CN105743104A - 一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器及控制方法，其技术要点是：该控制器的模拟三角波发生电路连接比较电路，DSP控制芯片经电网侧电压检测电路和电网侧电流检测电路连接电网、经高通滤波器与比较电路相连，比较电路经功率变换电路连接电网。该控制方法包括的步骤：一、三角波发生电路产生载波信号给比较电路；二、DSP控制芯片将电网侧的电流检测信号和电压检测信号数字化后输出无功功率控制和谐波抑制的调制信号给比较电路；三、比较电路将两种信号进行比较后生成功率器件的驱动信号。本发明由电网电压和电流数字化计算得到调制信号与载波信号直接比较输出功率器件的驱动信号来实现电网无功控制和谐波电流抑制的功能。

Description

一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器及控制方法
技术领域；
本发明涉及了一种模拟和数字综合控制的无功补偿和电网低次谐波电流抑制的实现方法，具体涉及一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制方法。
背景技术：
为了提高电网电能的传输效率，需要控制电网的无功功率，由于电网存在非线性用电设备，特别是电力电子设备的应用，给电网带来的谐波污染影响电网安全运行和电能传输效率。应用全数字化的静止无功补偿装置功率器件的驱动信号计算采用近似算法导致无功补偿装置输出谐波增加，无功补偿装置具备的电网谐波抑制功能算法复杂不能精确抑制电网谐波电流；而全模拟无功补偿装置无法实现实时无功补偿和谐波电流抑制。
发明内容：
为解决上述问题，本发明提供了一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器及控制方法，本发明可对电网电压和电流进行数字化计算，其输出电压信号实时值经D/A转换的模拟信号与模拟三角波发生电路生成的载波信号直接比较后可输出无功补偿器的驱动信号。
本发明的无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器，为实现上述目的所采用的技术方案在于：包括DSP控制芯片、电网侧电压检测电路、电网侧电流检测电路、比较电路和模拟三角波发生电路，所述模拟三角波发生电路连接比较电路，所述DSP控制芯片分别通过电网侧电压检测电路和电网侧电流检测电路与电网相连，电网侧电压检测电路和电网侧电流检测电路通过信号调理电路与DSP控制芯片的A/D输入模块相连，DSP控制芯片的D/A输出模块经高通滤波器与比较电路相连，比较电路连接功率变换电路，功率变换电路连接电网。
进一步地，所述功率变换电路经平波电抗器连接电网。
本发明的无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制方法，为实现上述目的所采用的技术方案在于由以下步骤构成：
一、通过模拟三角波发生电路产生电网无功功率控制和谐波抑制功率变换器中功率器件驱动信号的载波信号输送给比较电路；
二、DSP控制芯片通过电流检测电路检测电网侧的电流检测信号、通过电压检测电路检测电网侧的电压检测信号，电流检测信号与电压检测信号经DSP控制芯片的A/D输入模块转换为数字信号输入DSP控制芯片内进行计算后，由DSP控制芯片的D/A输出模块输出模拟信号给高通滤波器进行滤波后再输送给比较电路；
三、比较电路将步骤一获得的载波信号与步骤二获得的模拟信号进行比较后生成功率器件在无谐波抑制电压时的精确SPWM驱动信号和有谐波抑制电压时的PWM驱动信号。
进一步地，所述步骤二中的电流检测信号和电压检测信号分别经过信号调理后再输出给A/D输入模块，以确保信号的匹配，其中经调理的电压信号频率与电网电压频率严格一致，幅值按照功率因数设定计算得到，相位与电网电压相位相同，自动识别电网相序。
进一步地，所述电流检测信号经A/D输入模块变换后进行无功分量计算得出无功电流的大小和性质，由电流谐波分析得出各次谐波电流的大小和相位，确定各次谐波电压的实时值并与经转换的电网电压信号相加得到控制电网无功电流和抑制电网低次谐波电流的电压复合信号值经D/A输出模块输出。
本发明的有益效果是：本发明对电网侧电压测量信号进行信号调理数字化计算后由DSP控制芯片的D/A输出模块输出并经高通滤波器转换为交流信号，此交流信号与模拟三角波发生电路发出的载波信号直接比较得到功率器件精确的SPWM驱动信号，可以实现SVG装置自动识别电网电压相序，自动与电网电压频率和电压相位同步且控制器输出电压的基波幅值与电网无功功率控制相对应；检测电网侧电流数字化计算其大小和性质、谐波分析得出电网侧低次谐波幅值和相位，得到抑制电网低次谐波电流的各次谐波电压实时值，与控制SVG电压信号相加，实现电网的无功补偿及不易滤除的电网低次谐波的精确抑制功能。本发明利用数字化控制时参数设置的灵活性和模拟电路计算的快速性和准确性，可精确控制电网无功补偿和精确抑制电网侧低次谐波电流。
附图说明：
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式：
参照图1，该无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器，包括DSP控制芯片1、电网侧电压检测电路2、电网侧电流检测电路3、比较电路7和模拟三角波发生电路8，所述模拟三角波发生电路8连接比较电路7，所述DSP控制芯片1分别通过电网侧电压检测电路2和电网侧电流检测电路3与电网4相连，电网侧电压检测电路2和电网侧电流检测电路3通过信号调理电路5与DSP控制芯片1的A/D输入模块相连，DSP控制芯片1的D/A输出模块经高通滤波器6与比较电路7相连，比较电路7连接功率变换电路9，功率变换电路9经电抗器10连接电网4。
模拟三角波发生电路8输出三角波幅值固定、频率可调的载波信号，电网侧电压检测电路2和信号调理电路5实现电网4侧的电压检测值作为调制信号，其中x表示电网三相电压ABC，Um为电压幅值，ω＝2πf，为对应电压信号的相位，由信号调理电路5变换使得电网4侧的电压检测信号与DSP控制芯片1的A/D信号匹配，电网4侧的电压检测信号经A/D输入模块转换为数字信号需要考虑A/D输入模块的转换过程△t1、控制算法计算过程△t2和D/A输出模块的转换输出过程△t3在时间上所引起的相位滞后2πf(△t1+△t2+△t3)而得到产生SPWM驱动信号的调制信号的实时值。
SPWM电压波形频率、相位及相序与电网电压波形同步，由于高通滤波器6的延迟作用，SPWM电压波形经滤波后的波形略延后于电网电压；电网侧电流检测电路3和信号调理电路5实现电网侧电流检测值ix＝Imsin(ωt+θx)，其中x表示电网三相电流ABC，Im为电流幅值，θx为对应电流信号的相位，由信号调理电路5变换使得电网侧电压检测信号与DSP控制芯片1的A/D信号匹配。
本发明的无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制方法，由以下步骤构成：
一、通过模拟三角波发生电路8产生电网无功功率控制和谐波抑制功率变换电路9中功率器件驱动信号的载波信号输送给比较电路7；
二、DSP控制芯片5通过电网侧电流检测电路3检测电网4侧的电流检测信号、通过电网侧电压检测电路2检测电网4侧的电压检测信号，电流检测信号与电压检测信号经DSP控制芯片1的A/D输入模块转换为数字信号输入DSP控制芯片1内进行计算后，由DSP控制芯片5的D/A输出模块输出模拟信号给高通滤波器6进行滤波后再输送给比较电路7；
三、比较电路7将步骤一获得的载波信号与步骤二获得的模拟信号进行比较后生成功率器件在无谐波抑制电压时的精确SPWM驱动信号和有谐波抑制电压时的PWM驱动信号。所述步骤二中的电流检测信号和电压检测信号分别经过信号调理电路5进行信号调理后再输出给A/D输入模块，经信号调理电路5调理的电压检测信号的频率与电网4电压频率严格一致，幅值按照功率因数设定计算得到，相位与电网电压相位相同，自动识别电网相序。
电网4侧的电流检测信号经信号调理电路5输入给A/D输入模块，由A/D输入模块转换为数字信号进行无功分量计算得出无功电流的大小和性质，由电流谐波分析得出各次谐波电流的大小和相位，得出低次电流谐波分量大小确定个次谐波电压的幅值，确定各次谐波电压的实时值并与经转换的电网电压信号相加得到控制电网无功电流和抑制电网低次谐波电流的电压复合信号值经D/A输出模块输出给比较电路7，经比较电路7与三角波比较生成功率器件的PWM驱动信号；电网4的电压检测信号由电网侧电压检测电路2检测、信号调理电路5调理、A/D输入模块变换、DSP控制芯片1计算、D/A输出模块输出过程得到的模拟信号与模拟三角波发生电路8产生的载波信号通过比较电路7进行直接比较得出精确的SPWM驱动信号以控制无功补偿控制器输出基波电压的频率、相位、相序保持与电网4一致，基波幅值由无功电流的大小和性质决定。经D/A输出模块输出的包含控制电网无功电流和抑制电网谐波电流的电压复合信号值与载波信号直接比较得出PWM驱动信号控制无功补偿控制器输出所计算的无功电流和考虑功率器件开关频率可以精确抑制电网低次谐波电流的电压。
本控制方法根据电网无功功率控制闭环设定，由数字化的电压信号和数字化的电流信号计算控制器基波电压幅值，对数字化的电流信号进行运算得到谐波电流分量组成和谐波电流幅值大小及相位值，由此确定抑制各次谐波电流的各次谐波电压大小，将各次谐波电压值相加得到各次谐波电压复合信号与数字化电网电压信号相加，并由控制芯片的D/A接口输出，此信号为直流信号，经高通滤波器6滤除叠加在交流信号上的直流信号以转换为交流信号，即产生PWM驱动信号的调制信号，比较电路7实现载波信号与调制波信号的比较。
功率变换电路9连接电抗器10形成无功补偿控制器，其输出的各相输出电压的基波电压与电网各相电压同频率、同相位、同相序，幅值由需要补偿无功功率的大小和性质确定，包含无功功率控制和谐波电流抑制的电压复合信号与三角波比较输出PWM驱动信号控制功率变换电路9输出电网4所需的无功功率和精确抑制电网侧3次、5次、6次、7次、9次、11次谐波电流的各次谐波电压信号。
考虑功率器件的开关频率，本发明可以精确抑制电网侧第次谐波电流，因为无功补偿控制器输出基波电流较大，其开关频率较低，以开关频率为5kHz说明3次、5次、6次、7次、9次、11次谐波电压每周期经载波调制输出的段数分别为32段、19段、16段、17段、10段和5段，因此本发明可以精确抑制电网侧3次、5次、6次、7次电流和有效抑制9次、11次电流。
本控制方法可以实现电网侧无功补偿和可以精确抑制电网电流低次谐波电流，电网侧检测电流信号经A/D变换后进行无功分量计算得出无功电流的大小和性质，由电流谐波分析得出各次谐波电流的大小和相位，确定各次谐波电压的实时值并与经过转换的电网电压信号相加得到控制电网无功电流和抑制电网低次谐波电流的数字化复合信号值，该值经D/A输出,由D/A输出模块输出的模拟调制信号和模拟载波信号比较得到的功率变换驱动信号可以更精确输出SPWM电压和抑制电网谐波电流的谐波电压。

Claims (5)

1.一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器，其特征在于：包括DSP控制芯片(1)、电网侧电压检测电路(2)、电网侧电流检测电路(3)、比较电路(7)和模拟三角波发生电路(8)，所述模拟三角波发生电路(8)连接比较电路(7)，所述DSP控制芯片(1)分别通过电网侧电压检测电路(2)和电网侧电流检测电路(3)与电网(4)相连，电网侧电压检测电路(2)和电网侧电流检测电路(3)通过信号调理电路(5)与DSP控制芯片(1)的A/D输入模块相连，DSP控制芯片(1)的D/A输出模块经高通滤波器(6)与比较电路(7)相连，比较电路(7)连接功率变换电路(9)，功率变换电路(9)连接电网(4)。
2.如权利要求1所述的一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制器，其特征在于：所述功率变换电路(9)经电抗器(10)连接电网(4)。
3.一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制方法，其特征在于由以下步骤构成：
一、通过模拟三角波发生电路(8)产生电网无功功率控制和谐波抑制功率变换电路(9)中功率器件驱动信号的载波信号输送给比较电路(7)；
二、DSP控制芯片(5)通过电网侧电流检测电路(3)检测电网(4)侧的电流检测信号、通过电网侧电压检测电路(2)检测电网(4)侧的电压检测信号，电流检测信号与电压检测信号经DSP控制芯片(1)的A/D输入模块转换为数字信号输入DSP控制芯片(1)内进行计算后，由DSP控制芯片(5)的D/A输出模块输出模拟信号给高通滤波器(6)进行滤波后再输送给比较电路(7)；
三、比较电路(7)将步骤一获得的载波信号与步骤二获得的模拟信号进行比较后生成功率器件的精确SPWM驱动信号。
4.如权利要求3所述的一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制方法，其特征在于：步骤二中的电流检测信号和电压检测信号分别经过信号调理电路(5)进行信号调理后再输出给A/D输入模块。
5.如权利要求3所述的一种无功补偿和抑制电网低次谐波电流的控制方法，其特征在于：电流检测信号经A/D输入模块变换后进行无功分量计算得出无功电流的大小和性质，由电流谐波分析得出各次谐波电流的大小和相位，确定各次谐波电压的实时值并与经转换的电网电压信号相加得到控制电网无功电流和抑制电网低次谐波电流的电压复合信号值经D/A输出模块输出。
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