CN108879680A - 基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，包括：S1、借助多功能并网逆变器从电网中采样截取电压信号与电流信号；S2、依据已截取的电压信号计算求得基波参考电流S3、依据已截取的电流信号，利用滑动傅立叶变换的方法计算求得谐波参考电流S4、将所述基波参考电流与谐波参考电流相加得出最终参考电流i^*，并依据所述最终参考电流i^*、使用多功能并网逆变器进行有功和谐波补偿。本发明使用多功能并网逆变器根据计算所得指令电流进行基波补偿和谐波选择性补偿，使谐波与基波问题同时得到快速解决，对于电网电能质量的提高有重要意义。

Description

基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿 方法

技术领域

本发明涉及一种选择性谐波补偿方法，具体而言，涉及一种基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，属于电力能源技术领域。

背景技术

近年来，随着全球能源危机与节能减排战略计划的大力推行，各种新型可再生能源大量接入微电网中，然而大量的非线性负荷与电力电子装置的加入，给微电网带来了谐波，无功和不平衡等电能质量的问题，还会引起串、并联谐振，电流畸变，输出功率震荡等不稳定情况。

为了改善和提高微网中公共耦合点(PCC)的电能质量，目前主要有三种解决措施：一是被动治理，即增加额外的电能质量治理装置来解决电能质量问题，如最长使用的有源电力滤波器(APF),静止无功补偿器(SVC)，统一电能质量调节器(UPQC)，动态电压补偿器(DVR)，但是被动治理需要增加额外的设备，并且设备需要定期维护检修，增加了经济成本。二是主动治理，即从微源自身考虑，通过对微源逆变器控制算法的修改，使其在传输电能的同时也改善了微网的电能质量，这种方法不用增加额外设备但是精确性和及时性不如被动治理。三是将主动被动治理结合起来，取长补短，更有效的进行治理。

多功能并网逆变器(multi-functional grid-tied inverters，MFGTIs)的出现有效地缓解了以上问题，MFGTIS在实现可再生能源并网的同时，还能兼顾对其并网点处电能质量的治理，不仅可以产生有功功率和无功功率，而且具有抑制谐波和不平衡分量的功能。一方面，MFGTIs凭借其一机多职的功能，不仅能提高并网逆变器的性价比，还能避免在微电网中安装额外的电能质量装置。另一方面，MFGTIs只需做适当的软件升级，即可灵活地完成各种优化的电能质量治理方案，实现微电网电能质量的柔性定制。然而，MFGTIs的电能质量治理功能只是其辅助服务，所能投入的补偿容量有限。但是，微电网内含有多台多功能并网逆变器，如果能有效利用这些多功能并网逆变器的剩余容量，改善微电网的电能质量，可以实现微电网内谐波和无功电流的“就地平衡”和“就地补偿”，减少谐波和无功电流在微电网内的传播，这对于微电网电能质量的治理问题是一个新的思路。

在上述操作的过程中，以何种方式得到参考电流无疑是各项后续操作的基础和关键所在，而目前较为常见的方式是基于傅里叶变换进行计算，具体而言如下：

与传统离散傅立叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)等常规谐波分析算法不同，滑动傅立叶变换(Sliding Discrete Fourier Transform,SDFT)在检测谐波电流时无需完成一个工频周期点采样才能进行各次谐波的计算，而是引入了滑窗迭代思想，使用DFT平移定理/环形平移特性，即以每次采样的值代替前一周期的采样值，在每一帧均进行各次谐波含量的计算，从而大大提高了计算速度。并将这种基于SDFT的新型谐波检测算法用于多功能并网逆变器Multi-Functional Grid-Tied Inverters(MFGTIs)的谐波参考电流计算，即可进行特定阶次的谐波补偿(若要进行多个阶次的谐波补偿只需并联多个多功能并网逆变器即可)，以确保微电网的电能质量。

综上所述，如何提出一种基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，充分地利用多功能并网逆变器的剩余容量，实现微电网电能质量的长足改善，也就成为了目前本领域内技术人员所亟待解决的问题。

发明内容

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法。

具体而言，包括如下步骤：

S1、借助多功能并网逆变器从电网中采样截取电压信号与电流信号；

S2、依据已截取的电压信号计算求得基波参考电流

S3、依据已截取的电流信号，利用滑动傅立叶变换的方法计算求得谐波参考电流

S4、将所述基波参考电流与谐波参考电流相加得出最终参考电流i^*，并依据所述最终参考电流i^*、使用多功能并网逆变器进行有功和谐波补偿。

优选地，S2具体包括如下步骤：

S21、将多功能并网逆变器从电网中采样截取的电压信号记为u_abc，将电压信号通过克拉克变换到αβ的坐标系下，得到结果

S22、计算基波参考电流计算公式为

其中，P^*表示多功能并网逆变器给定的有功功率的参考值，Q^*表示多功能并网逆变器给定的无功功率的参考值；

S23、将基波参考电流通过克拉克逆变换到abc三相坐标系下，得到结果

优选地，所述克拉克变换公式为

所述克拉克变换公式的逆变换形式为，T_2s-3s＝(3/2*T_3s-2s)^T。

优选地，S3具体包括如下步骤：

S31、定义一个离散时间信号序列x(n)中，其M点的离散傅里叶变换公式为

其中，M是离散傅里叶变换点数，变量q是一个虚拟变量，q＝nM+1，W_M＝_e ^j2π/M是复旋转因子,k是离散傅里叶变换的频域索引值，n是信号样点的时域索引值；X_n(k)表示给定时刻n时离散傅里叶变换的第k个频率点值；

S32、结合S31中公式得到n时刻下第k个频率点频谱值为

S33、综合上式得到第k点滑动傅里叶变换的Z域传递函数为

将实际数值代入函数进行计算，得到结果为a+bi形式的复数；

S34、对a+bi形式的复数结果进行处理，处理公式为

最终得到谐波参考电流为

优选地，S4包括如下步骤：

S41、依据所述基波参考电流与谐波参考电流计算最终参考电流i^*，计算公式为

优选地，S4还包括如下步骤：

S42、依据采用准比例谐振控制器跟踪参考电流，准比例谐振控制器模型的表达式为

其中，ω₁和ω_h是基波和h次谐振的自然角频率，ω_c1和ω_ch是截止频率，K_p和K_rh是准比例谐振控制器的比例和谐振积分增益。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

本发明通过克拉克变换计算基波指令电流，滑动傅里叶变换算法选择性计算特定阶次谐波指令电流，再使用多功能并网逆变器根据计算所得指令电流进行基波补偿和谐波选择性补偿，使谐波与基波问题同时得到快速解决，对于电网电能质量的提高有重要意义，实现了对微电网内谐波和基波的“就地平衡”和“就地补偿”，减少了谐波和基波在微电网内的传播，更好地适应了电能质量柔性定制的目标，显著地改善了微电网整体的电能质量。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于领域内其他相关补偿方法的技术方案中，具有很强的适用性和广阔的应用前景。

总体而言，本发明使用效果良好，具有很高的使用及推广价值。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1本发明的原理示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的仿真结构图；

图4为本发明的仿真信号图之一；

图5为本发明的仿真信号图之二；

图6为本发明的仿真信号图之三；

图7为本发明的仿真信号图之四。

具体实施方式

本发明针对现有技术的缺陷，采用滑动傅立叶变换(SlidingDiscrete Fouriertransform，SDFT)，能根据实际应用需要，大大提升算法的运算效率。

本发明还将这种基于SDFT的新型谐波检测算法用于计算多功能并网逆变器的谐波参考电流，加上计算所得基波参考电流，共同作为多功能并网逆变器的参考电流来提高微电网电能质量。

如图1～图3所示，本发明揭示了一种基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、借助多功能并网逆变器从电网中采样截取电压信号与电流信号。

S2、依据已截取的电压信号计算求得基波参考电流

S2具体包括如下步骤：

S21、将多功能并网逆变器从电网中采样截取的电压信号记为u_abc，将电压信号通过克拉克变换到αβ的坐标系下，得到结果

S22、计算基波参考电流计算公式为

其中，P^*表示多功能并网逆变器给定的有功功率的参考值，Q^*表示多功能并网逆变器给定的无功功率的参考值。

S23、将基波参考电流通过克拉克逆变换到abc三相坐标系下，得到结果

所述克拉克变换公式为

所述克拉克变换公式的逆变换形式为，T_2s-3s＝(3/2*T_3s-2s)^T。

S3、依据已截取的电流信号，利用滑动傅立叶变换的方法计算求得谐波参考电流

为了分析负荷电流的谐波分量，本发明采用了滑动傅立叶变换(SDFT)的方法。滑动傅立叶变换在时域信号里用如图1所示的一个滑动窗口表示M点的离散傅里叶变换。

在此滑动傅立叶变换如图1(a)所示先计算16个点的离散傅里叶变换，然后时间窗往前移动一位，如图1(b)所示。从图中可以看出第N时刻和N+1时刻所用的两个信号时域样点数据块有很大的相似性，即后一个时刻的样本数据块只是将前一个时刻的第一个样点去掉再加上新来的样点信号。其余的信号都没变，我们就可以用迭代的思想来计算。

S3具体包括如下步骤：

S31、定义一个离散时间信号序列x(n)中，其M点的离散傅里叶变换公式为

其中，M是离散傅里叶变换点数(一个序列长度)，变量q是一个虚拟变量，q＝n-M+1，W_M＝e^j2π/M是复旋转因子，k是离散傅里叶变换的频域索引值，n是信号样点的时域索引值。X_n(k)表示给定时刻n时离散傅里叶变换的第k个频率点值。

S32、对于给定时刻n，用于计算M点DFT的信号样点序列为

X_n＝[x(n-M+1)，x(n-M+2)，...，x(n-1)，x(n)]

＝[x(q)，x(q+1)，...，x(q+M-2)，x(q+M-1)]，

对于下一时刻n+1，用于计算M点DFT的信号样点序列为

X_n+1＝[x(n-M+2)，x(n-M+3)，...，x(n)，x(n+1)]

＝[x(q+1)，x(q+2)，...，x(q+M-1)，x(q+M)]，

由S1可以推导，n+1时刻第k个频率点的频谱值为

代入可得

由上述推导可得，n时刻下第k个频率点频谱值为

S33、由此可知，要计算X_n(k)只需通过移动之前的X_n-1(k)，减去x(n-M)采样点，加上现有的x(n)采样点信号。因此，SDFT只需要一次复数乘法两次实数加法就可以得到。在计算的复杂程度来看。对于连续的M点信号的输出，SDFT需要M次计算，DFT需要M²次计算，FFT需要Mlog₂(M)次计算。

单频率SDFT算法是由一个梳状滤波器后跟着一个复谐振的IIR滤波器实现的，若想计算所有M点DFT谱，需要M个谐振器，且由一个梳状滤波器控制，，如图2所示。

第k点SDFT的z域传递函数为

将实际数值代入函数进行计算，得到结果为a+bi形式的复数。

S34、对复数结果进行处理，处理公式为

最终得到谐波参考电流为

S4、将所述基波参考电流与谐波参考电流相加得出最终参考电流i^*，并依据所述最终参考电流i^*、使用多功能并网逆变器进行有功和谐波补偿。

S4具体包括如下步骤：

S41、依据所述基波参考电流与谐波参考电流计算最终参考电流i^*，计算公式为

S42、依据采用准比例谐振控制器跟踪参考电流，准比例谐振控制器模型的表达式为

其中，ω₁和ω_h是基波和h次谐振的自然角频率，ω_c1和ω_ch是截止频率，K_p和K_rh(h＝1,3,5,7...)是准比例谐振控制器的比例和谐振积分增益。

最后，处理谐波补偿与基波补偿问题。如前所述，采集电压电流信号，通过计算得出谐波参考电流和基波指令电流，再发送至多功能并网逆变器汇总进行补偿。

图4～图7为本发明的仿真信号图。

图4～图7分别为未补偿时，纯补偿5次谐波后，补偿5，7，11，13，17，19次谐波以及同时补偿谐波和有功时，FFT对电网电流进行分析的图形。

图4表示未经过任何补偿时的信号分析，由图可见未经补偿之前5次谐波大约占据19.76％，总谐波失真率(THD)为25.16％，信号质量非常差。

图5表示经过补偿5次谐波后的FFT分析信号图，由图可见经过谐波补偿后5次谐波量几乎为零，而THD也下降至15.57％，信号质量明显变好，想要更进一步的补偿只需再并联几个MFGTI将7，11，13，17，19次等高次谐波继续进行补偿。

如图6所示，对基波扰动较大的5，7，11，13，17，19次谐波都被MFGTIs治理，这里用到6个多功能并网逆变器并联实现，THD下降到仅有2.43％，由此可见只需很少的设备即可快速准确的完成谐波治理。

如图7所示是治理谐波的同时加上了有功补偿，因为有功的补偿，基波含量变少，从而导致THD和各次谐波略微有所上升，符合本技术方案的设计初衷。

本发明通过克拉克变换计算基波指令电流，滑动傅里叶变换算法选择性计算特定阶次谐波指令电流，再使用多功能并网逆变器根据计算所得指令电流进行基波补偿和谐波选择性补偿，使谐波与基波问题同时得到快速解决，对于电网电能质量的提高有重要意义，实现了对微电网内谐波和基波的“就地平衡”和“就地补偿”，减少了谐波和基波在微电网内的传播，更好地适应了电能质量柔性定制的目标，显著地改善了微电网整体的电能质量。

此外，本发明也为同领域内的其他相关问题提供了参考，可以以此为依据进行拓展延伸，运用于领域内其他相关补偿方法的技术方案中，具有很强的适用性和广阔的应用前景。

总体而言，本发明使用效果良好，具有很高的使用及推广价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、借助多功能并网逆变器从电网中采样截取电压信号与电流信号；

S2、依据已截取的电压信号计算求得基波参考电流

S3、依据已截取的电流信号，利用滑动傅立叶变换的方法计算求得谐波参考电流

S4、将所述基波参考电流与谐波参考电流相加得出最终参考电流i^*，并依据所述最终参考电流i^*、使用多功能并网逆变器进行有功和谐波补偿。

2.根据权利要求1所述的基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，其特征在于，S2具体包括如下步骤：

S21、将多功能并网逆变器从电网中采样截取的电压信号记为u_abc，将电压信号通过克拉克变换到αβ的坐标系下，得到结果

S22、计算基波参考电流计算公式为

其中，P^*表示多功能并网逆变器给定的有功功率的参考值，Q^*表示多功能并网逆变器给定的无功功率的参考值；

S23、将基波参考电流通过克拉克逆变换到abc三相坐标系下，得到结果

3.根据权利要求2所述的基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，其特征在于：所述克拉克变换公式为

所述克拉克变换公式的逆变换形式为，T_2s-3s＝(3/2*T_3s-2s)^T。

4.根据权利要求1所述的基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，其特征在于，S3具体包括如下步骤：

S31、定义一个离散时间信号序列x(n)中，其M点的离散傅里叶变换公式为

其中，M是离散傅里叶变换点数，变量q是一个虚拟变量，q＝n-M+1,W_M＝e^j2π/M是复旋转因子,k是离散傅里叶变换的频域索引值，n是信号样点的时域索引值；X_n(k)表示给定时刻n时离散傅里叶变换的第k个频率点值；

S32、结合S31中公式得到n时刻下第k个频率点频谱值为

S33、综合上式得到第k点滑动傅里叶变换的Z域传递函数为

将实际数值代入函数进行计算，得到结果为a+bi形式的复数；

S34、对a+bi形式的复数结果进行处理，处理公式为

最终得到谐波参考电流为

5.根据权利要求1所述的基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，其特征在于，S4包括如下步骤：

S41、依据所述基波参考电流与谐波参考电流计算最终参考电流i^*，计算公式为

6.根据权利要求1所述的基于滑动傅立叶变换的多功能并网逆变器谐波选择性补偿方法，其特征在于，S4还包括如下步骤：

S42、依据采用准比例谐振控制器跟踪参考电流，准比例谐振控制器模型的表达式为

其中，ω₁和ω_h是基波和h次谐振的自然角频率，ω_c1和ω_ch是截止频率，K_p和K_rh是准比例谐振控制器的比例和谐振积分增益。