CN107579522A - 基于Ip‑Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于Ip‑Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统，属于电能治理技术领域。该系统包含采样模块、主控制模块、驱动模块和主电路模块；所述采样模块输入端与电网连接，输出端与主控制模块连接；所述主控制模块的输出端与所述驱动模块连接，驱动模块输出端与主电路模块输入端连接，所述主电路模块的输出并网实现谐波治理与无功补偿。通过检测三相电流，利用Ip‑Iq理论计算出谐波电流和无功电流，根据治理对象的需要，灵活的选择补偿指令电流，对主电路开关器件进行控制，实现谐波与无功治理。其优越性在于：可以实现一套装置可分别和同时治理谐波与无功，响应快，可靠性高。

Description

基于Ip-Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统

技术领域

本发明涉及电能质量治理技术领域，尤其是一种基于Ip-Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统。

背景技术

大量的电力电子产品应用到日常生活中，提高了人们的生活水平，但却在电力系统中引入了大量的非线性负载，产生大量谐波，造成电网污染，影响设备正常运行；大量的无功电流在电源与负载之间流动，造成电网电能的消耗，降低功率因素。一方面，目前大部分的谐波与无功的治理都是采取分开治理的方法，导致硬件投入的增加，功能单一，另一方面，谐波与无功电流的检测方法主要是基于傅里叶分析检测谐波技术和基于瞬时无功理论检测技术，傅里叶分析检测谐波与无功理论检测需要采样一个周波电网数据，存在较大延时。

发明内容

鉴于无源补偿装置只能补偿固定的某几次谐波，而有源补偿装置则可以补偿谐波的总量，有源谐波和无功补偿装置较无源补偿装置具有动态响应好的明显优势，本发明提出一种基于Ip-Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统，能够较好地实现谐波与无功的综合治理，并且有利于提高控制装置的利用率。

本发明所采用的技术方案如下：一种基于Ip-Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统，其特征在于该系统包含采样模块、主控制模块、驱动模块和主电路模块，所述采样模块输入端与电网连接，输出端与主控制模块连接；所述主控制模块的输出端与所述驱动模块连接，驱动模块输出端与主电路模块输入端连接，所述主电路模块的输出并网实现谐波治理与无功补偿；

包含如下控制步骤：

(1)采样模块从电网采集三相电流信号，并对三相电流信号进行预处理，得到后续模块允许的工作电压幅值；

(2)经预处理的三相电流信号输入到主控制模块的数据输入口并对输入的三相电流信号进行处理；

(3)经主控制模块内主控制芯片进行处理后，将采集到的三相电流信号模拟量转换成数字量，并加载Ip-Iq算法，分别计算出谐波电流和无功电流；Ip-Iq算法计算谐波电流和无功电流具体步骤如下：1)含谐波分量的电网电流信号通过坐标变换模块C₃₂，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在两相旋转坐标系中进行分解得到α轴电流和β轴电流；2)α轴电流和β轴电流经过低通滤波器模块LPF，得到α轴电流和β轴电流的直流分量；3)α轴电流和β轴电流的直流分量经过坐标反变换模块C₂₃，得到电网电流的基波分量；4)将基波分量和电网电流相减，得到电网电流的谐波分量，也即电流跟踪控制电路的指令信号；5)令α轴电流的直流分量为0，α轴电流和β轴电流的直流分量经过坐标反变换模块C₂₃，得到电网电流的无功分量；

(4)根据治理对象，计算补偿指令电流值，具体计算方法如下：1)当补偿对象为谐波时，补偿指令电流等于检测Ip-Iq算法计算出的谐波分量；2)当补偿对象为无功时，补偿指令电流等于Ip-Iq算法计算出的无功分量；3)当补偿对象为谐波与无功时，补偿指令电流值等于Ip-Iq计算出的谐波分量与无功分量平方的和的算术平方根；

(5)通过利用实际输出的治理对象的补偿指令电流值与计算出的治理对象的补偿指令电流值二者进行比较，输出的PWM信号控制主电路模块的开关器件动作，实现补偿谐波与无功；

(6)由于主控制模块输出的PWM信号的功率不足以驱动开关器件的导通和关断，所以在主控制模块与主电路模块之间连接一驱动模块，经驱动模块实现放大功率。

所述的协同控制系统既实现无功补偿，也进行谐波治理，根据电网的负荷情况自动设置其工作模式：只补偿谐波、只补偿无功或同时补偿谐波与无功。

所述主控制模块的主控芯片采用TI公司的C2000系列DSP芯片，模数转换及Ip-Iq算法计算谐波、无功和补偿指令电流通过该主控芯片完成。

所述驱动模块由IR公司的三相全桥驱动芯片实现。

所述主电路模块的功率器件采用的是英飞凌的IGBT，并由它和高压大电容构成电压型变流器，输出端通过LCL滤波电路实现并网。

本发明的工作原理：电流互感器将从电网采集的大电流信号转为微电流信号，通过采样电阻转为电压信号，经预处理后输出0-3V的正极性信号，满足主控制模块模数转换口的电气特性要求，并输入到主控制芯片的模数转换口；对采样的电流信号进行模数转换，输出数字量，并加载Ip-Iq算法，计算出谐波电流与无功电流；计算补偿指令电流；利用实际输出的治理对象的补偿指令电流值与计算出的治理对象的补偿指令电流值二者进行比较，输出控制开关器件动作的PWM信号。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点或积极效果：

1)本发明能够实现一套装置分别和同时补偿谐波与无功，提高装置的利用率；2)采用基于Ip-Iq理论谐波与无功检测算法，具有响应时间短，计算简单的优点；

3)通过硬件系统与软件系统的协调配合，使得程序占用的存储资源较少。

附图说明

图1为本发明的系统原理示意图；

图2为本发明的谐波电流与无功电流计算原理示意图；

图3为本发明的谐波电流和无功电流计算的子程序原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术方案、技术特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式和附图1-3，进一步阐述本发明。

一种基于Ip-Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统，包含采样模块、主控制模块、驱动模块和主电路模块，所述采样模块输入端与电网连接，输出端与主控制模块连接；所述主控制模块的输出端与所述驱动模块连接，驱动模块输出端与主电路模块输入端连接，所述主电路模块的输出并网实现谐波治理与无功补偿。其控制方法包括以下步骤：

上述Ip-Iq算法计算谐波电流和无功电流的计算过程具体步骤如下：

步骤(1)：构建坐标变换模块C₃₂、坐标反变换模块C₂₃和系数C，系数C正弦量sin与A相电压e_a同相；

步骤(2)：采样A、B、C三相系统电流i_a、i_b和i_c瞬时电流值，之后计算中间量i_α、i_β、i_p、i_q；

步骤(3)：根据I_p-I_q算法，对步骤(2)结果中的i_p和i_q通过低通滤波器模块LPF进行低通滤波处理，得i_p的直流量i_q的直流分量

步骤(4)：根据I_p-I_q算法，对步骤(3)和步骤(2)结果进行反变换，

得到三相瞬时电流值的基波分量i_af、i_bf、i_cf和无功电流i_aq、i_bq、i_cq；

步骤(5)：利用三相系统电流i_a、i_b、i_c减去步骤(4)结果中的三相基波电流，即得到三相瞬时电流值的谐波分量i_ah、i_bh和i_ch；

步骤(6)：计算补偿指令电流i_az、i_bz、i_cz：

1)补偿谐波：i_az＝i_ah；i_bz＝i_bh；i_cz＝i_ch

2)补偿无功：i_az＝i_aq；i_bz＝i_bq；i_cz＝i_cq

3)同时补偿谐波与无功：

主控制芯片内部程序主要有四个：

1)基于Ip-Iq算法计算谐波电流和无功电流及相应的补偿指令电流；

2)对采集到的三相电网数据进行模数转换；

3)初始化芯片、对相关的引脚进行配置，相关的中断进行设置及存储

单元分配，相关寄存器工作模式设置；

4)对补偿对象的选择控制实现，

步骤(7)：选择待补尝对象，选择的规则是：1)、当系统最大可输出补偿偿电流有效值大于等于同时补偿谐波电流与无功电流时，优选同时补偿谐波电流与无功电流；2)、当系统最大可输出补偿电流有效值小于同时补偿谐波电流与无功电流且大于谐波电流与无功电流两者的较大者时，优选补偿谐波电流与无功电流的较大者；3)、当系统最大可输出补偿电流有效值小于谐波电流与无功电流两者的较大者且大于谐波电流与无功电流两者的较小者时，优选补偿谐波电流与无功电流的较小者；4)、当系统最大可输出补偿电流有效值小于谐波电流与无功电流两者的较小者时，优选补偿谐波电流与无功电流的较小者；

步骤(8)：输出步骤(7)所选择的补偿电流，实现无功电流与谐波电流的治理；

如图3所示，本发明所述系统安装到电网与非线性负载之间，系统上电初始化，读取并判断A/D转换的值是否正常，如果正常则加载Ip-Iq算法，实时计算谐波电流与无功电流，查询正弦余弦表是否到尾，如果到尾说明算法已经完成一个电网周波的计算，正弦余弦表需循环从头开始参与下一个电网周波的计算；如果A/D转换的值异常，则进行报警，并等待故障消失，如果在一定时间内故障未消除，则关断系统进行保护；如果在一定时间内故障消除，则系统复位，重新开始工作和计算。系统通过执行步骤(7)自动选择补偿对象，输出补偿电流，实现实现无功电流与谐波电流的治理。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于Ip-Iq理论谐波治理与无功补偿的协调控制系统，其特征在于该系统包含采样模块、主控制模块、驱动模块和主电路模块，所述采样模块输入端与电网连接，输出端与主控制模块连接；所述主控制模块的输出端与所述驱动模块连接，驱动模块输出端与主电路模块输入端连接，所述主电路模块的输出并网实现谐波治理与无功补偿；

包含如下控制步骤：

（1）采样模块从电网采集三相电流信号，并对三相电流信号进行预处理，得到后续模块允许的工作电压幅值；

（2）经预处理的三相电流信号输入到主控制模块的数据输入口并对输入的三相电流信号进行处理；

（3）经主控制模块的主控制芯片进行处理后，将采集到的三相电流信号模拟量转换成数字量，并加载Ip-Iq算法，分别计算出谐波电流和无功电流；所述Ip-Iq算法计算谐波电流和无功电流的具体步骤如下：

1）含谐波分量的电网电流信号通过坐标变换模块C₃₂，从三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系中，在两相旋转坐标系中进行分解得到α轴电流和β轴电流；

2）α轴电流和β轴电流经过低通滤波器模块LPF，得到α轴电流和β轴电流的直流分量；

3）α轴电流和β轴电流的直流分量经过坐标反变换模块C₂₃，得到电网电流的基波分量；

4）将基波分量和电网电流相减，得到电网电流的谐波分量，也即电流跟踪控制电路的指令信号；

5）令α轴电流的直流分量为0，α轴电流和β轴电流的直流分量经过坐标反变换模块C₂₃，得到电网电流的无功分量；

（4）根据治理对象，计算补偿指令电流值，具体计算方法如下：

1）当补偿对象为谐波时，补偿指令电流等于检测Ip-Iq算法计算出的谐波分量；

2）当补偿对象为无功时，补偿指令电流等于Ip-Iq算法计算出的无功分量；

3）当补偿对象为谐波与无功时，补偿指令电流值等于Ip-Iq计算出的谐波分量与无功分量平方的和的算术平方根；

（5）通过利用实际输出的治理对象的补偿指令电流值与计算出的治理对象的补偿指令电流值二者进行比较，输出的PWM信号控制主电路模块的开关器件动作，实现补偿谐波与无功；

（6）由于主控制模块输出的PWM信号的功率不足以驱动开关器件的导通和关断，所以在主控制模块与主电路模块之间连接一驱动模块，经驱动模块实现放大功率。

2.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于所述的协同控制系统既实现无功补偿，也进行谐波治理，根据电网的负荷情况自动设置其工作模式：只补偿谐波、只补偿无功或同时补偿谐波与无功。

3.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于所述主控制模块的主控芯片采用TI公司的C2000系列DSP芯片，模数转换及Ip-Iq算法计算谐波、无功和补偿指令电流通过该主控芯片完成。

4.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于所述驱动模块由IR公司的三相全桥驱动芯片实现。

5.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于所述主电路模块的功率器件采用的是英飞凌的IGBT，并由它和高压大电容构成电压型变流器，输出端通过LCL滤波电路实现并网。

6.根据权利要求1所述的协调控制系统，其特征在于所述对三相电流信号进行预处理为：电流互感器将从电网采集的三相大电流信号转为微电流信号，通过采样电阻转为电压信号，经预处理后输出0-3V的正极性信号，满足主控制模块模数转换口的电气特性要求。