CN109149579B - 基于网侧电流采样的hapf谐波补偿和谐振抑制的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法，弱电网条件下运行的配电网系统的混合补偿系统由电源、负载、APF和无功补偿电容器FC构成，其中电源端含有实际输电线路阻抗的电阻和电感，APF为带电感滤波的三相全桥变换器，其与无功补偿电容器FC共同并联在电源出线端即公共耦合点；负载分为线性负载和非线性负载。具体工作过程为：三相电网电流I _s 和三相电容电流I _c 作差,经过d‑q同步旋转坐标变换，截止频率为15Hz的一阶低通滤波器滤除其直流分量；i _d 和i _q 的交流分量经过反馈增益环节K _s 后，再经过坐标反变换得到u _AFa 、u _AFb 、u _AFc ，作为APF的给定电压信号。本发明在电网参数频繁变化的情况下，不需要随时调整控制器的算法，适应性较强。

Description

基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器控制领域，具体为一种基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法，适用于在远距离输电的弱电网中，网侧电抗和无功补偿电容发生谐振的情况下实施的控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，电力系统中出现了越来越多的诸如变频调速电机、不间断电源（UPS）等非线性负载，这些负载的前级输入通常使用成本较低的不控整流桥，这就使其作为谐波源向系统注入谐波，降低电能质量。无源滤波器（Passive Filter, PF）例如常见的低压无功补偿电容器组（Fixed Capacitor Bank, FC）和单调谐滤波器（SingleTuned Filter，LC）因其设计维护简单、高压大容量容易实现等优势，目前仍然是我国电力工业中主要的无功和谐波治理方式。

无源滤波器可能和输电线路的寄生电抗发生谐振，一般的解决方法是在发生谐振的无源滤波器支路串联电抗器，调节系统的谐振频率以避开激励，这种方式在系统运行参数改变时仍然可能诱发谐振。现有文献研究使用有源滤波器（Active Power Filter, APF）来解决谐振问题。有关学者提出了将公共接入点(PCC)电压的谐波分量乘上一个阻尼系数作为参考指令的一部分来控制APF的输出电流。该方案存在几个缺点：一是对于电源容量较大的场合来讲，谐振引起的电压畸变可能不是很突出，因此这种方法对谐波检测算法要求较高。二是如果考虑系统运行参数变化，还要加入阻尼系数自适应算法，控制比较复杂。并且网侧电流开环，补偿效果可能受测量精度、外部扰动、采样及控制延时等方面的影响。为了消除这些影响，需要提供一种控制方法，抑制谐振并对其进行谐波补偿，提高电能质量。

发明内容

本发明为了解决弱电网条件下，线路电抗和无功补偿电容发生谐振，造成电能质量下降的问题，提供了一种基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法。

弱电网条件下运行的配电网系统的混合补偿系统由电源、负载、APF和无功补偿电容器构成，其中电源端含有实际输电线路阻抗的电阻和电感，APF为带电感滤波的三相全桥变换器；负载分为阻感特性的线性负载和二极管整流桥的非线性负载。系统的弱电网特性主要由线路阻抗体现，无功补偿电容器通过接触器K并联在电源出线端，无功补偿电容器和APF均并联接在公共耦合点。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法，包括如下步骤：

1）采集公共耦合点三相电压U _sa 、U _sb 、U _sc 和网侧三相电流I _sa 、I _sb 、I _sc ；

2）采集电容三相电流I _ca 、I _cb 、I _cc ；

3）采集APF直流侧电压V _dc ；

4）将公共耦合点三相电压U _sa 、U _sb 、U _sc 输入matlab的3-phase PLL模块，得到当前电网电压的相位信息量sin_cos；

5）将网侧三相电流I _sa 、I _sb 、I _sc 分别与电容三相电流I _ca 、I _cb 、I _cc 作差，得到I _sca 、I _scb 、I _scc ；

6）将相位信息量sin_cos、I _sca 、I _scb 、I _scc 输入matlab的abc/dq0模块，得到电流d、q轴分量i _d 、i _q ；

7）将d、q轴分量i _d 、i _q 输入低通传递函数

，得到d、q轴电流直流分量i _dz 、i _qz ；

8）将给定电压V _ref 与实际电压V _dc 作差，得到电压误差ΔV _dc ；

9）将电压误差ΔV _dc 输入直流电压调节控制器，得到d轴电流给定值i _{dref_dc} ；

10）将d轴电流给定值i _{dref_dc} 与d轴电流直流分量i _dz 相加；

11）电流d轴分量i _d 减去步骤10）所得到的值，得到其交流分量i _dj ，电流q轴分量减去q轴电流直流分量i _qz ，得到其交流分量i _qj ；

12）将交流分量i _dj 、i _qj 通过增益为K _s 的放大器，得到d轴、q轴电压给定值v _d ^* 、v _q ^* ；

13）将电压给定值v _d ^* 和v _q ^* 输入内环调节PI控制器，得到d、q坐标下调制信号u _d ^* 、u _q ^* ；

14）将d、q坐标下调制信号u _d ^* 、u _q ^* 输入matlab的dq0/abc模块，得到abc坐标下的调制信号u _AFa 、u _AFb 、u _AFc ；

15）abc坐标下的调制信号u _AFa 、u _AFb 、u _AFc 输入matlab的PWM Generator模块，生成APF的控制信号PWM_1A、PWM_1B、PWM_2A、PWM_2B、PWM_3A、PWM_3B，实现对APF的控制。

本发明为了解决谐振补偿和谐振抑制的问题，通过理论分析表明，电容电流反馈增益等于网侧电流反馈增益时，系统有较为理想的稳定裕度，因此提出了上述方法，这种检测方法优点是畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因此检测结果不受电压畸变的影响。本发明的主要工作过程为：三相电网电流I _s 和三相电容电流I _c 作差,经过d-q同步旋转坐标变换，截止频率为15Hz的一阶低通滤波器滤除其直流分量；i _d 和i _q 的交流分量经过反馈增益环节K _s 后，再经过坐标反变换得到u _AFa 、u _AFb 、u _AFc ，作为APF的给定电压信号；直流侧的电压由PI控制器调节，输出的信号作为内环d轴电流的给定值；坐标变换用到的电网相位信息由锁相环PLL产生。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所采用的控制是基于网侧电流采样的，在检测电网电流的控制方式下，根据控制目标即电网电流调节补偿电流，自然地形成了闭环反馈。相比于负载侧电流采样控制的APF，其补偿效果受测量精度、外部扰动、采样及控制延时等方面的影响很小。本发明所采用电容电流反馈的方法来阻尼系统谐振，在电网参数频繁变化的情况下，不需要随时调整控制器的算法，适应性较强。相对于传统方法，补偿谐波采样APF和负载侧这两条支路电流，本发明所用的方法只需采样网侧电流，不需要采样APF输出电流，只需要一组电流传感器，节省了APF的硬件成本。

附图说明

图1是本发明所涉及的混合补偿系统主电路结构图。

图2是本发明所涉及的APF控制原理示意图。

图3是为验证本发明所搭建的实验平台的示意图。

图4是APF应用本发明所提出的控制方法在不同控制阶段的波形图。

图5是APF应用本发明所提出的控制方法在启动时的波形图。

图6是APF未应用本发明提出的电容电流反馈控制方法时的波形图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法，弱电网条件下运行的配电网系统的混合补偿系统由电源、负载、APF和无功补偿电容器FC构成，如图1所示，其中电源端含有实际输电线路阻抗的电阻和电感，APF为带电感滤波的三相全桥变换器，并联于公共耦合点；无功补偿电容器FC通过接触器K并联在电源出线端即公共耦合点；负载分为阻感特性的线性负载和二极管整流桥的非线性负载；控制方法包括如下步骤：

1）采集公共耦合点三相电压U _sa 、U _sb 、U _sc 和网侧三相电流I _sa 、I _sb 、I _sc ；

2）采集电容三相电流I _ca 、I _cb 、I _cc ；

3）采集APF直流侧电压V _dc ；

4）将公共耦合点三相电压U _sa 、U _sb 、U _sc 输入matlab的3-phase PLL模块，得到当前电网电压的相位信息量sin_cos；

5）将网侧三相电流I _sa 、I _sb 、I _sc 分别与电容三相电流I _ca 、I _cb 、I _cc 作差，得到I _sca 、I _scb 、I _scc ；

6）将相位信息量sin_cos、I _sca 、I _scb 、I _scc 输入matlab的abc/dq0模块，得到电流d、q轴分量i _d 、i _q ；

7）将d、q轴分量i _d 、i _q 输入低通传递函数

，得到d、q轴电流直流分量i _dz 、i _qz ；

8）将给定电压V _ref 与实际电压V _dc 作差，得到电压误差ΔV _dc ；

9）将电压误差ΔV _dc 输入直流电压调节控制器，得到d轴电流给定值i _{dref_dc} ；

10）将d轴电流给定值i _{dref_dc} 与d轴电流直流分量i _dz 相加；

11）电流d轴分量i _d 减去步骤10）所得到的值，得到其交流分量i _dj ，电流q轴分量减去q轴电流直流分量i _qz ，得到其交流分量i _qj ；

12）将交流分量i _dj 、i _qj 通过增益为K _s 的放大器，得到d轴、q轴电压给定值v _d ^* 、v _q ^* ；

13）将电压给定值v _d ^* 和v _q ^* 输入内环调节PI控制器，得到d、q坐标下调制信号v _md 、v _mq ；

14）将d、q坐标下调制信号v _md 、v _mq 输入matlab的dq0/abc模块，得到abc坐标下的调制信号v _ma 、v _mb 、v _mc ；

15）abc坐标下的调制信号v _ma 、v _mb 、v _mc 输入matlab的PWM Generator模块，生成APF的控制信号PWM_1A、PWM_1B、PWM_2A、PWM_2B、PWM_3A、PWM_3B，实现对APF的控制。

如图2所示，三相电网电流I _s 和三相电容电流I _c 作差,经过d-q同步旋转坐标变换，截止频率为15Hz的一阶低通滤波器滤除其直流分量；i _d 和i _q 的交流分量经过反馈增益环节K _s 后，再经过坐标反变换得到u _AFa 、u _AFb 、u _AFc ，作为APF的给定电压信号；直流侧的电压由PI控制器调节，输出的信号作为内环d轴电流的给定值。坐标变换用到的电网相位信息由锁相环PLL产生。

图3中，实验平台由型号为TMS320F28377d的DSP控制，由电流、电压传感器检测的v _s 、i _s 、i _c 、v _dc 信号传入A/D转换模块，再由DSP经过控制算法计算，生成APF控制所需要的6路PWM信号。

图4中：实验开始后运行传统的APF控制算法。在t₁时刻，逐渐降低限流变阻器R_c阻值，到t₂时刻R_c约为满阻值的70%左右，此时已经明显看到谐振电流的冲击，继续降低阻值将会触发APF或可编程电源的电流保护。上述实验现象说明，虽然电容上的电阻足够大（R_c>2Ω），在使用传统算法的APF并网后仍然会放大谐振现象。t₂~ t₃时间间隔内，突增的谐振电流缓慢进入稳态，在电源、无源滤波器和APF之间振荡，谐振电流依然很大，可以观察到PCC点的电压畸变，进而又使负载电流的谐波成分增加。在t₃时刻，切换成本发明所提供的算法，谐振电流在短时间内迅速被抑制。

图5中：在无功补偿电容不启动时，即i _c =0时，APF在t₀时刻启动，电网电流i _s 自t₀时刻起，由于APF的输出电流i _f 产生了谐波，所以将i _s 的谐波吸收，使波形得到改善，更加接近正弦。

图6即图4中t₂~ t₃时间间隔内的放大波形，即未使用本发明提出的电容电流反馈控制方法的波形图，其谐振频率为450Hz，谐振现象严重，谐波含量大。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法，其特征在于：弱电网条件下运行的配电网系统的混合补偿系统由电源、负载、APF和无功补偿电容器FC构成，其中电源端含有实际输电线路阻抗的电阻和电感，APF为带电感滤波的三相全桥变换器，并联于公共耦合点；无功补偿电容器FC通过接触器K并联在电源出线端即公共耦合点；负载分为阻感特性的线性负载和二极管整流桥的非线性负载；控制方法包括如下步骤：

1）采集公共耦合点三相电压U _sa 、U _sb 、U _sc 和网侧三相电流I _sa 、I _sb 、I _sc ；

2）采集电容三相电流I _ca 、I _cb 、I _cc ；

3）采集APF直流侧电压V _dc ；

4）将公共耦合点三相电压U _sa 、U _sb 、U _sc 输入matlab的3-phase PLL模块，得到当前电网电压的相位信息量sin_cos；

5）将网侧三相电流I _sa 、I _sb 、I _sc 分别与电容三相电流I _ca 、I _cb 、I _cc 作差，得到I _sca 、I _scb 、I _scc ；

6）将相位信息量sin_cos、I _sca 、I _scb 、I _scc 输入matlab的abc/dq0模块，得到电流d、q轴分量i _d 、i _q ；

7）将d、q轴分量i _d 、i _q 输入低通传递函数

，得到d、q轴电流直流分量i _dz 、i _qz ；

8）将给定电压V _ref 与实际电压V _dc 作差，得到电压误差ΔV _dc ；

9）将电压误差ΔV _dc 输入直流电压调节控制器，得到d轴电流给定值i _{dref_dc} ；

10）将d轴电流给定值i _{dref_dc} 与d轴电流直流分量i _dz 相加；

11）电流d轴分量i _d 减去步骤10）所得到的值，得到其交流分量i _dj ，电流q轴分量减去q轴电流直流分量i _qz ，得到其交流分量i _qj ；

12）将交流分量i _dj 、i _qj 通过增益为K _s 的放大器，得到d轴、q轴电压给定值v _d ^* 、v _q ^* ；

13）将电压给定值v _d ^* 和v _q ^* 输入内环调节PI控制器，得到d、q坐标下调制信号v _md 、v _mq ；

14）将d、q坐标下调制信号v _md 、v _mq 输入matlab的dq0/abc模块，得到abc坐标下的调制信号v _ma 、v _mb 、v _mc ；

15）abc坐标下的调制信号v _ma 、v _mb 、v _mc 输入matlab的PWM Generator模块，生成APF的控制信号PWM_1A、PWM_1B、PWM_2A、PWM_2B、PWM_3A、PWM_3B，实现对APF的控制。

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