CN110912150B - 一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力电子设备技术领域，具体涉及一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，包括以下步骤，步骤1，采集并网接入点交流电网和电压直流侧电容电压，将并网接入点交流电网作锁相环控制；将电压直流侧电容电压作直流电压环控制；步骤2，采集逆变侧电感电流和并联无源电容电压，将逆变侧电感电流作电流内环控制；将并联无源电容电压作电压外环控制；步骤3，采集负载电流和混合有源滤波器输出电流，将负载电流作谐波补偿参考控制；将混合有源滤波器输出电流作系统谐波电流阻尼控制。与现有技术相比，本发明能在存在电网背景谐波电压的条件下实现谐波补偿，与此同时，还减少了背景谐波电压带来的谐波电流，实现了友好型并网。

Description

一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法
技术领域
本发明属于电力电子设备技术领域，具体涉及一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法。
背景技术
电力电子设备装备会给并网点注入谐波不平衡等危害电网安全性和经济性的附带电流，一般都要求加有源和无源滤波进行电能质量治理，但同时也引入了额外的电力电子装备。随着电力电子装备在电网的渗透率大幅增加，电能质量治理成为了很多企业的必需选择。
然而，传统的有源滤波器存在电压等级高，器件耐压高和成本高的缺点，无源滤波器存在易与其他电力电子和电力系统设备谐振，容量非无极调控等缺点；而传统的混合有源滤波器只注重了谐波电流的治理，没有考虑电网存在背景谐波电压的恶劣工况，治理效果差，容易引发系统谐振，推广受到限制。因此，行业内通常采用有源滤波和无源滤波相结合的混合系统，但这种系统容易引发低频振荡等问题。同时，大量电力电子装备串/并联系统的接入会引起装备间谐振和与电网谐振，为治理这些谐振现象，现有技术中还采用了基于虚拟阻抗的电阻型有源滤波器。但这种滤波器为治理系统谐振，只能采用谐波并联小阻尼电阻的方法，降低了系统的总体输出阻尼特性，进而削弱系统抵抗背景谐波电压的能力，降低了系统的可靠性。
有鉴于此，有必要提出一种新的方案以满足实际的需要。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，本发明能在存在电网背景谐波电压的条件下实现谐波补偿，与此同时，还减少了背景谐波电压带来的谐波电流，达到友好型并网。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，通过构建虚拟输出阻抗产生并联导纳实现有源滤波器来实现谐波补偿，降低电网谐波电流。构建等效受控电压源来实现系统谐波阻尼，降低谐波电压产生的电网谐波电流。具体包括以下步骤：
步骤1，采集并网接入点交流电网和电压直流侧电容电压，将所述并网接入点交流电网作锁相环控制；将所述电压直流侧电容电压作直流电压环控制；
步骤2，采集逆变侧电感电流和并联无源电容电压，将所述逆变侧电感电流作电流内环控制；将所述并联无源电容电压作电压外环控制；
步骤3，采集负载电流和混合有源滤波器输出电流，将所述负载电流作谐波补偿参考控制；将所述混合有源滤波器输出电流作系统谐波电流阻尼控制。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述步骤1包括：
(a)采集所述并网接入点交流电网和所述电压直流侧电容电压；
(b)将步骤(a)中采集到的所述并网接入点交流电网和所述电压直流侧电容电压分别转换为αβ坐标系下的参考信号；
其中，所述并网接入点交流电网用于三相电压锁相环和基波电流参考基准信号，所述电压直流侧电容电压用于作直流电压环负反馈控制，其作用是使直流侧电容电压稳定于设定的参考电压值左右。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述步骤2包括：
(c)采集所述逆变侧电感电流和所述并联无源电容电压信号；
(d)将步骤(c)中采集到的所述逆变侧电感电流和所述并联无源电容电压信号分别转换为αβ坐标系下的反馈信号，使之形成以所述逆变侧电感电流为反馈信号和以比例控制器或比例谐振控制器为控制器的系统电流控制内环，以及以所述并联无源电容电压为反馈信号和以比例谐振控制器为控制器的系统电压控制外环，作用分别是使逆变侧电感电流和并联无源电容电压得到控制；
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述逆变侧电感电流的反馈信号作为负反馈信号的控制部分为逆变电流控制环，所述逆变电流控制环的带宽由基波与直流分量组成。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述并联无源电容电压的反馈信号作为负反馈的控制部分为电压谐波补偿外环，所述并联无源电容电压的带宽包括各次要补偿的谐波频率。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述步骤3包括：
(e)采集所述负载电流和所述混合有源滤波器输出电流；
(f)将步骤(e)中采集到的所述负载电流和所述混合有源滤波器输出电流分别转换为αβ坐标系下的数字信号；
(g)提取所述混合有源滤波器输出电流的谐波信号的实信号和复信号，同时，提取所述负载电流的特定次谐波信号的实信号和复信号，其中，所述负载电流的特定次谐波信号与所述混合有源滤波器输出电流的谐波信号对应；
(h)将所述负载电流的特定次谐波信号的虚部信号乘以串联电容的阻抗系数得到用于补偿谐波电流的参考电压信号，将所述混合有源滤波器输出电流的谐波信号和所述负载电流的特定次谐波信号的实部信号分别乘以阻尼系数的比例系数，得到用于对电网电压谐波起抑制作用的参考电压信号；
(i)将所述用于补偿谐波电流的参考电压信号和所述用于对电网电压谐波起抑制作用的参考电压信号加和，共同加到所述电压谐波补偿外环的参考中。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述步骤(g)中均采用滑动傅里叶变换法进行提取信号。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述步骤(a)、所述步骤(c)和所述步骤(e)均通过信号采样通道进行采集。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述信号采样通道为电流传感器或电压传感器。
作为对本发明中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法的改进，所述步骤(b)、所述步骤(d)和所述步骤(f)均采用克拉克变换法进行转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明在存在电网背景谐波电压的条件下实现了谐波补偿，与此同时还减少了背景谐波电压带来的谐波电流，因此，可以达到友好型并网的效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明中混合有源滤波拓扑与提出算法的控制结构；
图2(a)为本发明中谐波控制算法分频原理等效示意图；
图2(b)为本发明中虚拟阻抗等效原理示意图；
图2(c)为本发明中控制原理最终等效示意图；
图3为本发明中不同电压工况下的负载电流波形图；
图4为本发明中不同控制状态下的负载电流和电网电流波形图；
图5为本发明中不同控制状态下的直流电压波形图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，通过构建虚拟输出阻抗产生并联导纳实现有源滤波器APF来实现谐波补偿，降低电网谐波电流。构建等效受控电压源来实现系统谐波阻尼，降低谐波电压产生的电网谐波电流，包括以下步骤：
步骤1，采集并网接入点交流电网和电压直流侧电容电压，将并网接入点交流电网作锁相环控制；将电压直流侧电容电压作直流电压环控制；
步骤2，采集逆变侧电感电流和并联无源电容电压，将逆变侧电感电流作电流内环控制；将并联无源电容电压作电压外环控制；
步骤3，采集负载电流和混合有源滤波器输出电流，将负载电流作谐波补偿参考控制；将混合有源滤波器输出电流作系统谐波电流阻尼控制。
在本实施例中，以下列系统参数和控制参数进行MTALAB/Simulink仿真。
优选的，步骤1中采集并网接入点交流电网和电压直流侧电容电压，将并网接入点交流电网作锁相环控制；将电压直流侧电容电压作直流电压环控制的具体步骤如下：
如图1的上部所示，为混合有源滤波器的电路拓扑，主要特点是三相全控半桥电路输出先连接了传统的LC或LCL无源滤波器，在电网接入点(PCC)之前增加了串联电容CL.。其中，通过电压和电流传感器等信号采样通道采集并网接入点交流电网Vpcc(abc)和电压直流侧电容电压Vdc，并通过克拉克变换转为αβ坐标系下的参考信号，分别为Vpcc(αβ)和Vdc，将Vpcc(αβ)输入三相电压锁相环(PLL)产生基波电压有功电流参考基准信号，利用锁相环产生的ω0将信号超前1/4周期，产生容性的基波电流参考信号。设定直流电压的目标参考电压值为减去电压直流侧电容电压Vdc为负反馈控制信号，输入PI控制器中，控制器输出信号与容性的基波电流参考信号相乘，得到控制参考电流信号/>这部分主要作用是建立稳定的直流电压，使混合有源滤波器能在变负荷和不同输出谐波类型和大小时维持系统稳定。图5中不同控制状态对应不同的输出电流，直流母线电压均能维持稳定。
优选的，步骤2中采集逆变侧电感电流和并联无源电容电压，将逆变侧电感电流作电流内环控制；将并联无源电容电压作电压外环控制的具体步骤如下：
采集负载电流ILoad(abc)信号并通过克拉克变换转为ILoad(αβ)，然后将其通过滑动傅里叶变换SDFT(h)分别提取其谐波的实部和虚部，其中h＝5，7，11等所需补偿谐波次数，实部信号ILoad,h(αβ)与系数RV，h相乘，虚部信号相乘系数为：
Rh＝1/(jωhC) (1-1)
实部和虚部的相乘结果加和取为参考谐波电压
采集负载电流ILine(abc)信号并通过克拉克变换转为ILine(αβ)，然后将其通过滑动傅里叶变换SDFT(h)提取其谐波的实信号，其中h＝5，7，11等所需补偿谐波次数,实部信号ILine,h(αβ)与系数RV，h相乘，结果作为参考谐波电压
上述两个参考电压和/>相加结果乘-1作为谐波输出电压参考值这里取两个/>和/>之和以及乘-1是因两个电流信号ILine(abc)和ILoad(abc)CT方向设置，如果CT方向有变化，加和操作与乘数操作均需要相应的改变，最终结果相同即可。
上述参考结果是基于谐波电压控制的戴维南和诺顿等效原理实现的，如图2(a)为谐波控制算法分频原理等效示意图，表明将输出谐波电压分成和/>两个成分，分别用于实现谐波治理和虚拟阻抗控制，图中将负载电流等效为电流源，可由图3验证。如图3为不同电压工况下的负载电流波形图，验证了电网电压对负载电流波形影响不大，可以将负载谐波电流看成是电流源性质的。由于系统在宽频带内可做线性化分析，故图中只关注谐波分量。对图2(a)进行化简，如图2(b)所示为虚拟阻抗等效原理示意图，鉴于的生成过程，可以将其等效为一个虚拟阻抗RV，h(包括阻性和感性)。如图2(c)所示为控制原理最终等效示意图，将图2(b)中的第二个谐波信号/>做等效后，可以直接等效为虚拟阻抗Rh。系统补偿谐波的原理在于Rh抵消了输出串联阻抗,使并联导纳尽可能大，而在增加虚拟阻抗RV，h后系统在存在背景谐波电压时能抑制谐波电流。
优选的，步骤3中采集负载电流和混合有源滤波器输出电流，将负载电流作谐波补偿参考控制；将混合有源滤波器输出电流作系统谐波电流阻尼控制的具体步骤如下：
采集并联无源电容电压VPoC(abc)信号并通过克拉克变换转为VPoC(αβ)，谐波输出电压参考值减去VPoC(αβ)的误差信号经过比例谐振控制器得到逆变电流参考值的谐波分量/>电压外环的比例谐振控制器的具体公式为：
逆变输出电流的参考值基波分量和逆变电流参考值的谐波分量加和成为逆变电流参考值/>采集逆变侧电感电流IL1(abc)信号并通过克拉克变换转为ILine(αβ)，逆变电流参考值减去ILine(αβ)得到误差信号通过比例谐振控制器得到输出电压的控制信号，将该控制信号除以直流电压参考值的一半，并输入到正弦脉宽调制(SPWM)模块，得到调制信号，调制信号施加到混合有源滤波的三相桥式半桥电路中即可。其中电流内环的比例谐振控制器为：
如图4所示为设计的混合有源滤波系统的MATLAB仿真，图中列举的四个阶段的负载电流和电网电流。负载电流的谐波畸变率(THD)为20.47％。其中第一阶段是混合有源滤波不加谐波控制和阻尼算法时的电流波形，第二阶段是加入谐波控制算法的电流波形，治理后电网电流THD只有2％。第三阶段是加入电网谐波电压时的谐波控制算法的电流波形，治理后电网电流THD增加到7.64％。第四阶段是加入电网谐波电压时的谐波控制算法的电流波形，治理后电网电流THD只有3.7％。图5不同控制状态下的直流电压波形图，不同状态下直流侧电压纹波虽然不同，但电压一直稳定在300V。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施方式，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施方式的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，(a)采集并网接入点交流电网的电压Vpcc(abc)和电压直流侧电容电压；
(b)将步骤(a)中采集到的所述并网接入点交流电网的电压V pcc(abc)通过克拉克变换转为αβ坐标系下的参考信号Vpcc(αβ)，对Vpcc(αβ)作锁相环控制；将所述电压直流侧电容电压转换为αβ坐标系下的参考信号，并作直流电压环控制；
其中，所述并网接入点交流电网的参考信号Vpcc(αβ)输入三相电压锁相环产生基波电压有功电流参考基准信号，利用锁相环产生的ω0将信号超前1/4周期，产生容性的基波电流参考信号，所述电压直流侧电容电压用于作直流电压环负反馈控制，设定直流电压的目标参考电压值为减去电压直流侧电容电压Vdc为负反馈控制信号，输入PI控制器中，控制器输出信号与容性的基波电流参考信号相乘，得到控制参考值基波分量/>
步骤2，(e)采集负载电流和混合有源滤波器输出电流；
(f)将所述负载电流作谐波补偿参考控制；将所述混合有源滤波器输出电流作系统谐波电流阻尼控制，包括：将步骤(e)中采集到的所述负载电流和所述混合有源滤波器输出电流分别转换为αβ坐标系下的数字信号；
(g)提取所述混合有源滤波器输出电流的谐波信号的实部和虚部，同时，提取所述负载电流的特定次谐波信号的实部和虚部，其中，所述负载电流的特定次谐波信号与所述混合有源滤波器输出电流的谐波信号对应；
(h)将所述负载电流的特定次谐波信号的虚部信号乘以串联电容的阻抗系数得到用于补偿谐波电流的参考电压信号，将所述混合有源滤波器输出电流的谐波信号和所述负载电流的特定次谐波信号的实部信号分别乘以阻尼系数的比例系数后求和，得到用于对电网电压谐波起抑制作用的参考电压信号；
(i)将所述用于补偿谐波电流的参考电压信号和所述用于对电网电压谐波起抑制作用的参考电压信号加和，得到谐波输出电压参考值
步骤3，(c)采集逆变侧电感电流和并联无源电容电压；
(d)将所述并联无源电容电压作电压外环控制，采集并联无源电容电压VPoC(abc)信号并通过克拉克变换转为VPoC(αβ)，谐波输出电压参考值减去VPoC(αβ)的误差信号经过比例谐振控制器得到逆变电流参考值的谐波分量/>将所述逆变侧电感电流作电流内环控制，逆变输出电流的参考值基波分量/>和逆变电流参考值的谐波分量/>加和成为逆变电流参考值/>采集逆变侧电感电流IL1(abc)信号并通过克拉克变换转为ILine(αβ)，所述逆变电流参考值减去ILine(αβ)得到误差信号通过比例谐振控制器得到输出电压的控制信号，将该控制信号除以直流电压参考值的一半，并输入到SPWM模块得到调制信号。
2.根据权利要求1中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，其特征在于：所述步骤(g)中均采用滑动傅里叶变换法进行提取信号。
3.根据权利要求1中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，其特征在于：所述步骤(a)、所述步骤(c)和所述步骤(e)均通过信号采样通道进行采集。
4.根据权利要求3中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，其特征在于：所述信号采样通道为电流传感器或电压传感器。
5.根据权利要求1中所述的基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法，其特征在于：所述步骤(b)、所述步骤(d)和所述步骤(f)均采用克拉克变换法进行转换。
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