CN107800135A - 一种用于sapf的不同次谐波精细化补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，主要包括：网侧馈线电压，负载馈线电流的采集；不同次谐波有功分量和非有功分量的检测以及各次谐波有功功率流向判断；重复PI电流控制控制各次谐波补偿电流的产生；直流侧电压PI控制环节抑制直流侧电压波动。本发明提供的方法是能够通过判断负载侧各次谐波有功功率流向判断来确定不同的补偿方案，实现精细化补偿。本发明提供的方法可以区分k次谐波分量有功分量对网侧是否造成污染的基础上，降低有源电力滤波器补偿成本，且在限定容量下，本发明的补偿方法能有效地降低网侧馈线谐波畸变率（THD）。

Description

一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法

技术领域

本发明涉及电力系统中电能质量控制技术领域，更具体地，涉及一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法。

背景技术

目前，随着电力电子设备迅速发展，工业生产中大功率的换流设备、电弧炉、大量的电力电子元器件的投入使用同时电源侧变压器和电机故障等原因向电网注入了大量的谐波，导致电网电压发生严重的畸变，影响电网和负载的正常运作。为了改善电力设备的运转效率并改善电能质量，需要对谐波电流进行治理。并联型有源滤波器（Shunt ActivePower Filter， SAPF）作为一种常见的电流谐波治理装置，能够跟踪补偿不同大小和频率的谐波。当SAPF在应用于工业大容量非线性负载时，受制于现有的电力电子开关器件的工艺水平，补偿能力有限，因此谐波补偿效果不甚理想。同时，替换更大容量SAPF所需的经济成本较高。可见，在谐波治理过程中，如何有效降低补偿成本，以及在给定补偿容量如何针对性地治理各次谐波分量显得越发地重要了。

目前来说，在电网电压畸变情况下，现有的SAPF补偿方法一般有两种：①将网侧馈线电流治理成和基波有功正序分量同样的标准正弦波；②将非线性负载和SAPF并联补偿为一个等效电阻，即将网侧馈线电流波形补偿为与负载侧馈线电压一致的波形。在第一种补偿方法，一般是把网侧馈线电流补偿为基波正序有功分量，将各次谐波和基波无功分量作为一个整体进行补偿。对于非线性负载来说，这种补偿目标虽然降低了系统网侧馈线电流谐波畸变率，但是将电网畸变电压和非线性负载两者贡献的谐波同时进行治理，在一定程度上增加了SAPF的补偿容量，增加了谐波补偿成本。在第二种补偿方法中，明确区分了谐波污染责任分配的问题，SAPF对由电网侧带来的谐波污染不予以治理，只对由负载侧贡献的谐波电流治理。对于非线性负载用户，这种补偿目标通过对电网畸变引入的谐波分量和负载产生的谐波分量进行了责任划分治理，有效减小SAPF补偿容量。但是这种目标简单的将非线性负载治理为对于各次谐波的等值电阻，并未区分不同次谐波有功分量是否对电网造成污染。

对于非线性负载用户来说，谐波非有功分量往往不是用户负载工作所需，因此需要将其全部补偿。然而谐波有功分量有时则用于交流设备中的涡流损耗和电缆的趋肤效应的热损失。

发明内容

本发明提供一种用于SAPF不同次谐波精细化补偿方法，以区分不同次谐波分量有功分量对网侧是否造成污染的基础上，分别进行补偿，降低有源电力滤波器补偿成本。

根据本发明，一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，采用本方法的控制框图包括五部分：不同次谐波有功和非有功分量检测环节、电流控制环节、直流侧电压控制环节、正弦脉宽调制SPWM环节、非线性负载贡献k次谐波有功功率流向判定环节，包括以下步骤：

S1.检测到畸变后网侧馈线电压，畸变前和畸变后的负载侧馈线电流，SAPF输出电流和SAPF直流侧电压。

S2.将检测到畸变前后负载侧馈线电流相减，得到非线性负载贡献谐波电流量，将网侧馈线电压以及非线性负载贡献总谐波电流量经过不同次谐波有功分量和非有功分量检测环节，得到负载侧贡献的不同次谐波有功分量和非有功分量。

S3.通过对负载侧贡献的k次谐波有功功率流向判定，来决定对于k次谐波分量只进行非有功分量补偿还是全部补偿。

S4.将非线性负载谐波k次电流需补偿的分量作为SAPF谐波电流指令，将谐波指令减去SAPF输出电流，得到谐波电流误差信号，利用重复PI控制器对所述的谐波电流误差信号就行调节，得到SAPF指令信号分量。

S5.电压控制环节将检测后检测到的SAPF直流侧电压减去直流侧电压设定值，得到直流电压误差信号；利用直流电压PI控制器对所述的直流电压误差进行调节，使得SAPF直流侧电压控制在期望的稳定值。

S6.SPWM环节将检测到的SAPF指令信号分量和网侧馈线电压经过dq变换后的分量相加，得到调制信号，控制所述的调制信号与设定的三角波载波信号进行比较，生成开关信号对SAPF的开关管进行控制实现对电网的k次谐波补偿控制。

本发明方法能够实现SAPF对于不同次谐波选择性补偿，根据负载侧贡献的谐波电流有功功率流向，确定对于不同次谐波进行非有功分量补偿，还是有功分量和非有功分量补偿。本发明能够有效降低SAPF补偿成本，同时在SAPF标称容量有限情况下，有效降低网侧谐波畸变率。

在上述方案基础上优选，步骤S2进一步包括：基于步骤S1中得到的非线性负载贡献的总谐波电流量和网侧馈线电压，通过不同次谐波有功分量和非有功分量检测环节，获取网侧各次谐波电压初相位，构建不同的广义park变换矩阵，将abc静止坐标系下的非线性负载贡献的总谐波电流信号变换至新dq坐标系中对d轴和q轴的电流分量分别低通滤波，获取网侧各次谐波电压分量、负载侧各次谐波电流在dq坐标系下的有功分量和非有功分量，进行反变换，得到abc静止坐标系下的各次谐波电流分量的有功分量和abc静止坐标系下的各次谐波电流分量的非有功分量获得各次谐波电流有功分量和非有功分量。

在上述方案基础上优选，步骤S3进一步包括：

S31.基于非线性负载贡献的各次谐波电流的有功分量和负载侧馈线电压的各次谐波分量，获取非线性负载贡献的各次谐波有功功率；

S32.当非线性负载贡献的该次谐波有功功率为正数，则补偿该次谐波电流的非有功分量；

S33.当非线性负载贡献的该次谐波有功功率为负数，则补偿该次谐波电流的非有功分量和有功分量。

在上述方案基础上优选，步骤S4进一步包括：不同次谐波电流内环控制环节采用重复PI复合控制器，不同次谐波重复PI复合控制器的传递函数为：

代表LCL滤波器的传递函数； 代表复合控制器中PI内环传递函数：, 和分别为比例系数和积分系数；Q代表衰减系数，直接决定系统稳态误差；代表一个周期内的采样点；代表幅值补偿；代表相位超前补偿模块，用来补偿APF开关延时，检测环节延时，以及相位滞后；代表补偿校正器，需要满足稳定性和稳态误差的要求，一般形式为：。

在上述方案基础上优选，步骤S5包括：有源滤波器直流侧电压控制环节采取比例积分控制，比较积分控制的公示为： ，和分别为比例系数和积分系数。

在上述方案基础上优选，不同次谐波电流内环控制环节采用重复PI复合控制器，,Q=0.95，N=2000，, 。

在上述方案基础上优选，SAPF直流侧电压控制环节采用PI控制器，。

本发明的明显效果是：本发明提出一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，通过分别获取网侧畸变电压和非线性负载对于网侧馈线电流的贡献量，针对非线性负载贡献的各次谐波分量对于网侧馈线电流的影响，分别进行补偿，设计重复PI控制补偿电流生成机制，从而实时生成待补偿的不同次谐波分量，从而有效降低SAPF补偿容量；同时在限定容量下SAPF，本发明的补偿方法能有效地降低网侧馈线谐波畸变率（THD）。

附图说明

图1为本发明中SAPF补偿控制框图。

图2为本发明中接入LCL电路的SAPF拓扑图。

图3为本发明用于补偿在电网电压畸变下网侧馈线各次谐波电流的方法流程图。

图4为本发明中非线性负载贡献的5次谐波有功功率波形图。

图5为本发明非线性负载贡献的7次谐波有功功率波形图。

图6为本发明中补偿不同次谐波电流后系统等效电路图。

图7为本发明中谐波电流重复PI复合控制框图。

图8为本发明补偿后负载侧馈线电压，网侧馈线电流，SAPF补偿电流。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

请参阅图1所示，一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，采用本方法的控制框图包括五部分：不同次谐波有功和非有功分量检测环节、电流控制环节、直流侧电压控制环节、正弦脉宽调制SPWM环节、非线性负载贡献k次谐波有功功率流向判定环节，本实施方式中，SAPF产生相位与负载谐波电流相位相反的电流，通过LCL型滤波器输入至电网，抵消网侧馈线电流中的谐波成分。

如图2所示，本发明中投入LCL滤波器电路的SAPF拓扑图。电网系统相电压基准值为380V，频率为50Hz，网侧存在第5次谐波电压和低7次谐波电压，LCL滤波电路中，，，，直流侧电容，直流侧电容参考电压为，负载侧为三相整流桥带阻感负载。

为了便于说明本发明的技术方案，以非线性负载贡献的5次和7次谐波有功功率的在matlab/simulink软件上进行仿真验证。予以详细的说明本发明不同的步骤的具体操作方法。

本发明的步骤S1包括：检测到畸变后网侧谐波电压，畸变前和畸变后的负载侧谐波电流，SAPF输出电流和SAPF直流侧电压。

本发明的步骤S2包括：将检测到畸变前后负载侧馈线电流相减，得到非线性负载贡献谐波电流量，将网侧馈线电压以及非线性负载贡献总谐波电流量经过不同次谐波有功分量和非有功分量检测环节，得到负载侧贡献的不同次谐波有功分量和非有功分量。

根据步骤S2，采用不同次谐波有功分量和非功分量检测方法，根据对于网侧的5次和7次谐波电压初相位的精确检测，构建不同的广义park变换矩阵，将abc静止坐标系下非线性负载贡献的总谐波电流信号和网侧馈线电压变换新dq坐标系，对各坐标系的d轴和q轴分量分别进行低通滤波，然后构建反变换矩阵，可得到在abc坐标系下的5,7次谐波有功分量和非有功分量以及网侧5、7次谐波电压。

本发明的步骤S3包括：S31.基于非线性负载贡献的各次谐波电流的有功分量和负载侧馈线电压的各次谐波分量，获取非线性负载贡献的各次谐波有功功率；S32.当非线性负载贡献的该次谐波有功功率为正数，则补偿该次谐波电流的非有功分量；S33.当非线性负载贡献的该次谐波有功功率为负数，则补偿该次谐波电流的非有功分量和有功分量。

对应的本发明用于补偿在电网电压畸变下网侧馈线各次谐波电流的方法流程图如图3所示。

然后将网侧馈线电压5次和7次谐波分量与获取的非线性负载贡献的5次和7次谐波电流有功分量相乘，即可得到非线性负载贡献的5次和7次谐波有功功率，如图4、5所示。

根据本发明的补偿方法，对于5次谐波分量必须同时补偿有功分量和非有功分量，7次谐波分量只需补偿非有功分量。补偿不同次谐波后系统等效电路图如图6所示，电网侧等效为一个谐波电压源，负载侧等效为一个非线性电阻。

本发明的步骤S4，包括：将非线性负载谐波k次电流分量作为SAPF谐波电流指令，将谐波指令减去SAPF输出电流，得到谐波电流误差信号，利用重复PI控制器对所述的谐波电流误差信号就行调节，得到SAPF指令信号分量。

不同次谐波电流内环控制环节采用重复PI复合控制器，控制框图如图7所示，不同次谐波重复PI复合控制器的传递函数为：

代表LCL滤波器的传递函数； 代表复合控制器中PI内环传递函数：,和分别为比例系数和积分系数；Q代表衰减系数，直接决定系统稳态误差；代表一个周期内的采样点；代表幅值补偿；代表相位超前补偿模块，用来补偿APF开关延时，检测环节延时，以及相位滞后；代表补偿校正器，需要满足稳定性和稳态误差的要求，一般形式为：。

本实施例中，,Q=0.95，N=2000，, 。

步骤S5包括:电压控制环节将检测后检测到的SAPF直流侧电压减去直流侧电压设定值，得到直流电压误差信号；利用直流电压PI控制器对所述的直流电压误差进行调节，使得SAPF直流侧电压控制在期望的稳定值。

有源滤波器直流侧电压控制环节采取比例积分控制，比较积分控制的公示为：，和分别为比例系数和积分系数。本实施例中，。

本发明的步骤S6，包括：SPWM环节将检测到的SAPF指令信号分量和和电网馈线电压经过dq变换后的分量相加，得到调制信号，控制所述的调制信号与设定的正弦信号载波信号进行比较，生成开关信号对SAPF的开关管进行控制实现对电网的k次谐波补偿控制。

APF投入使用后，对比网侧馈线电流的补偿前后各次谐波含量，5次谐波， 7次谐波占据绝大部分。对应的由非线性负载贡献的各次谐波含量如表1所示。其中，5次谐波畸变率由20.73%下降至4.95%，7次谐波畸变率由5.26%下降至4.46%。补偿后的负载馈线电压、网侧馈线电流以及SAPF补偿电流如图8所示。

表1 补偿前后网侧馈线各次谐波畸变率以及非线性负载贡献量

同时相对于传统的补偿方法来说，本发明提出一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法所需的补偿容量仅需18.5A，相比补偿方法1需要的22.7A，SAPF补偿容量下降22%；相比补偿方法2需要的19.8A，SAPF补偿容量下降7%。三种不同补偿方法SAPF有效补偿容量见表2所示。

表2 三种补偿方法SAPF有效补偿容量

为了进一步详细证实本发明的技术效果，以下将以非线性负载贡献的5次和7次谐波分量对于网侧分量影响进一步详细说明，但是本发明的实施方式不限于此。

实施例2：

对于同等条件下，SAPF标称补偿容量为20A，若按照补偿方法1，SAPF补偿网侧馈线电流中7次及7次以上谐波；依据补偿方法2，只能补偿由非线性负载贡献的5次谐波分量以及7次以上的谐波分量，而被发明的精细化补偿方法，则可以补偿由非线性负载贡献的5次谐波分量、7次非有功分量以及7次以上谐波分量。

本发明的精细化补偿方法，网侧馈线电流谐波畸变率由21.65下降至5.98%，而传统补偿方法1和方法2分别下降至18.83%，7.48%，三种不同补偿方法网侧馈线电流变化见表3所示。

表3 三种补偿方法网侧馈线电流THD变化

本发明相比传统补偿方法，其优点如下：能够根据非线性负载贡献的不同次谐波分量对网侧影响，针对性补偿谐波分量，有效降低SAPF补偿容量；同时，若SAPF无法满足补偿全部次谐波分量时，只对网侧造成污染的谐波分量进行治理，从而有效地降低网侧馈线电流的谐波畸变率THD。说明：本发明的具体实施例中的补偿方法1是指背景技术中的第一种补偿方法，补偿方法2是指第二种补偿方法。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

S1.检测畸变后网侧馈线电压，畸变前和畸变后的负载侧馈线电流，有源滤波器输出电流和有源滤波器直流侧电压；

S2.将检测到畸变前后负载侧馈线电流相减，得到非线性负载贡献谐波电流量，将网侧馈线电压以及非线性负载贡献总谐波电流量经过不同次谐波有功分量和非有功分量检测环节，得到网侧馈线各次谐波电压、负载侧贡献的各次谐波有功分量和非有功分量;

S3.通过对负载侧贡献的k次谐波有功功率流向的判定，来决定对于k次谐波分量只进行非有功分量补偿还是全部补偿；

S4.将非线性负载谐波k次电流分量作为SAPF谐波电流指令，将谐波指令减去APF输出电流，得到谐波电流误差信号，利用重复PI控制器对所述的谐波电流误差信号就行调节，得到APF指令信号分量；

S5.电压控制环节将检测后检测到的APF直流侧电压减去直流侧电压设定值，得到直流电压误差信号；利用直流电压PI控制器对所述的直流电压误差进行调节，使得APF直流侧电压控制在期望的稳定值；

S6.SPWM环节将检测到的APF指令信号分量和网侧馈线电压经过dq变换后的分量相加，得到调制信号，将该调制信号与三角波载波信号进行比较，生成开关信号对APF的开关管进行控制实现对电网的k次谐波补偿控制。

2.如权利要求1所述的一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，其特征在于，步骤S2进一步包括：基于步骤S1中得到的非线性负载贡献的总谐波电流量和网侧馈线电压，通过不同次谐波有功分量和非有功分量检测环节，获取网侧各次谐波电压初相位，构建不同的广义park变换矩阵，将abc静止坐标系下的网侧及非线性负载贡献的各次谐波信号变换至新dq坐标系中，然后对d轴和q轴的分量分别低通滤波，获取网侧各次谐波电压、负载侧各次谐波电流在dq坐标系下的有功分量和无功分量，再进行反变换，得到abc静止坐标系下的网侧各次谐波电压、负载侧各次谐波电流分量的有功分量和和非有功分量。

3.如权利要求1所述的一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

S31.基于非线性负载贡献的各次谐波电流的有功分量和负载侧馈线电压的各次谐波分量，获取非线性负载贡献的各次谐波有功功率；

S32.当非线性负载贡献的该次谐波有功功率为正数，则补偿该次谐波电流的非有功分量；S33. 当非线性负载贡献的该次谐波有功功率为负数，则补偿该次谐波电流的非有功分量和有功分量。

4.如权利要求1所述的一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：不同次谐波电流内环控制环节采用重复PI复合控制器，不同次谐波重复PI复合控制器的传递函数为：

代表LCL滤波器的传递函数； 代表复合控制器中PI内环传递函数：, 和分别为比例系数和积分系数；Q代表衰减系数，直接决定 系统稳态误差；代表一个周期内的采样点；代表幅值补偿；代表相位超前补偿模 块，用来补偿APF开关延时，检测环节延时，以及相位滞后；代表补偿校正器，需要 满足稳定性和稳态误差的要求，一般形式为：。

5.如权利要求1所述的一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，其特征在于，步骤 S5包括：有源滤波器直流侧电压控制环节采取比例积分控制，比较积分控制的公示为： ，和分别为比例系数和积分系数。

6.如权利要求4所述的一种用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，其特征在于，不同 次谐波电流内环控制环节采用重复PI复合控制器，,Q=0.95，N=2000，, 。

7.如权利要求5所述的用于SAPF的不同次谐波精细化补偿方法，其特征在于，有源电力 滤波器直流侧电压控制环节采用PI控制器，。