CN105633964A - 一种apf电流控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种APF电流控制方法及系统，方法包括：记录并关联存储上一工频周期内多个采样时刻分别采集的电流参考值；当前工频周期开始后，获取当前工频周期内当前采样时刻采集的电流参考值，再读取上一工频周期内与当前采样时刻的下一个采样时刻对应的一个电流参考值,将两个电流参考值计算得到输出值Ua；同时，将当前采样时刻采集的电流参考值和当前实际电流值得到当前电流误差值，将电流误差值直接输入比例谐振控制器使输出Ub，再将Ub、当前电网电压Us与Ua求和得到控制电压Uc；对Uc进行脉宽调制信号处理形成驱动脉冲信号驱动IGBT。本发明提高现有电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果提高，电网电流畸变大大减小。

Description

一种APF电流控制方法及系统
技术领域
本发明涉及有源电力滤波器技术领域，特别是一种APF电流控制方法及系统。
背景技术
有源电力滤波器APF是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。目前有源电力滤波器采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器(DSP)对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制(PWM)信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。
目前的有源电力滤波器APF的电流跟踪控制的响应速度较慢，使得APF的补偿效果低，电网电流畸变大。
发明内容
本发明的目的是提供一种APF电流控制方法及系统，以改善提高现有电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果提高，电网电流畸变大大减小。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种APF电流控制方法，包括：
步骤一、记录并关联存储上一工频周期内多个采样时刻分别采集的电网线路中的多个第一电流参考值；
步骤二、在当前工频周期开始后，获取当前工频周期内当前采样时刻k采集的电网线路中的第二电流参考值i(k)，再读取所述上一工频周期内与当前采样时刻的下一个采样时刻对应的一个第一电流参考值i(k+1),将这两个电流参考值代入公式Ua＝[i(k+1)-i(k)]*L/Tsample中计算得到输出值Ua；同时，将所述当前采样时刻k采集的电流参考值i(k)和当前实际电流值i做差后得到当前电流误差值Ue，将当前电流误差值Ue直接输入比例谐振控制器使得比例谐振控制器输出Ub，再将Ub、当前电网电压Us与Ua求和相加后得到控制电压Uc；其中，L为滤波电感的电感值，TSample为一个工频周期值；每个所述工频周期内的多个采样时刻分别一一对应；
步骤三、对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理形成驱动脉冲信号以驱动IGBT。
本发明的有益效果是：本发明设计更加科学合理，实现了超前控制，通过记录上一工频周期中每个采样时刻的电流参考值，当每个当前工频周期开始时，首先读取当前工频周期当前时刻的电流参考值，再读取上一工频周期中对应当前工频周期当前时刻的下一个时刻的电流参考值。由于APF所处理的谐波和无功电流一般都是周期出现的，所以读取的上一工频周期中的电流参考值就是当前工频周期未来下一时刻即将出现的电流参考值，将这两个值代入计算公式中得到超前控制环节的输出值，进而进行后续处理,超前控制环节的加入大大改善了电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果提高，电网电流畸变大大减小。
优选的，所述APF电流控制方法还包括：依次循环执行所述步骤一、步骤二和步骤三。
进一步的，在依次循环执行所述步骤一、步骤二和步骤三时，所述步骤二中获取当前工频周期内当前采样时刻k采集的电网线路中的第二电流参考值i(k)后，将当前采样时刻k对应的第二电流参考值i(k)存储，供下一工频周期内对应的采样时刻读取来计算所述输出值Ua。
在一个实施例中，所述步骤三中对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理具体为：将所述控制电压Uc与三角载波进行比较产生PWM信号。
本发明实施例还提供一种APF电流控制系统，包括：
电流传感器，用于在每个工频周期内采集电网线路中的电流模拟量；
电压传感器，用于在每个工频周期内采集电网电压模拟量；
信号调理电路，与所述电流传感器和电压传感器连接，用于将所述电流传感器和电压传感器分别采集的电流和电压模拟量进行滤波和限幅处理后送入高速AD转换器；
高速AD转换器，与所述信号调理电路连接，用于将所述信号调理电路处理后的电流和电压模拟量转换为数字量；
FPGA电路模块，与所述高速AD转换器连接，用于执行上述任一实施例所述的APF电流控制方法以输出驱动脉冲信号驱动IGBT。
优选的，所述FPGA电路模块还连接有显示器。
进一步的，所述FPGA电路模块通过DSP通信模块与所述显示器连接。
进一步的，所述FPGA电路模块还连接有辅助DSP模块。
本发明的有益效果是：本发明设计更加科学合理，实现了超前控制，通过记录上一工频周期中每个采样时刻的电流参考值，当每个当前工频周期开始时，首先读取当前工频周期当前时刻的电流参考值，再读取上一工频周期中对应当前工频周期当前时刻的下一个时刻的电流参考值。由于APF所处理的谐波和无功电流一般都是周期出现的，所以读取的上一工频周期中的电流参考值就是当前工频周期未来下一时刻即将出现的电流参考值，将这两个值代入计算公式中得到超前控制环节的输出值，进而进行后续处理,超前控制环节的加入大大改善了电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果提高，电网电流畸变大大减小。
附图说明
图1是本发明APF电流控制方法流程示意图；
图2是图1中的超前控制环节的具体流程图；
图3是本发明APF电流控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种APF电流控制方法，包括以下步骤：
步骤一、记录并关联存储上一工频周期内多个采样时刻分别采集的电网线路中的多个第一电流参考值；
步骤二、在当前工频周期开始后，获取当前工频周期内当前采样时刻k采集的电网线路中的第二电流参考值i(k)，再读取所述上一工频周期内与当前采样时刻的下一个采样时刻对应的一个第一电流参考值i(k+1),将这两个电流参考值代入公式Ua＝[i(k+1)-i(k)]*L/Tsample中计算得到输出值Ua；同时，将所述当前采样时刻k采集的电流参考值i(k)和当前实际电流值i做差后得到当前电流误差值Ue，将当前电流误差值Ue直接输入比例谐振控制器使得比例谐振控制器输出Ub，再将Ub、当前电网电压Us与Ua求和相加后得到控制电压Uc；其中，L为滤波电感的电感值，TSample为一个工频周期值；每个所述工频周期内的多个采样时刻分别一一对应；
步骤三、对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理形成驱动脉冲信号以驱动IGBT。
本发明设计更加科学合理，实现了超前控制，通过记录上一工频周期中每个采样时刻的电流参考值，当每个当前工频周期开始时，首先读取当前工频周期当前时刻的电流参考值，再读取上一工频周期中对应当前工频周期当前时刻的下一个时刻的电流参考值。由于APF所处理的谐波和无功电流一般都是周期出现的，所以读取的上一工频周期中的电流参考值就是当前工频周期未来下一时刻即将出现的电流参考值，将这两个值代入计算公式中得到超前控制环节的输出值，进而进行后续处理,超前控制环节的加入大大改善了电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果提高，电网电流畸变大大减小。
优选的，所述APF电流控制方法还包括：依次循环执行所述步骤一、步骤二和步骤三。在依次循环执行所述步骤一、步骤二和步骤三时，所述步骤二中获取当前工频周期内当前采样时刻k采集的电网线路中的第二电流参考值i(k)后，将当前采样时刻k对应的第二电流参考值i(k)存储，供下一工频周期内对应的采样时刻读取来计算所述输出值Ua。这样可动态实现超前控制，大大改善了电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果进一步提高，电网电流畸变进一步大大减小。
在一个实施例中，所述步骤三中对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理具体为：将所述控制电压Uc与三角载波进行比较产生PWM信号。采用该成熟方案，简单易实施，运行稳定可靠。下面结合图1-2示例具体说明本发明。
本发明APF电流控制方法实现了超前控制，参看图1-2，由电流参考值读取、输出值计算、参考值读取等环节组成。超前控制环节记录上一工频周期中每个时刻的电流参考值，当前工频周期即本工频周期开始时，首先读取本工频周期当前时刻k的电流参考值i*，再读取上一工频周期中对应本工频周期当前时刻的下一个时刻的电流参考值i*(k+1)。由于APF所处理的谐波和无功电流一般都是周期出现的，所以读取的电流参考值i*(k+)就是本工频周期未来下一时刻即将出现的电流参考值。举例来说，每个所述工频周期内的多个采样时刻分别一一对应，例如上一工频周期T1、T2、T3、T4四个时刻分别对应有四个电流参考值，本工频周期也要在这四个时刻采样电流参考值并进行后续的处理，那么当读取本工频周期当前时刻T1的电流参考值i*，再读取上一工频周期中对应本工频周期当前时刻T1的下一个时刻T2的电流参考值i*(k+1)。由于APF所处理的谐波和无功电流一般都是周期出现的，所以读取的电流参考值i*(k+1)就是本工频周期未来下一时刻即将出现的电流参考值。然后将这两个值代入计算公式中，其中，L为滤波电感的电感值，TSample为一个工频周期值，计算得到超前控制环节的输出值Ua。最后将本次的电流参考值i*存储，供下一基波周期对应的时刻使用。由于提前预知了本工频周期下一时刻即将出现的电流参考值，即实现超前控制，超前控制环节的加入大大改善了电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果提高，电网电流畸变大大减小。本发明中整体控制由超前控制环节部和比例谐振控制器(PR)并联组成，还包括了电压前馈控制环节、脉宽调制环节。本工频周期电流参考值i*直接输入超前控制环节，产生超前控制环节的输出Ua，电流参考值i*和当前实际电流值i做差后得到当前电流误差Ue，Ue直接输入比例谐振控制器。比例谐振控制器的输出Ub，Ub再与当前电网电压Us求和后，得到了控制电压Uc。对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理形成驱动脉冲信号以驱动IGBT。
本发明实施例还提供一种APF电流控制系统，参看图3，包括电流传感器、电压传感器、信号调理电路、高速AD转换器和FPGA电路模块。所述电流传感器，用于在每个工频周期内采集电网线路中的电流模拟量；所述电压传感器，用于在每个工频周期内采集电网电压模拟量；所述信号调理电路，与所述电流传感器和电压传感器连接，用于将所述电流传感器和电压传感器分别采集的电流和电压模拟量进行滤波和限幅处理后送入所述高速AD转换器；所述高速AD转换器，与所述信号调理电路连接，用于将所述信号调理电路处理后的电流和电压模拟量转换为数字量；所述FPGA电路模块，与所述高速AD转换器连接，用于执行上述实施例所述的APF电流控制方法以输出驱动脉冲信号驱动IGBT。具体为：步骤一、记录并关联存储上一工频周期内多个采样时刻分别采集的电网线路中的多个第一电流参考值；步骤二、在当前工频周期开始后，获取当前工频周期内当前采样时刻k采集的电网线路中的第二电流参考值i(k)，再读取所述上一工频周期内与当前采样时刻的下一个采样时刻对应的一个第一电流参考值i(k+1),将这两个电流参考值代入公式：
Ua＝[i(k+1)-i(k)]*L/Tsample中计算得到输出值Ua；同时，将所述当前采样时刻k采集的电流参考值i(k)和当前实际电流值i做差后得到当前电流误差值Ue，将当前电流误差值Ue直接输入比例谐振控制器使得比例谐振控制器输出Ub，再将Ub、当前电网电压Us与Ua求和相加后得到控制电压Uc；其中，L为滤波电感的电感值，TSample为一个工频周期值；每个所述工频周期内的多个采样时刻分别一一对应；步骤三、对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理形成驱动脉冲信号以驱动IGBT。具体详细内容可参考前述实施例对应的描述，此处不再详述。
本发明设计更加科学合理，实现了超前控制，通过记录上一工频周期中每个采样时刻的电流参考值，当每个当前工频周期开始时，首先读取当前工频周期当前时刻的电流参考值，再读取上一工频周期中对应当前工频周期当前时刻的下一个时刻的电流参考值。由于APF所处理的谐波和无功电流一般都是周期出现的，所以读取的上一工频周期中的电流参考值就是当前工频周期未来下一时刻即将出现的电流参考值，将这两个值代入计算公式中得到超前控制环节的输出值，进而进行后续处理,超前控制环节的加入大大改善了电流控制的响应速度，使得APF的补偿效果提高，电网电流畸变大大减小。
优选的，所述FPGA电路模块还连接有显示器。所述FPGA电路模块通过DSP通信模块与所述显示器连接。所述FPGA电路模块还连接有辅助DSP模块。传统的计算往往是通过DSP实现的，在实际的应用中，DSP的运算速度往往跟不上越来越复杂的控制算法与控制带宽。本发明AD读取、数据滤波采样、算法计算、快速保护等运算全部在FPGA中实现，DSP仅仅进行外部显示、人机界面等操作。FPGA的优势是可以同时进行快速并行运算，能满足复杂算法的高控制带宽需求。并且FPGA有高可靠性和高适应性的优点，更加适用于工业应用场合。本发明的硬件架构具体工作原理：APF的模拟量如电压、电流等经过电压、电流传感器后变为小信号模拟量，送入信号调理电路。信号调理电路将模拟量经行滤波和限幅处理后送入告诉AD。高速AD在FPGA的控制下经行模数转换。转换完成的数字信号经过FPGA的数据总线读取，在FPGA中进行超前控制计算，输出的控制量在FPGA内部与内部产生的三角载波进行比较，产生的PWM信号送入IGBT驱动板。
在系统的工作过程中，FPGA承担核心工作——信号处理、控制算法、载波比较与快速保护等。辅助DSP模块进行数据辅助处理工作，如THD值计算、谐波分析等工作；通信模块进行人机界面控制工作，如显示屏控制、键盘信号读取等。本发明系统结构合理，在性能、可靠性与成本之间取得了均衡，是一种较先进的方案。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种APF电流控制方法，其特征在于，包括：
步骤一、记录并关联存储上一工频周期内多个采样时刻分别采集的电网线路中的多个第一电流参考值；
步骤二、在当前工频周期开始后，获取当前工频周期内当前采样时刻k采集的电网线路中的第二电流参考值i(k)，再读取所述上一工频周期内与当前采样时刻的下一个采样时刻对应的一个第一电流参考值i(k+1),将这两个电流参考值代入公式Ua＝[i(k+1)-i(k)]*L/Tsample中计算得到输出值Ua；同时，将所述当前采样时刻k采集的电流参考值i(k)和当前实际电流值i做差后得到当前电流误差值Ue，将当前电流误差值Ue直接输入比例谐振控制器使得比例谐振控制器输出Ub，再将Ub、当前电网电压Us与Ua求和相加后得到控制电压Uc；其中，L为滤波电感的电感值，TSample为一个工频周期值；每个所述工频周期内的多个采样时刻分别一一对应；
步骤三、对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理形成驱动脉冲信号以驱动IGBT。
2.根据权利要求1所述APF电流控制方法，其特征在于，还包括依次循环执行所述步骤一、步骤二和步骤三。
3.根据权利要求2所述APF电流控制方法，其特征在于，在依次循环执行所述步骤一、步骤二和步骤三时，所述步骤二中获取当前工频周期内当前采样时刻k采集的电网线路中的第二电流参考值i(k)后，将当前采样时刻k对应的第二电流参考值i(k)存储，供下一工频周期内对应的采样时刻读取来计算所述输出值Ua。
4.根据权利要求3所述APF电流控制方法，其特征在于，所述步骤三中对所述控制电压Uc进行脉宽调制信号处理具体为：将所述控制电压Uc与三角载波进行比较产生PWM信号。
5.一种APF电流控制系统，其特征在于，包括：
电流传感器，用于在每个工频周期内采集电网线路中的电流模拟量；
电压传感器，用于在每个工频周期内采集电网电压模拟量；
信号调理电路，与所述电流传感器和电压传感器连接，用于将所述电流传感器和电压传感器分别采集的电流和电压模拟量进行滤波和限幅处理后送入高速AD转换器；
高速AD转换器，与所述信号调理电路连接，用于将所述信号调理电路处理后的电流和电压模拟量转换为数字量；
FPGA电路模块，与所述高速AD转换器连接，用于执行权利要求1-4任一项所述的APF电流控制方法以输出驱动脉冲信号驱动IGBT。
6.根据权利要求5所述APF电流控制系统，其特征在于，所述FPGA电路模块还连接有显示器。
7.根据权利要求6所述APF电流控制系统，其特征在于，所述FPGA电路模块通过DSP通信模块与所述显示器连接。
8.根据权利要求7所述APF电流控制系统，其特征在于，所述FPGA电路模块还连接有辅助DSP模块。
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