CN108683190B - 用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法 - Google Patents

用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，属于减少谐波技术领域。本发明利用微电网中已有的储能双向变流器解决了非线性负荷谐波电流过重的问题，优化微电网的电能质量。本发明为消除长距离馈电线路影响，提高谐波补偿效果，直接采集非线性负荷侧谐波信息。建立电压电流模型并通过信号测量编码装置提取非线性负荷发出的谐波电流特征值和PCC点的特征，压缩了通信信息量，经窄带无线通信装置实现谐波信息的传递，本地控制器收到信号测量编码装置的信息后对信息进行解码，还原出真实的负荷谐波电流，以实现储能双向变流器的闭环比例谐振控制，实现了任意次数的谐波电流精确补偿。本发明成本低、效果优，工程实现简单。

Description

用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法
技术领域
本发明涉及用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，属于减少谐波技术领域。
背景技术
环境污染和能源危机问题的日益严峻促使分布式新能源发电在我国发电能源结构中所占的比例逐年增加，然而分布式新能源发电系统易随环境波动、难以预测的特性对电网的电压稳定、可靠性和电能质量产生影响。电池储能系统作为一种能量存储媒介，具有双向功率能力和灵活调节特性，可以有效改善可再生能源发电功率波动性与间歇性对电网带来的负面影响，提高电网对分布式新能源的接纳能力，因此具有广阔的应用前景。
储能双向变流器作为电池储能系统中关键部件之一，可将不同种类电池存储的直流能量转换为符合相应标准的交流电能。储能双向变流器以其较低的损耗、简单的结构及控制等优点在电池储能系统中得到了广泛的应用。由于储能双向变流器质量和控制方法不一，尤其是电网上的谐波负荷的日益增多，干扰储能双向变流器的闭环控制，导致储能双向变流器系统发出的电能质量较差，因此目前已有很多新能源和储能发电系统增加了主动电源滤波器(APF)来解决此问题。但主动电源滤波器成本高，治理容量有限，受安装场地及维护需求限制，一般集中安装在电网支路总闸处，不能根本上解决末端用户的用电电能质量问题。
APF在原理上同储能双向变流器一致，都是双向的DC/AC装置，可采用其实现负荷谐波滤除功能。但不利的是，受安装及使用场地限制，非线性负荷一般都安装在远离储能双向变流器的位置，经过馈电线采集到的谐波特性与非线性负荷真实的谐波特性发生了较大变异，导致谐波补偿失败。而如果传统远距离通信巨量的谐波信息，对于通信成本和控制要求则大大提高，也不利于工程应用。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，为消除长距离馈电线路影响，提高谐波补偿效果，直接采集负荷侧谐波信息，通过建立电压电流模型并通过信号测量编码装置提取非线性负荷发出的谐波电流特性和PCC点电压的特征，压缩了通信信息量，通过低成本的窄带无线通信装置实现真实负荷谐波信息传递，储能本地控制器收到信息后对信息进行解码，还原负荷谐波信息，用于精确控制储能双向变流器来补偿符合谐波。该系统及控制方法成本低、效果优，工程实现简单。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种用于谐波补偿的储能双向变流器系统，包括：
储能电池用于存储电能并将其转换为直流电能；
储能双向变流器，一端与储能电池连接，另一端通过长距离馈电线与微电网连接，将储能电池输出的直流电能转换为与微电网相同频率、相同电压的交流电能，经长距离馈电线送到微电网上；
非线性负荷，接入微电网中；
信号测量编码装置分别与非线性负荷和微电网连接，用于采样负荷电流和微电网电压，并进行计算和提取出直流特征数据信息；
储能本地控制器，一端通过无线通信装置与信号测量编码装置连接，另一端与储能双向变流器连接，通过无线通信装置接收信号测量编码装置传递的直流特征数据信息，并输出控制信号给储能双向变流器以实现储能双向变流器的闭环PWM控制，使储能双向变流器输出的电流补偿非线性负荷的谐波电流。
进一步地，储能电池两端并联有电容，以稳定储能电池的电压。
进一步地，储能双向变流器输出端连接有LC滤波器。
进一步地，非线性负荷接在微电网的PCC点处，方便信号测量编码装置采样负荷电流和PCC点电压，进而计算和提取出直流特征数据信息。
进一步地，信号测量编码装置采样非线性负荷的实时电流和PCC点的实时电压。
进一步地，无线通信装置采用窄带无线通信装置。
该系统工作原理为，储能电池发电产生的直流电能，经过电容稳压后，送给储能双向变流器，储能双向变流器通过闭环PWM控制，运行在逆变状态，将直流电能转换为交流电能。在控制过程中，本发明的系统引入信号测量编码装置，通过采样非线性负荷接入侧PCC点的电压和非线性负荷的谐波电流，提取谐波相位信息的直流特征数据信息，大大降低了谐波信息的通信量，通过低带宽的无线通信装置传回储能本地控制器，降低通信带宽需求，提高通信和储能双向变流器控制的实时性。
本发明还提出了一种用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将电能转换为直流电能，并经电容进行稳压；
S2：储能双向变流器将直流电能转换为与微电网相同频率、相同电压的交流电能，经长距离馈电线送到微电网上；
S3：通过信号测量编码装置采样接入微电网的PCC点处非线性负荷的实时电流和PCC点的实时电压并进行计算和提取出直流特征数据信息；
S4：储能本地控制器接收信号测量编码装置传递的直流特征数据信息，并实现储能双向变流器的闭环PWM控制，使储能双向变流器输出的电流补偿非线性负荷的谐波电流，降低用户侧的谐波电流量。
进一步地，步骤S3)中利用信号测量编码装置采样非线性负荷的实时电流和PCC点的实时电压，二者均为周期信号，并采用如下离散傅里叶变换进行特征提取：
其中：h为谐波次数，H(s)为对应谐波次数的传递函数，t1为信号测量编码装置的本地时间，ILoad为负荷谐波电流，VPCC为PCC点电压，MLoad,h(t1)和MPCC,f(t1)分别为t1时负荷电流在h谐波次数的幅值和PCC点电压的基波幅值,θLoad,h(t1)和θPCC,f(t1)分别为t1时负荷电流在h次谐波次数的相角和PCC点电压的基波相角；和分别为负荷电流的谐波部分和PCC点电压的基波部分；
对于稳态非线性负荷，t1时非线性负荷的谐波电流的相角和PCC点电压的基波相角有如下关系：
∠θLoad,h(t1)-h·∠θPCC,f(t1)＝dh(t1) (2)
其中dh(t1)为t1时提取出的直流特征量。
信号测量编码装置传递给储能本地控制器的直流特征数据信息为dh(t1)和MLoad,h(t1)。
进一步地，步骤S4)中储能本地控制器对谐波电流特征信息复原以实现储能双向变流器的闭环PWM控制时，首先采样储能双向变流器的输出电流和电容电压信息：
其中，t2为储能本地控制器的时间，H(s)为离散傅里叶变换的传递函数，Io和VC分别为储能本地控制器的输出电流和电容电压，MIo,f(t2)和分别为t2时储能双向变流器输出电流的基波幅值和电容电压的基波幅值，θIo,f(t2)和分别为t2时对应的储能双向变流器输出电流基波部分的相角和电容电压基波部分的相角；和分别为储能双向变流器输出电流的基波部分和电容电压的基波部分。
进一步地，储能双向变流器输出电流、电容电压和PCC点电压的基本关系有：
其中，Cf为电容值；为电容电压的基波部分；为电容电流的基波部分；为储能双向变流器输出电流的基波部分，为储能双向变流器稳压后输出的交流电能的基波部分，为PCC点电压的基波部分；ZFeeder为长距离馈电线阻抗，并以阻抗R和感抗值X之和表示；
则PCC点电压的相角为：
其中：
由于信号测量编码装置通过窄带无线通信装置与储能本地控制器进行数据信息传递，设信号测量编码装置的时间t1和储能本地控制器的时间t2近似一致为t时间，t时将储能本地控制器上接收到的直流特征数据信息可表示为：
其中：和分别为t时负荷电流在h谐波次数的相角和幅值；为t时PCC点电压在h次谐波次数的相角；dh(t)为t时提取出的直流特征量；
由各次谐波幅值相角经过傅里叶反变换可得到t时负荷电流的谐波部分：
为实现非线性负荷谐波电流的跟踪补偿，通过储能本地控制器采用比例谐振控制储能双向变流器,对储能双向变流器的输出电压进行PWM闭环调制方法为：
其中，kp为比例增益，ki,h为h次谐波的谐振控制增益，ωc为谐振控制器的截止频率，ωO为基波频率，Io为储能双向变流器的输出电流，ILoad,h为负荷电流的谐波部分、ILoad,f为负荷电流的基波部分。
本发明主要用于拥有储能发电系统和非线性负荷接入的微电网中，实现了微网中远距离非线性负荷的任意次数谐波电流滤除功能。
总而言之，考虑负荷电流谐波经过有较大阻抗的长距离馈电线后，仅在本地进行采样谐波电流进行补偿控制的话，储能双向变流器发出的电流和实际负荷的电流并不相等，尤其在高频分量上将会存在很大差异，极大的影响补偿效果。因此通过采集负荷侧信息回传进行闭环控制。为降低信息通信带宽，提高信息通信速率，增强控制的实时性，信号测量编码装置在采样到非线性负荷的电流，并进行傅里叶变换得到非线性负荷和PCC点各次谐波的幅值和相位之后，将相位信息进行特征值提取，得到直流特征数据信息，减少了一半的通信量。仅需一个窄带无线通信装置通过无线发射器就可快速传递。同时在储能本地控制器进行闭环控制时，首先采样本地的储能双向变流器的输出电流和电容电压信息，根据该系统中电压电流的基本关系，对远程传来的直流特征数据信息进行解码，计算出PCC点电压的相角，通过傅里叶逆变换，恢复负荷真实的电流情况，由于采用窄带无线通信装置的实时性和快速好，可以认为信号测量编码装置时间和储能本地控制器的时间近似一致，通过比例谐振控制器产生的PWM控制波形，能够很好的跟踪非线性负荷的谐波电流。并且可以根据工程现场的应用场景，有针对性的对谐波传递信息进行调整，灵活的控制储能双向变流器进行任意次数的谐波电流的精确补偿。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)一般在以新能源发电为主的微电网中，非线性负荷谐波电流严重，本发明不需增加主动电源滤波器(APF)，利用微网中已有的储能双向变流器实现谐波补偿，节省了场地成本，防止了谐波危害，提升了电能质量，延长了用户电器寿命；
(2)相比于微电网中本地负载电流的采样闭环控制，本发明增加了远程负荷谐波电流采样，消除了长距离馈电线路的干扰，谐波信息不受损失，闭环控制更加精确。谐波补偿效果更好；
(3)本发明所述的用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，提出了谐波电流信息特征值提取和复原方法，在不损害谐波电流信息真实复原的前提下，有效缩减了远程通信信息量，降低了对通信带宽的需求，提升了采样控制的实时性。
附图说明
图1是系统的结构示意图。
图中：1、储能电池，2、储能双向变流器，3、LC滤波器，4、长距离馈电线，5、微电网，6、非线性负荷，7、信号测量编码装置，8、窄带无线通信装置，9、储能本地控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和具体实例，对本发明提出的用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法进行进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，在新能源发电系统为主的新能源微电网中，为补偿用户非线性负荷发出的谐波电流，提高用户用电电能质量，可利用储能双向变流器对负荷谐波电流其进行补偿，相比于配装APF，更加节省成本。在实际应用中，为提高补偿效果，还要解决由长距离馈电线路带来的损耗和畸变，不能采样本地谐波进行闭环，巨量谐波信息进行远距离的通信也会影响实时控制效果，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法。
本发明所述的用于谐波补偿的储能双向变流器系统，如图1所示，包括储能电池1、储能双向变流器2、LC滤波器3、非线性负荷6、信号测量编码装置7、窄带无线通信装置8和储能本地控制器9，储能电池1两端并联连接电容后与储能双向变流器2，储能双向变流器2通过LC滤波器3和长距离馈电线4接入微电网5，微电网5的PCC点处接入非线性负荷6，信号测量编码装置7分别连接微电网5的PCC点和非线性负荷6，信号测量编码装置7通过窄带无线通信装置8与储能本地控制器9连接，储能本地控制器9还与储能双向变流器2连接。本发明应用于有非线性负荷6接入的微电网5中。储能双向变流器2采用比例谐振闭环控制，储能双向变流器2输出电流可以任意调节，选择不同次数的负荷谐波电流进行补偿。
本发明所述的系统工作原理如下：
储能电池1产生的直流电能，经过电容稳压后，送给储能双向变流器2，储能双向变流器2通过闭环PWM控制，运行在逆变状态，将直流电能转换为交流电能。在PWM控制过程中，控制电流输出去补偿非线性负荷6的谐波电流，降低用户侧的谐波电流量，代替了昂贵的APF，直接提高用户的用电质量，降低谐波过重造成的不良影响，延长用电器的寿命。一般做法是采样本地电流进行闭环控制，通过傅里叶变换，提取各次谐波的电流幅值，取反后组合为谐波补偿电流。但需要说明的是，由于经过的长距离馈电线4上存在阻抗ZFeeder，仅在本地进行采样进行补偿控制的话，储能双向变流器2输出的电流和实际非线性负荷6的电流并不相等，尤其在高频分量上将会存在很大差异，极大的降低了补偿效果。因此本发明的系统引入信号测量编码装置7，通过采样接在远距离微电网5中的PCC点的非线性负荷6的谐波电流，通过窄带无线通信装置8传回储能本地控制器9。
为了降低通信带宽需求，提高通信和变流器控制的实时性，本发明提出了还提出了一种用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，包括优化的特性信息提取和复原方法：包括如下步骤：
S1：将电能转换为直流电能，并经电容进行稳压；
S2：储能双向变流器2将直流电能转换为与微电网5相同频率、相同电压的交流电能，经长距离馈电线4送到微电网5上；
S3：通过信号测量编码装置7采样接入微电网5的PCC点处非线性负荷6的实时电流和PCC点的实时电压并进行计算和提取出直流特征数据信息；
S4：储能本地控制器9接收信号测量编码装置7传递的直流特征数据信息，并实现储能双向变流器2的闭环PWM控制，使储能双向变流器2输出的电流补偿非线性负荷6的谐波电流，降低用户侧的谐波电流量。
步骤S3)中利用信号测量编码装置7采样非线性负荷的实时电流和PCC点的实时电压，二者均为周期信号，并采用如下离散傅里叶变换进行特征提取：
其中：h为谐波次数，H(s)为对应谐波次数的传递函数，t1为信号测量编码装置的本地时间，ILoad为负荷谐波电流，VPCC为PCC点电压，MLoad,h(t1)和MPCC,f(t1)分别为t1时负荷电流在h谐波次数的幅值和PCC点电压的基波幅值,θLoad,h(t1)和θPCC,f(t1)分别为t1时负荷电流在h次谐波次数的相角和PCC点电压的基波相角；和分别为负荷电流的谐波部分和PCC点电压的基波部分；
对于稳态非线性负荷，t1时非线性负荷的谐波电流的相角和PCC点电压的基波相角有如下关系：
∠θLoad,h(t1)-h·∠θPCC,f(t1)＝dh(t1) (2)
其中dh(t1)为t1时提取出的直流特征量。
信号测量编码装置7通过窄带无线通信装置8传递给储能本地控制器9的直流特征数据信息，窄带无线通信装置通过无线发射器将直流特征数据信息(dh(t1)和MLoad,h(t1))进行编码发送，相比于传统谐波信息传输包括电压幅值、电压相角、电流幅值、电压相角等，此信息量大大缩减，有利于降低通信带宽，提高信号传输的实时性，提高了控制精度。
步骤S4)中储能本地控制器9对谐波电流特征信息复原以实现储能双向变流器2的闭环PWM控制时，首先采样储能双向变流器2的输出电流和电容电压信息：
其中，t2为储能本地控制器的时间，H(s)为离散傅里叶变换的传递函数，Io和VC分别为储能本地控制器的输出电流和电容电压，MIo,f(t2)和分别为t2时储能双向变流器输出电流的基波幅值和电容电压的基波幅值，θIo,f(t2)和分别为t2时对应的储能双向变流器输出电流基波部分的相角和电容电压基波部分的相角；和分别为储能双向变流器输出电流的基波部分和电容电压的基波部分。
进一步地，储能双向变流器输出电流、电容电压和PCC点电压的基本关系有：
其中，Cf为电容值；为电容电压的基波部分；为电容电流的基波部分；为储能双向变流器输出电流的基波部分，为储能双向变流器稳压后输出的交流电能的基波部分，为PCC点电压的基波部分；ZFeeder为长距离馈电线阻抗，并以阻抗R和感抗值X之和表示；
则PCC点电压的相角为：
其中：
由于信号测量编码装置7通过窄带无线通信装置8与储能本地控制器9进行数据信息传递，由于采用窄带通信的实时性和快速好，可认为信号测量编码装置的时间t1和储能本地控制器的时间t2近似一致为t时间，t时将储能本地控制器上接收到的直流特征数据信息可表示为：
其中：和分别为t时负荷电流在h谐波次数的相角和幅值；为t时PCC点电压在h次谐波次数的相角；dh(t)为t时提取出的直流特征量；
由各次谐波幅值相角经过傅里叶反变换可得到t时负荷电流的谐波部分：
为实现非线性负荷6谐波电流的跟踪补偿，通过储能本地控制器9采用比例谐振控制储能双向变流器2,对储能双向变流器2的输出电压进行PWM闭环调制方法为：
其中，kp为比例增益，ki,h为h次谐波的谐振控制增益，ωc为谐振控制器的截止频率，ωO为基波频率，Io为储能双向变流器的输出电流，ILoad,h为负荷电流的谐波部分、ILoad,f为负荷电流的基波部分。
本方法可以针对任意次数的谐波电流进行精确的补偿控制。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，包括用于谐波补偿的储能双向变流器系统，所述用于谐波补偿的储能双向变流器系统包括：储能电池(1)用于存储电能并将其转换为直流电能；储能双向变流器(2)，一端与储能电池(1)连接，另一端通过长距离馈电线(4)与微电网(5)连接，将储能电池(1)输出的直流电能转换为与微电网(5)相同频率、相同电压的交流电能，经长距离馈电线(4)送到微电网(5)上；非线性负荷(6)，接入微电网(5)中；信号测量编码装置(7)分别与非线性负荷(6)和微电网(5)连接，用于采样负荷电流和微电网电压，并进行计算和提取出直流特征数据信息；储能本地控制器(9)，一端通过无线通信装置与信号测量编码装置(7)连接，另一端与储能双向变流器(2)连接，通过无线通信装置接收信号测量编码装置(7)传递的直流特征数据信息，并输出控制信号给储能双向变流器(2)以实现储能双向变流器(2)的闭环PWM控制，使储能双向变流器(2)输出的电流补偿非线性负荷(6)的谐波电流，其特征在于：包括如下步骤：
S1：将电能转换为直流电能，并经电容进行稳压；
S2：储能双向变流器(2)将直流电能转换为与微电网(5)相同频率、相同电压的交流电能，经长距离馈电线(4)送到微电网(5)上；
S3：通过信号测量编码装置(7)采样接入微电网(5)的PCC点处的负荷电流和PCC电压并进行计算和提取出直流特征数据信息；
S4：储能本地控制器(9)接收信号测量编码装置(7)传递的直流特征数据信息，并实现储能双向变流器(2)的闭环PWM控制，使储能双向变流器(2)输出的电流补偿非线性负荷(6)的谐波电流，降低用户侧的谐波电流量；
步骤S3中利用信号测量编码装置(7)采样非线性负荷的实时电流和PCC点的实时电压，二者均为周期信号，并采用如下离散傅里叶变换进行特征提取：
其中：h为谐波次数，H(s)为对应谐波次数的传递函数，t1为信号测量编码装置的本地时间，ILoad为负荷谐波电流，VPCC为PCC点电压，MLoad,h(t1)和MPCC,f(t1)分别为t1时负荷电流在h谐波次数的幅值和PCC点电压的基波幅值,θLoad,h(t1)和θPCC,f(t1)分别为t1时负荷电流在h次谐波次数的相角和PCC点电压的基波相角；和分别为负荷电流的谐波部分和PCC点电压的基波部分；
对于稳态非线性负荷，t1时非线性负荷的谐波电流的相角和PCC点电压的基波相角有如下关系：
∠θLoad,h(t1)-h·∠θPCC,f(t1)＝dh(t1) (2)
其中dh(t1)为t1时提取出的直流特征量；
信号测量编码装置传递给储能本地控制器的直流特征数据信息为dh(t1)和MLoad,h(t1)。
2.根据权利要求1所述的用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，其特征在于：步骤S4中储能本地控制器(9)对谐波电流特征信息复原以实现储能双向变流器(2)的闭环PWM控制时，首先采样储能双向变流器(2)的输出电流和电容电压信息：
其中，t2为储能本地控制器的时间，H(s)为离散傅里叶变换的传递函数，Io和VC分别为储能本地控制器的输出电流和电容电压，MIo,f(t2)和分别为t2时储能双向变流器输出电流的基波幅值和电容电压的基波幅值，θIo,f(t2)和分别为t2时对应的储能双向变流器输出电流基波部分的相角和电容电压基波部分的相角；和分别为储能双向变流器输出电流的基波部分和电容电压的基波部分。
3.根据权利要求2所述的用于谐波补偿的储能双向变流器系统的控制方法，其特征在于：储能双向变流器输出电流、电容电压和PCC点电压的基本关系有：
其中，Cf为电容值；为电容电压的基波部分；为电容电流的基波部分；为储能双向变流器输出电流的基波部分，为储能双向变流器稳压后输出的交流电能的基波部分，为PCC点电压的基波部分；ZFeeder为长距离馈电线阻抗，并以阻抗R和感抗值X之和表示；
则PCC点电压的相角为：
其中：
由于信号测量编码装置(7)通过无线通信装置(8)与储能本地控制器(9)进行数据信息传递，设信号测量编码装置的时间t1和储能本地控制器的时间t2近似一致为t时间，t时将储能本地控制器上接收到的直流特征数据信息可表示为：
其中：和分别为t时负荷电流在h谐波次数的相角和幅值；为t时PCC点电压在h次谐波次数的相角；dh(t)为t时提取出的直流特征量；
由各次谐波幅值相角经过傅里叶反变换得到t时负荷电流的谐波部分：
为实现非线性负荷(6)谐波电流的跟踪补偿，通过储能本地控制器(9)采用比例谐振控制储能双向变流器(2),对储能双向变流器(2)的输出电压进行PWM闭环调制方法为：
其中，kp为比例增益，ki,h为h次谐波的谐振控制增益，ωc为谐振控制器的截止频率，ω0为基波频率，Io为储能双向变流器的输出电流，ILoad,h为负荷电流的谐波部分、ILoad,f为负荷电流的基波部分。
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