CN106385030B - 一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法 - Google Patents

一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法，通过谐波电压检测模块采集并提取电网公共点谐波电压，这样克服了远端负载电流难以采集的缺陷，提高控制的便利性；在实际的配置中，通过在电路控制器中增加了电压控制模块，这样只是用局部可测的反馈信号就可以实现高电压的谐波补偿，同时由于是直接谐波电压调节方式，提供了更好的控制性能。

Description

一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法
技术领域
本发明属于有源电力滤波器控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法。
背景技术
近年来,电力电子技术得到飞速的发展，非线性负载越来越多的应用导致了电网日益严重的谐波污染问题。因此消除谐波污染已经成为当今电能利用的一个重要环节。有源电力滤波器(APF)可同时实现无功和谐波的动态补偿，具有相应速度快，不易与电网阻抗发生谐振，补偿性能不受电网频率变化影响等优点，已成为谐波治理的一个重要措施。
中国发明专利《一种有源电力滤波器的频率自适应改进型谐振控制方法》(专利号：201410679819.5)公开了一种有源电力滤波器的频率自适应改进型谐振控制方法，该方法增加了改进型谐振控制器或改进型准谐振控制器，在保持控制效果和提高系统稳定性上起到了较好的作用。中国发明专利《一种指定次谐波补偿APF的谐波检测和控制方法》(专利号：201310319333.6)公开了一种指定次谐波补偿APF的谐波检测和控制方法，该APF可通过人机交互界面指定对电网中负载产生的谐波电流的哪一次或哪几次谐波进行谐波分离检测和补偿,增强了谐波检测和补偿电流的稳定性和可靠性。这些方法都是基于负载电流的检测进行控制的，然而在现实电网中，负载是高度分布的，负载电流不易或者不能被测量，因此这些方法的应用是相对有限的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法，它不需要远程负载谐波电流的测量，而是基于局部电压检测来直接进行谐波电压调节，所以与传统的电压检测方法相比，该方法提供了更好的谐振控制效果。
为实现上述发明目的，本发明一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、PLL锁相环模块根据电网电压ug获取到电网电压的相位角θ和角频率ω0；
(2)、abc-dq坐标变换模块根据相位角θ，将电网电压ug从abc坐标系变换到dq坐标系下的电压ugd、ugq，将电容支路电压uc从abc坐标系变换到dq坐标系下的电压ucd、ucq，同时将两电平VSI交流侧电流i1从abc坐标系变换到dq坐标系下的电流i1d、i1q；
(3)、计算输出有功电流给定值直流电压控制模块将两电平VSI直流侧电压的给定值与两电平VSI正母线与负母线之间电压udc作差，将得到的差值进行PI控制，得到有功电流给定值
(4)、谐波电压检测模块将dq坐标系下的电压ugd、ugq进行频率自适应实时分次谐波检测，得到dq坐标系下的谐波电压指令ugdh、ugqh；
(5)、电压控制模块计算输出控制量uvd、uvq；
(5.1)、计算电压Δud：将谐波电压ugdh与电压ucd作差，得到Δud＝ugdh-ucd；
(5.2)、计算电压Δuq：将谐波电压ugqh与电压ucq作差，得到Δuq＝ugqh-ucq；
(5.3)、电压控制模块根据上述角频率ω0，将计算得到的Δud、Δuq经过谐振控制器，得到输出控制量uvd、uvq；
(6)、电流控制模块计算输出控制量uid、uiq；
(6.1)、计算电流Δid：将有功电流给定值与电流i1d作差，得到
(6.2)、计算电流Δiq：将指令电流0与电流i1q作差，得到Δiq＝0-i1q；
(6.3)、将计算得到的Δid、Δiq送入PI控制器，得到输出控制量uid、uiq；
(7)、电网电压前馈模块将步骤(2)所述电压ugd、ugq和步骤(5.3)所述的输出控制量uvd、uvq以及步骤(6.3)所述的输出控制量uid、uiq进行叠加，得到控制量Vd、Vq；
(8)、dq-abc坐标变换模块根据上述相位角θ，将步骤(7)所述的控制量Vd、Vq从dq坐标系变换到abc坐标系下的控制量Va、Vb、Vc；
(9)、SPWM模块根据步骤(8)所述的控制量Va、Vb、Vc得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制两电平VSI的各个IGBT的开通关断。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明是一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法，通过谐波电压检测模块采集并提取电网公共点谐波电压，这样克服了远端负载电流难以采集的缺陷，提高控制的便利性；在实际的配置中，通过在电路控制器中增加了电压控制模块，这样只是用局部可测的反馈信号就可以实现高电压的谐波补偿，同时由于是直接谐波电压调节方式，提供了更好的控制性能。
附图说明
图1是有源电力滤波器的控制框图；
图2是本发明有源电力滤波器的谐波电压控制方法流程图；
图3是直流电压控制模块的原理框图；
图4是电压控制模块的原理框图；
图5是电流控制模块的原理框图；
图6是本发明电力滤波器补偿前后电流的效果图；
图7是本发明电力滤波器补偿前后电压的效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是有源电力滤波器的控制框图。
在本实施例中，如图1所示，有源电力滤波器包括主电路和控制两部分，其中，图1的虚线部分以下为控制部分。
主电路部分是由两电平VSI 1、LCL滤波器2、非线性负载3组成。两电平VSI 1通过LCL滤波器2与电网相连，非线性负载3直接与电网相连，从而组成了一个完整的有源电力滤波器的主电路。
控制部分包括：PLL锁相环模块4、abc-dq坐标变换模块5、直流电压控制模块6、谐波电压检测模块7、电压控制模块8、电流控制模块9、电网电压前馈模块10、dq0-abc坐标变换模块11、SPWM模块12，构成了有源电力滤波器的控制部分。
图2是本发明有源电力滤波器的谐波电压控制的流程图。
在本实施例中，如图2所示，一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法，包括以下步骤：
S1、PLL锁相环模块根据电网电压ug获取到电网电压的相位角θ和角频率ω0；
S2、abc-dq坐标变换模块根据相位角θ，将电网电压ug从abc坐标系变换到dq坐标系下的电压ugd、ugq，将电容支路电压uc从abc坐标系变换到dq坐标系下的电压ucd、ucq，同时将两电平VSI交流侧电流i1从abc坐标系变换到dq坐标系下的电流i1d、i1q；
S3、计算输出有功电流给定值
本实施例中，直流电压控制模块的原理框图如图3所示，直流电压控制模块将两电平VSI直流侧电压的给定值与两电平VSI正母线与负母线之间电压udc作差，将得到的差值进行PI控制，得到有功电流给定值
S4、谐波电压检测模块将dq坐标系下的电压ugd、ugq通过频率自适应实时分次谐波检测方法[专利号:201310394870.7]得到dq坐标系下的谐波电压指令ugdh、ugqh；
S5、电压控制模块计算输出控制量uvd、uvq；
S5.1)、计算电压Δud：将谐波电压ugdh与电压ucd作差，得到Δud＝ugdh-ucd；
S5.2)、计算电压Δuq：将谐波电压ugqh与电压ucq作差，得到Δuq＝ugqh-ucq；
S5.3)、电压控制模块根据上述角频率ω0，将计算得到的Δid、Δiq经过谐振控制器得到输出控制量uvd、uvq；
本实施例中，如图4为具有相位补偿功能的6、12次谐波对应的谐振控制器。
具有相位补偿的谐振控制器在Z域的传递函数为：
其中：Kres是谐振控制器的增益，Ts表示谐振控制器的采样周期，h代表谐波次数，ω0为电网角频率，表示谐振控制器的超前角，z为Z域算子。具体参数值为：Kres＝1.2，Ts＝0.0001s，h＝6、12(dq坐标系下的6、12次谐波对应abc坐标系下的5、7、11、13次谐波)，ω0＝100π，
S6、电流控制模块计算输出控制量uid、uiq；
S6.1)、计算电流Δid：将有功电流给定值与电流i1d作差，得到
S6.2)、计算电流Δiq：将指令电流0与电流i1q作差，得到Δiq＝0-i1q；
S6.3)、将计算得到的Δid、Δiq送入PI控制器，得到输出控制量uid、uiq；
本实施例中，如图5所示，电流控制模块为PI控制器。
PI控制器采用的传递函数为：
其中，KP为比例参数，KI为积分参数，z为Z域算子。具体参数值为：KP＝4.5239，KI＝0.0503。
S7、电网电压前馈模块将步骤S2所述电压ugd、ugq和步骤S5.3)所述的输出控制量uvd、uvq以及步骤S6.3)所述的输出控制量uid、uiq进行叠加，得到控制量Vd、Vq；
S8、dq-abc坐标变换模块根据上述相位角θ，将步骤S7所述的控制量Vd、Vq从dq坐标系变换到abc坐标系下的控制量Va、Vb、Vc；
S9、SPWM模块根据步骤S8所述的控制量Va、Vb、Vc得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制两电平VSI的各个IGBT的开通关断。
本实施例中变换器部分参数为：额定电压V为230V，额定频率f为50Hz，直流电压VDC为650V，开关频率fs为10kHz；LCL滤波器部分参数：变换器侧电感L1为1.8mH，电网侧电感L2为1.8mH，电容Cf值为9μF，电阻r值为0.2Ω。
图6是本发明电力滤波器补偿前后电流的效果图。
本实施例中，图6(a)为补偿前的电网电流波形；图6(b)为使用本发明补偿后的电网电流波形；从图中可以看出补偿后电网电流畸变变小。图6(c)为谐波补偿动态实验波形，从图中可以看出启动补偿后，电网电流5、7、11、13次谐波的畸变率明显下降,各次谐波畸变率小于5％。同时，给出了补偿前后的电网公共点(PCC)电压波形，如图7所示，其中，图7(a)为补偿前的PCC点电压波形，图7(b)为补偿后的PCC点电压波形，图7(c)为启动谐波补偿动态实验波形，从图中可以看出启动偿后，PCC点电压5、7、11、13次谐波的畸变率明显下降，各次谐波畸变率小于0.5％。从而，电能质量得到明显改善。
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 (2)

1.一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、PLL锁相环模块根据电网电压ug获取到电网电压的相位角θ和角频率ω0；
(2)、abc-dq坐标变换模块根据相位角θ，将电网电压ug从abc坐标系变换到dq坐标系下的电压ugd、ugq，将电容支路电压uc从abc坐标系变换到dq坐标系下的电压ucd、ucq，同时将两电平VSI交流侧电流i1从abc坐标系变换到dq坐标系下的电流i1d、i1q；
(3)、计算输出有功电流给定值直流电压控制模块将两电平VSI直流侧电压的给定值与两电平VSI正母线与负母线之间电压udc作差，将得到的差值进行PI控制，得到有功电流给定值
(4)、谐波电压检测模块将dq坐标系下的电压ugd、ugq进行频率自适应实时分次谐波检测，得到dq坐标系下的谐波电压ugdh、ugqh；
(5)、电压控制模块计算输出控制量uvd、uvq；
(5.1)、计算电压Δud：将谐波电压ugdh与电压ucd作差，得到Δud＝ugdh-ucd；
(5.2)、计算电压Δuq：将谐波电压ugqh与电压ucq作差，得到Δuq＝ugqh-ucq；
(5.3)、电压控制模块根据上述角频率ω0，将计算得到的Δud、Δuq经过谐振控制器，得到输出控制量uvd、uvq；
(6)、电流控制模块计算输出控制量uid、uiq；
(6.1)、计算电流Δid：将有功电流给定值与电流i1d作差，得到
(6.2)、计算电流Δiq：将指令电流0与电流i1q作差，得到Δiq＝0-i1q；
(6.3)、将计算得到的Δid、Δiq送入PI控制器，得到输出控制量uid、uiq；
(7)、电网电压前馈模块将步骤(2)所述电压ugd、ugq和步骤(5.3)所述的输出控制量uvd、uvq以及步骤(6.3)所述的输出控制量uid、uiq进行叠加，得到控制量Vd、Vq；
(8)、dq-abc坐标变换模块根据上述相位角θ，将步骤(7)所述的控制量Vd、Vq从dq坐标系变换到abc坐标系下的控制量Va、Vb、Vc；
(9)、SPWM模块根据步骤(8)所述的控制量Va、Vb、Vc得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制两电平VSI的各个IGBT的开通关断。
2.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器的谐波电压控制方法，其特征在于，所述的电压控制模块包括一谐振控制器；电流控制模块包括一PI控制器；
其中，所述的谐振控制器具有相位补偿功能，其Z域的传递函数为：
其中，Kres是谐振控制器的增益，Ts表示谐振控制器的采样周期，h表示谐波次数，ω0为电网电压的角频率，表示谐振控制器的超前角，z为Z域算子；
所述的PI控制器的传递函数为：
其中，KP为比例参数，KI为积分参数，z为Z域算子。
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