CN111200287B - 一种指定谐波电流注入装置及其谐波电流的给定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种指定谐波电流注入装置及其谐波电流的给定方法，属于电力滤波技术领域。其技术方案为：包括三相电源、三相负载以及谐波电流注入装置，还包括用于检测三相负载电流的测量单元，测量单元与谐波电流注入装置之间设置有接口电路，谐波电流注入装置包括直流母线、逆变电路、滤波器和数据采集与控制单元，用于控制逆变电路的空间矢量脉宽调制SVPWM，用于指定谐波电流的计算单元，用于控制直流母线电压的电压控制单元、用于控制三相电流的电流控制单元以及模式判断单元。本发明的有益效果为：可根据用户需求向装置并网点注入任一6k±1次谐波电流，或其中几种谐波的组合，并可根据电力系统负载大小调节输出谐波电流的大小，具有高灵活性和现实意义。

Description

一种指定谐波电流注入装置及其谐波电流的给定方法
技术领域
本发明涉及电力滤波技术领域，尤其涉及一种指定谐波电流注入装置及其谐波电流的给定方法。
背景技术
随着电力电子装置的大量接入，公用电网的谐波污染日趋严重。公用电网中谐波的成分复杂、分布随机，谐波的大小、幅值、频率等参数均不可调，不能进行定量研究。
现有的谐波发生装置如电力有源滤波器(即APF)，能够实现谐波动态跟踪补偿，其输出的补偿电流与负荷电流中的谐波电流大小相等，方向相反，互相抵消，实现滤除谐波的功能。其谐波电流检测(即控制器谐波电流给定)方法主要有两种，第1种基于瞬时功率理论，三相系统中基波电流的功率为直流量，谐波电流的功率为交流量。其检测负荷电流，经过功率运算得到基波功率与谐波功率之和，并减去功率之和的低通滤波结果(基波功率的直流量)，得到谐波功率的交流量；然后通过功率逆运算得到谐波电流，作为APF并网电流控制器的给定。第二种基于坐标变换，基波电流在基波同步旋转坐标系(dq坐标系)中为直流量，谐波电流在dq坐标系中仍为交流量。其检测负荷电流，经过坐标变换得到基波电流与谐波电流分量之和，同样减去其低通滤波结果(基波的直流量)，得到谐波的交流量；然后通过坐标逆变换得到谐波电流，作为APF并网电流控制的给定。
电力有源滤波器(APF)能够输出谐波电流，但不能实现指定谐波注入功能，无法满足模拟谐波源的需求；而且，其控制原理中谐波电流给定计算环节包含滤波器，从原理上就包含一定的惯性滞后，会影响系统的动态性能。
为此，本发明提出了能够满足模拟谐波源需求的一种指定谐波电流注入装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可根据用户需求向装置并网点注入任一6k±1次谐波电流，或其中几种谐波的组合，并根据负载大小调节输出谐波电流的大小，具有高灵活性和现实意义的指定谐波电流注入装置及其谐波电流的给定方法。
本发明是通过如下措施实现的：一种指定谐波电流注入装置，其特征在于，包括三相电源、三相负载以及与所述三相电源和所述三相负载并联的谐波电流注入装置，还包括用于检测三相负载电流的测量单元，所述测量单元与所述谐波电流注入装置之间设置有用于接通所述测量单元和所述谐波电流注入装置的接口电路；
所述谐波电流注入装置包括直流母线、逆变电路、滤波器和数据采集与控制单元，所述数据采集与控制单元包括用于采集电流和电压的采样电路；用于控制所述逆变电路的空间矢量脉宽调制SVPWM，用于指定谐波电流的计算单元，用于控制直流母线电压的电压控制单元、用于控制三相电流的电流控制单元以及模式判断单元；
所述采样电路分别与所述计算单元、电压控制单元、电流控制单元、模式判断单元构成数据通道。
所述采样电路包括三相电流采样电路、三相电压采样电路和直流母线电压采样电路。
所述测量单元包括电流互感器以及信号处理电路。
包括以下步骤：
步骤1：根据实际负载情况是否通过所述接口电路接通所述测量单元与所述谐波电流注入装置，所述模式判断单元通过检测是否有接通信号来判断模式的选定；
步骤2：不接通步骤，所述谐波电流注入装置的输出谐波电流不改变；
接通步骤，所述谐波电流注入装置的输出谐波电流根据负载电流的大小调节。
在所述接通步骤中：
步骤1：将所述采样电路采集到的信号在所述数据采集与控制单元中进行坐标变换，将三相静止abc坐标系变换为基波同步旋转dq坐标系，经过时域坐标变换，频域中各频率分量将向左移动基波角频率；
步骤2：三相中的基波分量经过坐标变换在dq坐标系变为直流量，通过所述电压控制单元进行运算并通过比例积分控制器进行无差控制，然后通过控制三相电流的所述电流控制单元进行运算并通过比例积分控制器进行无差控制；
步骤3：三相中的6k±1次谐波电流在dq坐标系分为正序分量和负序分量，然后通过控制三相电流的所述电流控制单元进行运算并通过谐振控制器进行无差控制；
步骤4：所述指定谐波电流注入装置对指定谐波电流进行运算和分析得到所述指定谐波电流给定的d轴和q轴的分量，然后通过控制三相电流的所述电流控制单元进行运算和所述谐振控制器进行无差控制；
步骤5：经所述比例积分控制器和谐振控制器的信号通过运算分析由所述空间矢量脉宽调制SVPWM进行输出。
所述基波角频率为ω1，坐标变化之后各频率分量比坐标变换之前减小了ω1，所述直流量为ω1-ω1＝0；
所述正序分量为6k+1次谐波，角频率为(6k+1)ω1，坐标变换之后为(6k+1)ω1-ω1＝6kω1，所述负序分量为6k-1次谐波，角频率为-(6k-1)ω1，坐标变换之后为-(6k-1)ω1-ω1＝-6kω1，所述谐振控制器的谐振频率为6k倍基波频率且具有±6kjω1两个极点；
在三相系统中，所述三相电压中的基波正序分量为：
(1)
Figure GDA0003300089320000031
其中ea1、eb1和ec1为所述三相电压的瞬时值，Um1为三相电压的幅值和ω1为基波角频率；
所述三相电流中的基波与各次谐波分量为:
(2)
Figure GDA0003300089320000032
其中，n为谐波次数，其中ian、ibn和icn为三相n次谐波电流的瞬时值，Imn为三相n次谐波电流的幅值和
Figure GDA0003300089320000034
为三相n次谐波电流的初相位，n＝3k时，k为正整数，三相谐波的相位相同且分为零序分量、与基波相序相同的正序谐波以及与基波的相序相反的负序谐波；
所述基波正序分量经过公式:
(3)
Figure GDA0003300089320000033
(4)
Figure GDA0003300089320000041
(5)
Figure GDA0003300089320000042
经(4)和(5)，求得sinθ和cosθ，其中θ＝ω1t，用于实现电网电压锁相功能和所述dq坐标系的同步旋转；
所述6k±1次谐波电流经过公式(3)、(4)可求得其在所述dq坐标系中的表达式为，
(6)
Figure GDA0003300089320000043
(7)
Figure GDA0003300089320000044
当n＝6k+1时，表达式为(6)，当n＝6k-1时，表达式为(7)，通过修改Imn、n和
Figure GDA0003300089320000045
可以修改谐波电流给定的幅值、频率和初相位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：可以通过测量负载电流，并根据负载大小调节输出谐波电流的大小，具有高灵活性和现实意义的指定谐波电流注入装置及其谐波电流的给定方法。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的原理图。
图3为本发明数据采集与控制单元的流程图。
图4为本发明计算单元的原理图。
其中，附图标记为：1、三相电源；2、三相负载；3、谐波电流注入装置；4、测量单元；5、直流母线；6为逆变电路；7、滤波器；8、数据采集与控制单元；9、模式判断单元；10、计算单元。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1，一种指定谐波电流注入装置，包括三相电源1、三相负载2以及与三相电源1和三相负载2并联的谐波电流注入装置3，还包括用于检测三相负载电流的测量单元4，测量单元4与谐波电流注入装置3之间设置有用于接通测量单元4和谐波电流注入装置3的接口电路，其中iloada、iloadb、iloadc为测量的三相负载电流，ea、eb、ec为三相瞬时相电压，eabc为其简写，N’为三相系统中性点。
参见图2，谐波电流注入装置3包括直流母线5、逆变电路6、滤波器7和数据采集与控制单元8，数据采集与控制单元包括用于采集电流和电压的采样电路；用于控制逆变电路的空间矢量脉宽调制SVPWM，用于指定谐波电流的计算单元10，用于控制直流母线电压的电压控制单元、用于控制三相电流的电流控制单元以及模式判断单元9；在数据采集与控制单元8中编程实现信号的采集、转换与控制功能，主要包含电压锁相、直流母线电压控制、三相电流控制和空间矢量脉宽调制(SVPWM)，其中
采样电路分别与计算单元10、电压控制单元、电流控制单元、模式判断单元9构成数据通道。
采样电路包括三相电流采样电路、三相电压采样电路和直流母线电压采样电路。
测量单元4包括电流互感器以及信号处理电路。
谐波电流的给定方法为：
根据实际负载情况是否通过接口电路接通测量单元与谐波电流注入装置，模式判断单元通过检测是否有接通信号来判断模式的选定；
不接通步骤，谐波电流注入装置的输出谐波电流不改变；
接通步骤，谐波电流注入装置的输出谐波电流根据负载电流的大小调节。
在坐标变换将三相静止abc坐标系变换为基波同步旋转dq坐标系，经过时域坐标变换，频域中各频率分量将向左移动ω1(基波角频率)，即坐标变化之后各频率分量比坐标变换之前减小了ω1。三相中的基波分量(abc坐标系)经过坐标变换在dq坐标系为直流量(ω1-ω1＝0)，可以通过比例积分控制器进行无差控制。
三相中的6k±1次谐波电流在dq坐标系为±6k次分量(6k+1次谐波为正序分量，角频率为(6k+1)ω1，坐标变换之后为(6k+1)ω1-ω1＝6kω1；6k-1次谐波为负序分量，角频率为-(6k-1)ω1，坐标变换之后为-(6k-1)ω1-ω1＝-6kω1，谐振频率为6k倍基波频率的谐振(RES)控制器具有±6kjω1两个极点，在±6kω1两个角频率处具有无穷增益，所以只需一个谐振频率为6k倍基波频率的RES控制器就可以实现6k+1和6k-1倍基波频率两个频率分量谐波电流的无差控制。在基波同步旋转dq坐标系中实现指定谐波注入装置的电流控制，相比于在静止坐标系中能够减少大约一半的控制器数量，硬件资源得到显著节约，而且通过多个不同谐振频率的RES控制器的叠加(∑RES)，可以方便的实现更多的谐波电流的同时控制，这使得本发明能够控制并输出任一次谐波电流或者几种谐波的组合。
以下将从坐标变换的角度详细介绍谐波电流的给定方法，即模式判断单元9和指定谐波电流计算单元10的工作原理。
在三相系统中，三相电源中的基波正序分量如式(1)所示：
Figure GDA0003300089320000061
电流中的基波与各次谐波分量如式(2)所示(n可为任何正整数)：
Figure GDA0003300089320000062
在式(2)中，当n＝3k时(k为任何正整数)，三相谐波的相位相同，3、6、9、12、15、18…次谐波为零序分量；当n＝3k+1时，三相谐波的相序与的基波的相序相同，1、4、7、10、13、16、19…次谐波为正序谐波；当n＝3k-1时，三相谐波的相序与的基波的相序相反，2、5、8、11、14、17…次谐波为负序谐波。指定谐波电流注入装置的输出为三相三线制，不考虑零序分量；一般可以忽略电力系统中的偶次谐波，所以只考虑6k±1次谐波。
式(1)中的基波正序电压经过公式(3)、(4)、(5)可求得sinθ1和cosθ1，其中θ1＝ω1t，实现电网电压锁相功能和dq坐标系的同步旋转，以下公式中fA、fB和fC相当与图2中的ia、ib和ic，fα，fβ相当与iα，iβ，fd相当于id，fq相当于iq。
Figure GDA0003300089320000071
Figure GDA0003300089320000072
Figure GDA0003300089320000073
6k±1次谐波电流经过公式(3)、(4)可求得其在dq坐标系中的表达式，当n＝6k+1时，1、7、13、19…次正序谐波在dq坐标系中的表达式如式(6)所示；当n＝6k-1时，5、11、17…次负序谐波在dq坐标系中的表达式如式(7)所示。
Figure GDA0003300089320000074
Figure GDA0003300089320000075
公式(6)、(7)即为正序、负序各次谐波电流给定的表达式。由公式(6)可知，正序谐波的d轴分量超前于q轴分量90°；由公式(7)可知，负序谐波的d轴分量滞后于q轴分量90°；即6k+1次正序谐波与6k-1次负序谐波在dq坐标系中虽然都是6k倍的基波频率，但是它们的d、q轴分量有明显的相位差异，这表明控制系统能够用dq坐标系中的一个频率分量控制abc坐标系中的两个频率分量，而不会造成混乱。而且通过Imn、n和
Figure GDA0003300089320000078
可以方便的修改谐波电流的幅值、频率和初相位。
其中，在图2中ia、ib、ic为三相电流测量值，iabc为其简写，
Figure GDA0003300089320000076
为直流母线电压给定，PI为比例积分电压控制器，其输出为
Figure GDA0003300089320000077
为谐波电流给定的d、q轴分量，id、iq为三相电流的d、q轴分量，iα、iβ为三相电流的α、β轴分量，ed、eq为三相电源电压测量值的d、q轴分量，eα、eβ为三相电源电压测量值的α、β轴分量，
Figure GDA0003300089320000081
为谐波注入装置三相输出电压给定的d、q轴分量，PId、PIq为比例积分控制器，∑RESd、∑RESq为谐振控制器，PId+∑RESd、PIq+∑RESq构成了d、q轴比例积分谐振电流调节器；Sa、Sb和Sc为逆变电路6的三相开关信号。
如图4，以5、7次谐波为例，详细介绍了6k±1次谐波电流给定的计算方法，其中sin6kω1t和cos6kω1t可以利用三角函数加法和倍角公式由电网电压的锁相结果(sinθ1和cosθ1)计算得到。通过不同谐波电流给定的累加即可实现不同频率谐波电流的组合输出。对于模式2，Iload三相负载电流幅值由公式(3)、(4)并进一步由
Figure GDA0003300089320000082
计算得到，谐波电流幅值Imn乘系数Iload/Iload_N可以模拟现实电网中基波电流大谐波电流也大以及基波小谐波电流也小的实际情况，使得本发明更具灵活性和现实意义。
本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种指定谐波电流注入装置，其特征在于，包括三相电源、三相负载以及与所述三相电源和所述三相负载并联的谐波电流注入装置，还包括用于检测三相负载电流的测量单元，所述测量单元与所述谐波电流注入装置之间设置有用于接通所述测量单元和所述谐波电流注入装置的接口电路；
所述谐波电流注入装置包括直流母线、逆变电路、滤波器和数据采集与控制单元，所述数据采集与控制单元包括用于采集电流和电压的采样电路；用于控制所述逆变电路的空间矢量脉宽调制SVPWM，用于指定谐波电流的计算单元，用于控制直流母线电压的电压控制单元、用于控制三相电流的电流控制单元以及模式判断单元；
所述采样电路分别与所述计算单元、电压控制单元、电流控制单元、模式判断单元构成数据通道；
所述采样电路包括三相电流采样电路、三相电压采样电路和直流母线电压采样电路；
所述指定谐波电流注入装置采用如下谐波电流的给定方法，具体为：
步骤1：根据实际负载情况是否通过所述接口电路接通所述测量单元与所述谐波电流注入装置，所述模式判断单元通过检测是否有接通信号来判断模式的选定；
步骤2：不接通步骤，所述谐波电流注入装置的输出谐波电流不改变；
接通步骤，所述谐波电流注入装置的输出谐波电流根据负载电流的大小调节；
在所述接通步骤中包括以下步骤：
步骤1：将所述采样电路采集到的信号在所述数据采集与控制单元中进行坐标变换，将三相静止abc坐标系变换为基波同步旋转dq坐标系，经过时域坐标变换，频域中各频率分量将向左移动基波角频率；
步骤2：三相中的基波分量经过坐标变换在dq坐标系变为直流量，通过所述电压控制单元进行运算并通过比例积分控制器进行无差控制，然后通过控制三相电流的所述电流控制单元进行运算并通过比例积分控制器进行无差控制；
步骤3：三相中的6k±1次谐波电流在dq坐标系分为正序分量和负序分量，然后通过控制三相电流的所述电流控制单元进行运算并通过谐振控制器进行无差控制；
步骤4：所述指定谐波电流注入装置对指定谐波电流进行运算和分析得到所述指定谐波电流给定的d轴和q轴的分量，然后通过控制三相电流的所述电流控制单元进行运算和所述谐振控制器进行无差控制；
步骤5：经所述比例积分控制器和谐振控制器的信号通过运算分析由所述空间矢量脉宽调制SVPWM进行输出。
2.根据权利要求1所述的指定谐波电流注入装置，其特征在于，所述测量单元包括电流互感器以及信号处理电路。
3.根据权利要求1所述的指定谐波电流注入装置，其特征在于，所述基波角频率为ω1，坐标变化之后各频率分量比坐标变换之前减小了ω1，所述直流量为ω1-ω1＝0；
所述正序分量为6k+1次谐波，角频率为(6k+1)ω1，坐标变换之后为(6k+1)ω1-ω1＝6kω1，所述负序分量为6k-1次谐波，角频率为-(6k-1)ω1，坐标变换之后为-(6k-1)ω1-ω1＝-6kω1，所述谐振控制器的谐振频率为6k倍基波频率且具有±6kjω1两个极点；
在三相系统中，所述三相电压中的基波正序分量为：
(1)
Figure FDA0003300089310000021
其中ea1、eb1和ec1为所述三相电压的瞬时值，Um1为三相电压的幅值和ω1为基波角频率；
所述三相电流中的基波与各次谐波分量为:
(2)
Figure FDA0003300089310000022
其中，n为谐波次数，其中ian、ibn和icn为三相n次谐波电流的瞬时值，Imn为三相n次谐波电流的幅值和
Figure FDA0003300089310000023
为三相n次谐波电流的初相位，n＝3k时，k为正整数，三相谐波的相位相同且分为零序分量、与基波相序相同的正序谐波以及与基波的相序相反的负序谐波；
所述三相电压中的基波正序分量经过公式:
(3)
Figure FDA0003300089310000031
(4)
Figure FDA0003300089310000032
(5)
Figure FDA0003300089310000033
其中fA、fB和fC为三相电流测量值，fα，fβ为三相电流的α、β轴分量，fd和fq为三相电流的d、q轴分量；经(3)、(4)和(5)，求得sinθ和cosθ，其中θ＝ω1t，用于实现电网电压锁相功能和所述dq坐标系的同步旋转；
所述6k±1次谐波电流经过公式(3)、(4)可求得其在所述dq坐标系中的表达式为，
(6)
Figure FDA0003300089310000034
(7)
Figure FDA0003300089310000035
当n＝6k+1时，表达式为(6)，当n＝6k-1时，表达式为(7)，通过修改Imn、n和
Figure FDA0003300089310000036
可以修改谐波电流给定的幅值、频率和初相位。
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