波电流相位，实现变流器直流侧电压的闭环控制；
第五步：根据有源谐波电阻的阻值给定，计算变流器直流侧电压给定指令，然后电流控制器闭环控制变流器直流侧电压，最终实现无交流电压采样有源谐波电阻功能。
作为本发明方进一步改进，第三步具体步骤为：
1)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第四象限；
2)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第一象限；
3)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第三象限；
4)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第二象限。
作为本发明方进一步改进，所述的有源谐波电阻的等效电阻为：
式中：
Reql—等效谐波电阻值；
KP—电流控制器比例系数；
Udc—变流器直流侧电压值。
相对于现有技术，本发明的有益效果是：
本发明通过了一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置，包括变流器和控制电路，通过在变流器电路上设置直流电容、交流侧滤波电感、交流电流采样电路和直流侧电压采样电路，而变流器交流侧无电压采样电路，控制电路无谐波提取环节，这样避免需要大量的电压、电流采样元件，增加了设备及控制的复杂程度的不足，通过必要的算法，可以省略变流器交流侧端口电压采样元件，直接通过变流器直流侧电容电压的控制实现有源谐波电阻的功能。这样就可以有效降低有源谐波电阻装置的成本及复杂度。便于有源谐波电阻装置的推广使用。
本发明的控制方法，控制电路通过必要的算法，省略变流器交流侧端口电压采样元件，直接通过变流器直流侧电容电压的控制实现有源谐波电阻的功能；控制简单、准确。
附图说明
图1无电压采样有源谐波电阻装置电路拓扑；
图2无交流电压采样有源谐波电阻装置控制策略图；
图3变流器交流侧基波电压电流相位关系图一；
图4变流器交流侧基波电压电流相位关系图二；
图5变流器交流侧基波电压电流相位关系图三；
图6变流器交流侧基波电压电流相位关系图四；
图7变流器交流侧基波电压电流相位关系图五；
图8变流器交流侧基波电压电流相位关系图六。
图中，1-变流器，2-直流电容，3-交流侧滤波电感，4-交流电流采样电路，5-直流侧电压采样电路，6-控制电路，7-基波电流相位控制器，8-电流控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明，本发明不限于以下实施例。
本发明一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置由电力电子变流器1、直流电容2、交流侧滤波电感3、交流电流采样电路4、直流侧电压采样电路5和控制电路6组成。变流器1直流侧连接有直流电容2及直流侧电压采样电路5，变流器1交流侧连接有交流滤波电感3及交流电流采样电路4。直流侧电压采样电路5的输出端及交流电流采样电路4的输出端连接到控制电路6，控制电路6计算得到控制指令，控制变流器1的运行。变流器1交流侧无电压采样电路。所述控制电路6中，含有基波电流相位控制器7和电流控制器8，无谐波提取环节。
本发明的电阻装置可以适用于单相及三相系统。以三相系统为例其电路拓扑如图1，由一个三相变流器1、直流电容2、交流侧滤波电感3、交流电流采样电路4、直流侧电压采样电路5和控制电路6组成。该装置可以在谐波频率上模拟出电阻的特性，实现对电力系统中谐振的抑制。
本发明中的无交流电压采样有源谐波电阻，是通过控制变流器1直流电容电压实现谐波电阻功能的，其控制策略如图2：
此时，谐波频段上的等效电阻为：
式中：
Reql—等效谐波电阻值；
KP—电流控制器比例系数；
Udc—变流器直流侧电压值；
具体控制流程如下：
首先，开机启动后，控制变流器1交流端口的基波电流，根据变流器1直流侧电容2电压的变化趋势来确定变流器端口基波电压的角度所在的区间；
然后，根据已经确定的变流器1端口电压的角度所在的区间的信息，控制变流器1端口基波电流和变流器1端口基波电压的角度差，实现对变流器1直流侧电容2电压的控制；
最后，变流器1交流端口所模拟的谐波电阻特性，通过控制变流器1直流侧电容2电压实现。
无交流电压采样的有源谐波电阻装置，实现有源电阻功能的控制方法具体为：
第一步：有源谐波电阻装置上电开机后，控制电路6封锁变流器1的脉冲，变流器1处于不控整流模式；
第二步：三相变流器1直流侧电容2电压稳定后，给定基波电流幅值和基波电流相位控制变流器运行，基波电流相位控制器7根据变流器直流侧电压变化的情况，判断给定基波电流相位和变流器交流侧电压相位的关系。假如变流器直流侧电压上升，则给定的基波电流相位位于第一或第四象限，如图3所示，假如变流器直流侧电压下降，则给定的基波电压相位位于第二或第三象限，如图4所示；
第三步：将第二步中给定基波电流相位加90°，根据变流器直流侧电压的变化情况进一步确定第二步中给定基波电流相位所处的象限。
(1)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第四象限，如图5所示；
(2)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第一象限，如图6所示；
(3)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第三象限，如图7所示；
(4)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第二象限，如图8所示。
第四步：根据第三步中确定的第二步中给定基波电流相位，利用基波电流相位控制器7控制基波电流相位，实现变流器直流侧电压的闭环控制。
第五步：根据有源谐波电阻的阻值给定，计算变流器直流侧电压给定指令，然后闭环控制变流器直流侧电压。最终实现无交流电压采样有源谐波电阻功能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置，其特征在于，包括变流器(1)和控制电路(6)；所述的变流器(1)的直流侧连接有直流电容(2)及直流侧电压采样电路(5)，变流器(1)的交流侧连接有交流滤波电感(3)及交流电流采样电路(4)；所述的直流侧电压采样电路(5)的输出端及交流电流采样电路(4)的输出端连接控制电路(6)；所述的控制电路(6)包括基波电流相位控制器(7)和电流控制器(8)，控制电路(6)计算得到控制指令，并控制变流器(1)的直流电容(2)电压实现谐波电阻功能；
所述的控制电路(6)控制变流器(1)的直流电容(2)电压实现谐波电阻功能的具体控制方法为：
第一步，控制电路(6)控制变流器(1)交流端口的基波电流，根据变流器(1)直流侧直流电容(2)电压的变化趋势来确定变流器(1)交流端口基波电压的角度所在的区间；
第二步，变流器(1)的直流电容(2)电压稳定后，给定基波电流幅值，基波电流相位控制器(7)运行，基波电流相位控制器(7)根据变流器(1)直流侧电压变化的情况，判断给定基波电流相位和变流器(1)交流侧电压相位的关系：假如变流器(1)直流侧电压上升，则给定的基波电流相位位于第一或第四象限，假如变流器(1)直流侧电压下降，则给定的基波电压相位位于第二或第三象限；
第三步，将第二步中给定基波电流相位加90°，根据变流器(1)直流侧电压的变化情况进一步确定第二步中给定基波电流相位所处的象限；具体步骤为：
1)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第四象限；
2)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第一象限；
3)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第三象限；
4)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第二象限；
第四步，根据已经确定的变流器(1)交流端口基波电压的角度所在的区间的信息，控制变流器(1)交流端口基波电流和基波电压的角度差，实现对变流器(1)直流侧直流电容(2)电压的控制；
第五步，变流器(1)交流端口所模拟的谐波电阻特性，通过控制变流器(1)直流侧直流电容(2)电压实现。
2.根据权利要求1所述的一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置，其特征在于，所述的变流器(1)为单相或三相变流器。
3.一种无交流电压采样的有源谐波电阻装置的控制方法，其特征在于，无交流电压采样的有源谐波电阻装置，包括变流器(1)和控制电路(6)；所述的变流器(1)的直流侧连接有直流电容(2)及直流侧电压采样电路(5)，变流器(1)的交流侧连接有交流滤波电感(3)及交流电流采样电路(4)；所述的直流侧电压采样电路(5)的输出端及交流电流采样电路(4)的输出端连接控制电路(6)；所述的控制电路(6)包括基波电流相位控制器(7)和电流控制器(8)，控制电路(6)计算得到控制指令，并控制变流器(1)的直流电容(2)电压实现谐波电阻功能；
所述的无交流电压采样的有源谐波电阻装置的控制方法包括以下步骤：
第一步：有源谐波电阻装置开机后，控制电路(6)封锁变流器(1)的脉冲，变流器(1)处于不控整流模式；
第二步：变流器(1)的直流电容(2)电压稳定后，给定基波电流幅值，基波电流相位控制器(7)运行，基波电流相位控制器(7)根据变流器(1)直流侧电压变化的情况，判断给定基波电流相位和变流器(1)交流侧电压相位的关系：假如变流器(1)直流侧电压上升，则给定的基波电流相位位于第一或第四象限，假如变流器(1)直流侧电压下降，则给定的基波电压相位位于第二或第三象限；
第三步：将第二步中给定基波电流相位加90°，根据变流器(1)直流侧电压的变化情况进一步确定第二步中给定基波电流相位所处的象限；
第四步：根据第三步中确定的第二步中给定基波电流相位，利用基波电流相位控制器(7)控制基波电流相位，实现变流器(1)直流侧电压的闭环控制；
第五步：根据有源谐波电阻的阻值给定，计算变流器直流侧电压给定指令，然后电流控制器(8)闭环控制变流器直流侧电压，最终实现无交流电压采样有源谐波电阻功能；
第三步具体步骤为：
1)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第四象限；
2)当第二步中的基波电流相位位于第一或第四象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第一象限；
3)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压增加的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第三象限；
4)当第二步中的基波电流相位位于第二或第三象限时，且第三步中给定基波电流相位增加90°后变流器直流侧电压依然减小的情况，则可以确定第二步中给定基波电流相位处于第二象限。
4.根据权利要求3所述的无交流电压采样的有源谐波电阻装置的控制方法，其特征在于，所述的有源谐波电阻的等效电阻为：
式中：
Reql—等效谐波电阻值；
KP—电流控制器比例系数；
Udc—变流器直流侧电压值。
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