CN112636351A - 电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法 - Google Patents

电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法，提取并网点交流电网电压作为锁相环参考相位信号，将输出电流作闭环电流控制，采集并将电压直流侧电容电压作直流电压环控制；采用滑动傅里叶变换提取负载电流的谐波部分作谐波电流参考，同时作为输出电流控制环路的目标参考电压；通过FFT分析确定需要消除的背景谐波电压的频率，将所述的并网点交流电网电压采用滑动傅里叶变换提取对应频率谐波电压，加到输出电流控制环路输出上做前馈控制。与现有技术相比，本发明能在谐波补偿的同时抑制电网背景谐波和系统其他干扰源引发的谐振，算法简单，显著提升混合有源滤波并网适应复杂工况的能力。

Description

电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，尤其涉及一种电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法。
背景技术
现代电力设备大部分都采用电力电子装备，新能源分布式发电和直流负载的普及大大提高了电力电子设备在一般电网负荷中的占比。由于这些特殊负载或发电单元通常都存在严重的谐波问题，新加大功率电力电子设备容易导致弱电网下发生系统谐振。因而一般较大功率的电力电子设备都要求加有源或无源滤波进行电能质量治理。但新增的电能质量治理设备也是引入了额外的电力电子装备，降低系统惯量的同时降低了系统对背景谐波电压的耐受力。随着电力电子装备在电网的渗透率大幅增加，电能质量治理设备需求扩大，治理容量要求范围不断扩大。
混合有源滤波器有设备成本低，使用开关频率范围广等优点，是未来电能质量治理的主要发展方向。传统的控制方法只注重谐波电流的治理，没有考虑在电网存在背景谐波电压的恶劣工况下容易引发系统谐振的问题，限制其推广应用。行业内通常采用结合有源滤波和无源滤波的混合系统，但混合系统容易引发宽频振荡等问题。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。现有技术中采用了基于虚拟阻抗的电阻型有源滤波器。但这种滤波器采用谐波并联小阻尼电阻的方法，降低了系统的总等效阻尼或惯量，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。
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
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法，本发明能在谐波补偿的同时抑制电网背景谐波和系统其他干扰源引发的谐振，算法简单，显著提升混合有源滤波并网适应复杂工况的能力。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的控制方法，通过采用宽频带多重谐振控制器的输出电流闭环来实现谐波补偿，降低电网谐波电流。采用前馈并网节点电压谐波分量来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，提取并网点交流电网电压作为锁相环参考相位信号，将输出电流作闭环电流控制，采集并将电压直流侧电容电压作直流电压环控制；
步骤2，采用滑动傅里叶变换提取负载电流的谐波部分作谐波电流参考，同时作为输出电流控制环路的目标参考电压；
步骤3，通过FFT分析确定需要消除的背景谐波电压的频率，将所述的并网点交流电网电压采用滑动傅里叶变换提取对应频率谐波电压，加到输出电流控制环路输出上做前馈控制。
作为对本发明中所述的电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的控制方法的改进，所述步骤1包括：
(a)采集所述并网接入点交流电网电压和混合有源滤波器输出电流，并分别转换为α-β坐标系下的信号；
(b)采集所述电压直流侧电容电压；
(c)将输出电流做闭环电流控制，将电压直流侧电容电压作直流电压环控制，两个环路均为负反馈控制；
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，所述混合有源滤波器输出电流用于电流内环负反馈控制，所述电压直流侧电容电压用于作直流电压环负反馈控制，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电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的控制方法的改进，所述步骤2包括：
(d)采用滑动傅里叶变换提取负载电流的谐波部分作谐波电流参考，作为电流内环的目标参考值；
作为对本发明中所述的电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的控制方法的改进，所述步骤3包括：
(e)通过FFT分析确定需要消除的背景谐波电压的频率；
(f)根据步骤(e)中确定的频率，将并网点交流电网电压用滑动傅里叶变换提取对应频率谐波电压；
(g)将步骤(f)中提取的电压信号加到输出电流控制输出上做前馈控制；
作为对本发明中所述的电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的控制方法的改进，步骤(f)中将提取的电网谐波电压信号作为前馈信号。
本发明的优点是：本发明能在谐波补偿的同时抑制电网背景谐波和系统其他干扰源引发的谐振，算法简单，显著提升混合有源滤波并网适应复杂工况的能力。
附图说明
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)为本发明中输出电压最终等效原理示意图；
图2(c)为本发明中控制原理分解示意图；
图3(a)为本发明中不同电压工况下的电压波形图；
图3(b)为本发明中不同电压工况下的负载电流波形图；
图4(a)为无背景谐波电压时谐波补偿结果图；
图4(b)为有背景谐波电压时谐波补偿结果图；
图4(c)为消除背景谐波电压影响时谐波补偿结果图；
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。
一种电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法，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，提取并网点交流电网电压作为锁相环参考相位信号，将输出电流作闭环电流控制，采集并将电压直流侧电容电压作直流电压环控制；
步骤2，采用滑动傅里叶变换提取负载电流的谐波部分作谐波电流参考，同时作为输出电流控制环路的目标参考电压；
步骤3，通过FFT分析确定需要消除的背景谐波电压的频率，将所述的并网点交流电网电压采用滑动傅里叶变换提取对应频率谐波电压，加到输出电流控制环路输出上做前馈控制。
在本实施例中，以下列系统参数和控制参数进行MTALAB/Simulink仿真。
Figure BDA0002847748810000041
优选的，步骤1，采集并网点交流电网电压作锁相环控制；采集混合有源滤波输出电流和电压直流侧电容电压，将输出电流做闭环电流控制和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α-β坐标系下的参考信号，分别为Vpcc(α-β)和Vdc。将Vpcc(α-β)输入三相电压锁相环(PLL)，如图利用锁相环产生的ω0产生基波电流参考信号。设定直流电压的目标参考电压值为
Figure BDA0002847748810000051
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
Figure BDA0002847748810000052
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输出谐波类型和大小时维持系统稳定。
采集输出电流ILine(abc)信号并通过克拉克变换转为ILine(αβ)，以
Figure BDA0002847748810000053
为参考值，以ILine(αβ)作为负反馈信号，控制器采用多重比例谐振控制器，构建电流负反馈内环。示例中的比例谐振控制器的具体公式为：
Figure BDA0002847748810000054
优选的，步骤2，采集负载电流，采用滑动傅里叶变换提取负载电流的谐波部分作谐波电流参考，加到输出电流控制环路上的具体步骤如下：
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)提取谐波分量。将谐波分量加入到控制参考电流信号
Figure BDA0002847748810000055
中。
优选的，步骤3中通过FFT分析确定需要消除的背景谐波电压的频率，将并网点交流电网电压用滑动傅里叶变换提取对应频率谐波电压，加到输出电流控制输出上做前馈控制的具体步骤如下：
通过FFT分析采集的PCC节点电压，分析需要抑制的背景谐波电压的频率，根据所选频率确定需要使能的滑动傅里叶变换SDFT(h)，提取PCC节点的谐波输出电压参考值
Figure BDA0002847748810000056
将其作为前馈控制信号加到电流内环的输出上，得到PWM参考信号。将该PWM参考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。
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
Figure BDA0002847748810000061
和
Figure BDA0002847748810000062
两个成分，分别用于实现谐波治理和背景谐波电压抑制。图中将负载电流等效为电流源。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。根据叠加定理，可将如图2(b)如图2(c)所示分解为电流补偿和背景谐波电压抑制2个原理示意图。左侧图将
Figure BDA0002847748810000063
控制为受控电流源，由于串联电容的阻抗值较大，其输出阻抗的主要部分是串联电容。对PCC节点列KCL可知，受控电流源可完全补偿由负载产生的谐波电流，从而电网侧谐波电流被消除至0。右侧图所示为背景谐波抑制原理图，当使的
Figure BDA0002847748810000064
电压约等于PCC节点电压时，混合有源滤波的输出电容两端电压差为0，背景谐波电压的影响被消除。系统补偿谐波的原理在于电流源的互相抵消，而谐振抑制的机理是电压源的差模电压抑制。
如图4(a)(b)(c)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22.47％。其中State1中混合有源滤波不加谐波控制和阻尼算法，State2加入谐波控制算法的电流波形，治理后电网电流THD只有2.87％。State3加入电网谐波电压的谐波控制算法，治理后电网电流THD增加到7.56％。State4加入抑制电网谐波电压的前馈控制算法，治理后电网电流THD只有3.72％。图3(a)(b)分别为本发明中不同电压工况下的电压波形图和负载电流波形图，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 (2)

1.一种电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，提取并网点交流电网电压作为锁相环参考相位信号，将输出电流作闭环电流控制，采集并将电压直流侧电容电压作直流电压环控制；
步骤2，采用滑动傅里叶变换提取负载电流的谐波部分作谐波电流参考，同时作为输出电流控制环路的目标参考电压；
步骤3，通过FFT分析确定需要消除的背景谐波电压的频率，将所述的并网点交流电网电压采用滑动傅里叶变换提取对应频率谐波电压，加到输出电流控制环路输出上做前馈控制。
2.根据权利要求1所述的一种电网存在背景谐波电压时消除混合有源滤波器谐振的方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：
(a)采集所述并网接入点交流电网电压和混合有源滤波器输出电流，并分别转换为α-β坐标系下的信号；
(b) 采集所述电压直流侧电容电压；
(c) 将输出电流做闭环电流控制，将电压直流侧电容电压作直流电压环控制，两个环路均为负反馈控制。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150326144A1 (en) * 2014-05-09 2015-11-12 Majid Pahlevaninezhad Dc-eliminating current controller for grid-connected dc/ac converters
CN108429284A (zh) * 2018-03-29 2018-08-21 合肥工业大学 基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法
CN110168384A (zh) * 2017-09-08 2019-08-23 深圳欣锐科技股份有限公司 一种谐波检测方法及有源电力滤波器
CN110912150A (zh) * 2019-11-10 2020-03-24 天津大学 一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150326144A1 (en) * 2014-05-09 2015-11-12 Majid Pahlevaninezhad Dc-eliminating current controller for grid-connected dc/ac converters
CN110168384A (zh) * 2017-09-08 2019-08-23 深圳欣锐科技股份有限公司 一种谐波检测方法及有源电力滤波器
CN108429284A (zh) * 2018-03-29 2018-08-21 合肥工业大学 基于电压源输出双馈风电机组的谐波电压比例前馈补偿方法
CN110912150A (zh) * 2019-11-10 2020-03-24 天津大学 一种基于虚拟阻抗的混合有源滤波器并网方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Y. LIU, W. WU, Y. HE, Z. LIN, F. BLAABJERG AND H. S. -H. CHUNG: "An Efficient and Robust Hybrid Damper for LCL- or LLCL-Based Grid-Tied Inverter With Strong Grid-Side Harmonic Voltage Effect Rejection", 《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS》 *
徐永海等: "基于输出电压校正的混合有源滤波器控制策略", 《电力自动化设备》 *

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