CN109830960B - 基于频率调制的特定间谐波优化脉冲宽度调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于频率调制的特定间谐波优化脉冲宽度调制方法，构建并依次合成r个PWM基波周期波形，且依次对每个基波周期中特定谐波的初始相位进行线性调制来实现频率调制，可以精确控制间谐波的幅值和相位。首先提出特定谐波调幅、调相的优化PWM方法，随后将一个或多个相关谐波频谱分别搬迁到拟控制的间谐波频谱，从而实现对间谐波调频、调幅及调相的直接控制。

Description

基于频率调制的特定间谐波优化脉冲宽度调制方法

技术领域

本发明涉及电力系统间谐波抑制领域，特别涉及一种基于频率调制的特定间谐波脉冲宽度调制方法。

背景技术

随着电力电子技术的日益发展和新能源并网系统的广泛应用，大量非线性负载接入电网，谐波和间谐波问题变得尤为突出。电力系统中的间谐波会造成电压波动和闪变、次同步振荡、损坏电力设备等危害，降低电力系统的稳定性。因此，迫切需要对各类间谐波源进行建模分析，对电网中谐波、间谐波进行检测并提出相应的抑制间谐波的技术措施。

当前对电力系统中间谐波抑制的研究主要分为三个步骤：(1)对间谐波源进行建模分析；(2)研究间谐波检测方法；(3)采用合适的方法抑制间谐波。已有很多学者对典型的间谐波源进行了建模分析，并提出了一些间谐波源的识别方法。近年来，国内外相关领域的专家和学者对电力系统谐波和间谐波的实时精确检测进行了深入和详细的研究。然而，目前对谐波与间谐波参数的准确检测仍然存在许多困难，主要是因为电力系统中间谐波的幅值很小，变化很频繁，而且真实电网信号具有随机性和非平稳性。因此，谐波与间谐波的检测一直是电能质量监测中的一个重要研究方向。抑制电力系统中间谐波的方法主要有无源滤波器、有源滤波器、以上二者构成的混合滤波器和无功补偿装置等。通过滤波装置，可以用无源滤波的方法将高频的间谐波成分滤除，对低频的间谐波成分，通过特定间谐波补偿方法降低至较低的水平，从而抑制其对电力系统和电力设备的扰动。

目前对电力系统中间谐波的抑制，主要是利用合适的间谐波检测方法对电力系统中的间谐波进行检测，然后通过一定的控制策略，利用有源滤波器或无功补偿装置，将电力系统中的间谐波降到合理的水平。相关的谐波电流补偿控制可归纳为两种：非选择性谐波补偿和选择性谐波补偿。前者指电流控制器的谐波补偿指令来源于抽取了基波部分的剩余谐波及间谐波，后者指通过对特定谐波的检测来分别实现特定的谐波补偿，能够对特定谐波进行精确控制，针对性地治理危害最大的低阶谐波，能较好地改善电能质量。当前的相关研究其控制目标都未能直接考虑将逆变器单元作为间谐波抑制的直接调节单元，相关特定间谐波通过调幅调相方式进行补偿的研究尚未报道过。

发明内容

本发明提供了一种基于频率调制的特定间谐波的调频、调幅及调相控制方法，本发明的目的是对电力系统中的特定间谐波进行直接控制，提高电力系统的电能质量，保障电力系统的安全可靠运行。

为实现上述目的，本发明的具体步骤如下：

一种基于频率调制的特定间谐波的调幅调相特定控制方法，包括以下步骤；

(1)选取要控制的特定间谐波，得到其幅值与相位信息；

(2)选取合适的调制波形频率和基波周期数，计算调制波形的幅值、首个周期的初相与相位增量；

(3)在选取的总基波周期内依次分别对相关谐波的初始相位进行线性调节，得到在总周期内的一定频率偏移的调制波形，利用基于部分不对称开关角的优化脉冲波形方法对得到的调制波形进行调制，使逆变器产生所需要的特定间谐波。

所述步骤(2)的具体方法如下：

1)选取拟调制波的频率为f₀，基波周期数r，计算频率偏移量Δf和相位增量Δθ，f＝f₀/r，Δθ＝2π/r；

2)选择调制方法，调制方法有两种，分别是逆时针调制方法和顺时针调制方法，计算调制波形的幅频响应，其相关公式如下：

逆时针调制的幅值特性为

顺时针调制的幅值特性为

其中函数

3)计算首个基波周期的调制波形的初相θ₀，公式如下：

逆时针调制的相位特性为

顺时针调制的相位特性为，

所述步骤(3)的具体方法如下：

1)通过选择的调制方法确定相位增量的正、负，在r个基波周期内控制相位线性调节；

2)对被调制波形以r/f₀为基波周期进行周期延拓；

3)采用基于部分不对称开关角的脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波。

本发明的有益效果：本发明首次采用PWM技术对逆变器作为调节环节进行间谐波直接控制，使逆变器产生所需要的特定间谐波。本发明具有大幅度降低大功率逆变器设备的功率设计容量及其开关损耗特点，可应用于前端电力系统间谐波控制领域，有助于提升电网电能质量。

附图说明

图1(a)为本发明实施例检测到将60Hz基波搬迁到70Hz间谐波信号FFT幅频特性图；

图1(b)为本发明实施例检测到将60Hz基波搬迁到70Hz间谐波信号FFT相频特性图；

图2(a)为本发明实施例检测到385Hz的间谐波信号FFT幅频特性图；

图2(b)为本发明实施例检测到385Hz的间谐波的FFT相频特性图；

图3为本发明实施例多基波周期内5次谐波的初相按照逆时针调制在空间矢量旋转坐标示意图；

图4为本发明实施例为本发明实施例利用开关函数S_r(t)依次合成r个基波周期的调制信号示意图；

图5为本发明实施例r个基波周期组成的总输出周期示意图；

图6为本发明实施例三相电网叠加间谐波电压源带三相交流电机负载仿真实验示意图(把间谐波模型看作理想电压源)；

图7为本发明实施例电网叠加385Hz间谐波电压源(10％U1)带三相交流电机负载仿真实验的三相电网相电流波形图；

图8为本发明实施例电网叠加385Hz间谐波电压源(10％U1)带三相交流电机负载的电网相电流FFT幅频分析图；

图9为本发明实施例三相逆变器构成间谐波串联电压补偿器原理示意图；

图10为本发明实施例特定间谐波调制方法控制逆变器注入385Hz间谐波的相电压FFT幅频分析图；

图11为本发明实施例三相电网串联了特定385Hz间谐波补偿器的三相电网相电流波形；

图12为本发明实施例三相电网串联特定385Hz间谐波补偿器的三相电网相电流FFT幅频图。

具体实施方式

根据技术方案，对本发明的具体实施方式进一步详细说明。

本发明提供一种基于频率调制的特定间谐波的调幅调相控制方法，包含以下步骤：

(1)选取要控制的特定间谐波，得到其幅值与相位信息，具体方法如下：

选取电网中某一危害最大且难以控制的特定间谐波，利用间谐波检测方法得到该间谐波的幅值与相位信息。

(2)选取合适的调制波形频率，如选取与控制目标间谐波频率相邻的电力PWM逆变器输出特定特征谐波(3n+1/3n-1次谐波)作为被调制谐波(以单相PWM逆变器输出为例说明)、基波周期数和初始相位调制方法，计算被调制谐波电压的幅值、首个周期的初相与相位增量，其具体实现方法如下：

1)选取调制波的频率为f₀，基本周期数r，计算频率偏移量Δf和相位增量Δθ，则基本周期为T＝1/f₀，频率偏移量为Δf＝f₀/r，相位增量为Δθ＝2π/r；

2)选择调制方法，调制方法有两种，分别是逆时针调制方法和顺时针调制方法，计算调制波形的幅值，其步骤如下：

若选择逆时针调制方法，则利用逆时针调制的幅值特性公式：

当a≥1时，a越大，

和

都为正数且越大，根据Sinc函数的性质，

和

就越小。逆时针调制时，|F_k|在k＝r+1时最大，

对应的频率为

该频率分量对应的余弦信号的幅值为2|F_r+1|，此时调制波形的幅值为

若选择顺时针调制方法，则利用顺时针调制的幅值特性公式：

当a≥1时，a越大，

和

都为正数且越大，根据Sinc函数的性质，

和

就越小。顺时针调制时，|F_k|在k＝r-1时最大，

对应的频率为

该频率分量对应的余弦信号的幅值为2|F_r+1|，此时调制波形的幅值为

3)计算首个基波周期的调制波形的初相θ₀，其步骤如下：

若选择逆时针调制方法，则利用逆时针调制的相位特性公式：

相位与a无关，当k＝ar+1(a≥1)时，∠F_k为

当k＝ar-1(a≥1)时，∠F_k为

逆时针调制时，|F_k|在k＝r+1时最大，∠F_r+1为

故首个基波周期的调制波形的初相为

若选择顺时针调制方法，则利用顺时针调制的相位特性公式：

相位与a无关，当k＝ar+1(a≥0)时，∠F_k为

当k＝ar-a1(≥2)时，∠F_k为

顺时针调制时，|F_k|在k＝r-1时最大，∠F_r-1为

故首个基波周期的调制波形的初相为

(3)在选取的总周期内对相位进行线性调节，得到在总周期内的一定频率偏移的调制波形，利用基于部分不对称开关角的优化脉冲波形方法对得到的调制波形进行调制，使逆变器产生所需要的特定间谐波，其具体实现方法如下：

1)通过选择的调制方法确定相位增量的正负，在r个周期内控制相位线性调节，具体方法如下：

若选择逆时针调制方法，在总周期r/f₀内，控制第i(1≤i≤r)个周期的相位为θ_i＝θ₀+iΔθ，第i个周期的调制波形可以表示为F_i(t)＝A₀cos(2πf₀t+θ₀+iΔθ)；若选择顺时针调制方法，在总周期r/f₀内，控制第i个周期的相位为θ_i＝θ₀-iΔθ，第i个周期的调制波形可以表示为F_i(t)＝A₀cos(2πf₀t+θ₀-iΔθ)；

2)对被调制波形以r/f₀为周期进行周期延拓，具体方法如下：

经过总周期r/f₀的相位控制后，得到新的调制波形。以r/f₀作为基本周期，对该调制波形进行周期延拓，得到最终的特定间谐波的调制波形，即

其中

3)采用基于部分不对称开关角的脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波，具体方法如下：

采用两阶电平逆变器拓扑结构，采用基于部分不对称开关角的脉冲宽度调制方法，控制开关的自由度数来控制逆变器输出波形的基波和特定谐波的幅度和相位，最终得到所需要的特定间谐波的PWM波形。将该逆变器并入电网中，补偿电网中的特定间谐波。

上述基于频率调制的特定间谐波优化脉冲宽度调制方法可应用于如下任一方法：

1.)采用基于部分不对称开关角的脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波；通过基于部分不对称开关角的优化脉冲波形方法进行PWM调幅调相控制的开关角优化计算，使逆变器产生所需要的特定间谐波。

2)采用基于空间矢量控制脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波；

3)采用基于载波调制的脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波。

本发明只需补偿容量较小但危害最大的间谐波，而现有基于非选择性谐波控制的其他方法缺点是所需补偿功率较大。本发明提供的基于频率调制的特定间谐波的调幅调相控制方法，可以针对电力系统中某些难以控制的间谐波或次谐波进行直接控制；可以产生特定幅值、相位的特定间谐波，频率调制的偏移量调节范围广，应用范围较大；可以用于前端电力系统的间谐波控制，在前端为间谐波提供一个低阻通道，在系统源附近补偿相关间谐波。同时采用基于部分不对称开关角的优化脉冲宽度调制方法来控制电力电子开关器件，可以对输出波形进行特定谐波的调幅调相控制，并将低次谐波含量降低至零。

仿真实例分析

为说明该方法使用的普遍性，分别以电网基波频率为60Hz和50Hz为例进行阐述。采用电网基波频率为60Hz的6个基波周期信号进行依次分别其初始相位的线性调制，来产生70Hz(60+60/6Hz)间谐波进行说明；接着采用电网基波频率为50Hz的基波周期PWM信号中的7次谐波(350Hz)来产生385Hz间谐波为例进行分析，即被调制谐波是7次谐波，采用10个PWM基波周期依次分别进行7次谐波350Hz的线性初始相角调制，产生频谱偏移量是35Hz(350/10Hz)，实现了将7次谐波的频谱搬迁到385Hz间谐波的频谱。相关谐波的幅值与相位信息如表1所示。选取调制方法为逆时针调制，利用逆时针调制方法的幅值特性公式和相位特性公式计算。

表1间谐波幅值与相位信息

控制过程如下：

分别选取合适的调制频率和周期数，计算出频率偏移量和相位增量，根据逆时针调制方法的幅值特性公式和相位特性公式，计算出调制波形的幅值、初相，如表2所示。

表2被调制谐波f₀的频率偏移量、相位增量、幅值、初相与相位增量

得到的调制波形分别为：

和

以两阶电平逆变器拓扑结构为例，采用基于部分不对称开关角的脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波的PWM波形，以北美地区的基波频率60Hz为例，进行6个基波周期的线性调制后，在FFT幅频及相频分析中检测到预期的间谐波70Hz信号，即将60Hz基波信号的频谱搬迁到预期的70Hz的间谐波频谱的位置，对该波形进行分析后，得到的幅频和相频信息如图1(a)、图1(b)和图2(a)、2(b)所示。同理，图2中将基波周期以50Hz计算，采用7次谐波(350Hz)进行10个基波周期的相关初始相位的线性调制，利用PWM基波周期波形所含有的7次谐波根据相移频移原理产生385Hz(350HZ+350/10Hz)的间谐波。通过仿真实验，检测并验证了逆变器拟调制385Hz间谐波的输出PWM电压波形的间谐波频谱搬迁的效果。

为便于说明本发明方法，在空间矢量旋转坐标中将5次谐波在10个基波周期内的初相按照逆时针调制示意图见图3；分别利用开关函数Sr(t)依次合成r个基波周期的调制信号过程及总输出基波周期示意图见图4和图5；相关三相电网叠加间谐波电压源带三相交流电机负载仿真实验原理见示意图6；图7为三相电网叠加385Hz间谐波电压源(10％U1)带三相交流电机负载仿真实验的三相电网相电流波形图；图8为电网叠加385Hz间谐波电压源(10％U1)带三相交流电机负载的电网相电流FFT幅频分析图；图9为三相逆变器构成间谐波串联电压补偿器原理示意图；图10为特定间谐波调制方法控制逆变器注入385Hz间谐波的相电压FFT幅频分析图；图11为三相电网串联特定385Hz间谐波补偿器的三相电网相电流波形；图12为三相电网串联特定385Hz间谐波补偿器的三相电网相电流FFT幅频图。

另外本发明还进行了三相电网(电网基波频率50Hz)中叠加了385Hz的间谐波电压，同时还带三相交流电机的原理性实验，实验原理图如图6所示，实验结果进一步验证了本发明方法的有效性。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于频率调制的特定间谐波优化脉冲宽度调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取要控制的特定间谐波，得到其幅值与相位信息；

(2)选取合适的被调制谐波频率和基波周期数，计算拟控制的特定间谐波的频率、首个基波周期的初相与相位增量；

(3)在每个基波周期内，利用PWM优化脉冲波形方法控制逆变器产生调幅调相的特定谐波输出电压；

(4)同时在选取的总基波周期内依次分别对相关谐波的初始相位进行线性调节，产生一定频率偏移量将谐波频谱搬迁到拟控制的特定间谐波频谱位置，从而使逆变器产生所需要的特定间谐波；

步骤(2)中：

1)选取调制波的频率为f₀，基波周期数r，计算频率偏移量Δf和相位增量Δθ，f＝f₀/r，Δθ＝2π/r；

2)选择的调制方法有两种，对多基波周期内PWM的谐波分别按照逆时针调制方向和顺时针调制方向进行线性相位调制；

步骤(3)中：

1)通过选择的调制方法确定相位增量的正、负，在r个基波周期内控制相位线性调节；

2)对被调制波形以r/f₀为基波周期进行周期延拓。

2.根据权利要求1所述的基于频率调制的特定间谐波优化脉冲宽度调制方法，其特征在于，该特定间谐波优化脉冲宽度调制方法可特定控制一个或同时特定控制多个间谐波。

3.权利要求1-2中任一项所述的基于频率调制的特定间谐波优化脉冲宽度调制方法，其特征在于，采用如下任一方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波：

1.)采用基于部分不对称开关角的脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波；

2)采用基于空间矢量控制脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波；

3)采用基于载波调制的脉冲宽度调制方法控制逆变器产生所需要的特定间谐波。

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