CN112803415A - 一种基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，包括，将接入电网的电源侧经负载侧、直流侧和馈能侧并网；利用谐波电流监测电路检测电网电压及电源侧的负载电流，并计算瞬时有功电流和无功电流的直流分量，进而得到谐波分量；通过电流跟踪控制电路对所述谐波分量实时跟踪，得到开关驱动信号；驱动电路通过所述开关驱动信号控制馈能侧动作，产生与电流谐波大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，与谐波电流相抵；采用馈能式电力电子负载，负载的模式与参数设定简单，可以很有效的模拟出非线性负载，而且可以实时的将所吸收的电能回馈电网，减少能量的浪费。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展以及开关器件性能的提高，使得越来越多的电力电子设备进入到我们的日常生活和工业生产中，大量的电力电子电源设备如不间断电源UPS、电机传动系统变频电源和通信系统直流电源等已广泛地被应用于日常生活和工业生产的各个领域，为了保证电力电子电源设备在实际工作时的稳定性和可靠性，在其出厂之前要对这些电源设备进行长时间(如24～72小时)的各种老化测试、以及输入输出特性等测试，以检验这些电源设备的可靠性及测试其技术指标和电气性能。在对这些电源设备进行稳态测试时，被试电源要带额定的或者比额定负载稍重的负载，这些负载有电阻性负载或者阻感性负载以及二极管不控整流器等非线性负载，有些应用场合还要测试在阻容性负载下电源的特性，在对这些电源进行动态测试时，要频繁地进行负载的投切实验。
传统的做法是采用电阻、电感和电容箱或者二极管不控整流桥来用作被试电源的负载，这种利用这些无源器件对被试电源进行老化和电气性能测试的方法有以下众多的缺点：
(1)使用电阻箱作为被试电源的负载，则被试电源输出的大量能量都会变成热量消耗掉，系统测试效率极低，尤其是在大量的被试电源同时进行测试时情形尤为严重；
(2)使用这些耗能元件对电源进行测试时，需要大量的专门的通风系统来散热，且在一定装机容量的厂房下同时待测试的电源数量有限，且测试场地相对比较大；
(3)负载调节只能为有级调节，动态测试时负载的频繁投切比较容易损坏负载和被试电源，而且操作比较复杂，需要严密的巡查措施；
(4)当待测试的被试电源向电网输出的谐波电流比较大时，如交流不间断电源输入整流部分采用二极管不控整流时，需要专门的有源滤波设备；
(5)无法连续地动态地模拟电动机传动系统的电动机端口伏安特性。
而采用由全控性开关器件组成的电力电子负载，配合合适的控制策略代替传统的无源负载对各种被试电源进行出厂测试，就可以很好地解决由传统测试方法带来的各种缺点，极大地优化了测试的规程和降低了测试的复杂程度。在对被试电源进行测试的过程中，利用电力电子负载对被试电源进行老化及电气特性测试的一个很重要的优点是其不仅可以模拟传统的阻性负载、阻感性负载，并能实现这些负载的无级调节，还可以动态地模拟传动系统电动机的端口伏安特性，在电力电子负载动态响应速度允许的条件下还可以模拟二极管不控整流器等非线性负载。当电力电子负载在非线性负载的工况下，直流母线会包含丰富的谐波电压，这些谐波分量通过PWM调制过程和电压外环控制器会引入到并网指令电流中，导致馈网电流质量的下降，随着现代工业技术的快速发展，对电力的需求量逐年增高，人们对电网质量的要求也越来越高。电力电子技术的蓬勃发展间接导致了日益严重的谐波污染问题，严重威胁到电力系统的安全性和稳定性，因此必须进行谐波治理。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的技术问题是解决的是由非线性负载造成的逆变并网电流谐波抑制的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，包括，
将接入电网的电源侧经负载侧、直流侧和馈能侧并网；
利用谐波电流监测电路检测电网电压及电源侧的负载电流，并计算瞬时有功电流和无功电流的直流分量，进而得到谐波分量；
通过电流跟踪控制电路对所述谐波分量实时跟踪，得到开关驱动信号；
驱动电路通过所述开关驱动信号控制馈能侧动作，产生与电流谐波大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，与谐波电流相抵。
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量得获取过程为：
将三相静止坐标系下的电压和三相负载电流变换到两相静止坐标系中；
计算出瞬时有功电流和无功电流；
分别计算出瞬时有功电流和无功电流的直流分量。
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述谐波分量的计算过程为：
将所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量反变换得到换得到三相基波电流；
将三相电流与反变换得到的三相基波电流分别相减，即可得到三相电流的谐波分量。
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述模拟负载侧模拟的是非线性电力电子负载，每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂有上下2个二极管；
所述馈能侧为电压型逆变器，其每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂由全控器件IGBT和其反并联的二极管构成。
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述三相静止坐标系下的电压为：
式中：E以及ea,eb,ec分别为三相输入电压的有效值和瞬时值；ω为电源角频率，t为时间。
所述三相负载电流表示为
式中参数：ia,ib,ic为三相负载电流，ω为角频率，n为谐波次数，θ为初相角
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：根据功率不变，将三相静止ABC坐标系下的电压、电流值经C3s/2s变换到两相静止坐标系中，得到：
式中：C3s/2s为转换矩阵。
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：瞬时有功电流ip和无功电流iq的计算公式为：
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量的表达式为:
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述三相基波电流为：
将所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量反变换得到三相基波电流，其表达式为：
作为本发明所述基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的一种优选方案，其中：所述谐波分量为：
将三相电流ia,ib,ic与反变换得到的三相基波电流iaf,ibf,icf分别相减，得到三相电流的谐波分量iah,ibh,ich即
本发明的有益效果：1)采用馈能式电力电子负载，负载的模式与参数设定简单，可以很有效的模拟出非线性负载，而且可以实时的将所吸收的电能回馈电网，减少能量的浪费。
2)该方法同时实现电流谐波检测、电流跟踪控制，且实现简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明提供的一种实施例所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的拓扑结构图；
图2为本发明提供的一种实施例所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法的系统控制框图；
图3为本发明提供的一种实施例所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法未补偿的电流波形；
图4为本发明提供的一种实施例所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法补偿后电网电流波形。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1～4，本实施例提供了一种基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，包括，
将接入电网的电源侧经负载侧、直流侧和馈能侧并网；
利用谐波电流监测电路检测电网电压及电源侧的负载电流，并计算瞬时有功电流和无功电流的直流分量，进而得到谐波分量；
通过电流跟踪控制电路对所述谐波分量实时跟踪，得到开关驱动信号；
驱动电路通过所述开关驱动信号控制馈能侧动作，产生与电流谐波大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，与谐波电流相抵。
所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量得获取过程为：
将三相静止坐标系下的电压和三相负载电流变换到两相静止坐标系中；
计算出瞬时有功电流和无功电流；
分别计算出瞬时有功电流和无功电流的直流分量。
所述谐波分量的计算过程为：
将所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量反变换得到换得到三相基波电流；
将瞬时有功电流和无功电流的直流分量与反变换得到的三相基波电流分别相减，即可得到三相电流的谐波分量。
三相基波电流为三相电流各自的基波分量。
所述模拟负载侧模拟的是非线性电力电子负载，每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂有上下2个二极管；
所述馈能侧为电压型逆变器，其每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂由全控器件IGBT和其反并联的二极管构成。
所述三相静止坐标系下的电压为：
式中：E以及ea,eb,ec分别为三相输入电压的有效值和瞬时值；ω为电源角频率，t为时间。
所述三相负载电流表示为
式中参数：ia,ib,ic为三相负载电流，ω为角频率，n为谐波次数，θ为初相角
根据功率不变，将三相静止ABC坐标系下的电压、电流值经C3s/2s变换到两相静止坐标系中，得到：
式中：C3s/2s为转换矩阵。
通过电压获取相位信息
瞬时有功电流ip和无功电流iq的计算公式为：
所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量的表达式为:
所述三相基波电流为：
将所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量反变换得到三相基波电流，其表达式为：
所述谐波分量为：
将三相电流ia,ib,ic与反变换得到的三相基波电流iaf,ibf,icf分别相减，得到三相电流的谐波分量iah,ibh,ich即
在本实施例中，主电路拓扑结构由三相电压型逆变器以背靠背方式运行的电路构成，其结构包括模拟负载侧和馈能侧，模拟负载侧模拟的是非线性电力电子负载，每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂有上下2个二极管(VD)，直流输出侧并联一个电容，馈能侧电压型逆变器每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂由全控器件IGBT(V)和其反并联的二极管(VD)构成，有源电力滤波器控制电路由电流谐波检测、电流跟踪控制以及驱动电路构成。
本发明提供一种非线性电力电子负载及其谐波抑制的方法，基于电力电子负载模拟出非线性负载，通过有源电力滤波器控制电路控制馈能侧逆变器各个桥臂中IGBT的通断。
具体的，首先运用二极管的不控整流，提供一个非线性负载；其次通过电流谐波检测电路对电网电压、负载电流进行检测和计算，得到补偿电流，电流跟踪控制电路对其进行实时跟踪，产生相应的开关驱动信号，来控制逆变器各桥臂IGBT的通断，产生与电流谐波大小相等、方向相反的补偿电流，注入电网中，补偿电流与电流中要补偿的谐波电流相抵消，从而实现了谐波的抑制。
本发明采用馈能式电力电子负载，负载的模式与参数设定简单，可以很有效的模拟出非线性负载，而且可以实时的将所吸收的电能回馈电网，减少能量的浪费；同时实现电流谐波检测、电流跟踪控制，且实现简单。
参照图2，首先，从电网侧获取电网电压，经过锁相环(PLL)可以获取电网电压的相位信息。然后，将负载侧三相电流，经过谐波电流检测输出谐波电流，再将通过补偿电流计算输出的补偿电流与谐波电流通过比较器，其输出由相应的PI调节器调节，经调节后输出的电压信号与电网电压前馈信号一起通过正弦脉宽调制(SPWM)，即可得到馈能侧逆变器相应的开关驱动信号。
参照图3和4，图3为APF未投入工作时的电流波形，由于非线性负载，引起电流畸变从而形成“马鞍”波形。图4为APF投入工作时的电流波形，从波形图可知，经过APF补偿的电流谐波含量大大降低，输出电流波形为近似的正弦波，且幅值与补偿前的幅值相差不大。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：包括，
将接入电网的电源侧经负载侧、直流侧和馈能侧并网；
利用谐波电流监测电路检测电网电压及电源侧的负载电流，并计算瞬时有功电流和无功电流的直流分量，进而得到谐波分量；
通过电流跟踪控制电路对所述谐波分量实时跟踪，得到开关驱动信号；
驱动电路通过所述开关驱动信号控制馈能侧动作，产生与电流谐波大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，与谐波电流相抵。
2.根据权利要求1所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量得获取过程为：
将三相静止坐标系下的电压和三相负载电流变换到两相静止坐标系中；
计算出瞬时有功电流和无功电流；
分别计算出瞬时有功电流和无功电流的直流分量。
3.根据权利要求1或2所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述谐波分量的计算过程为：
将所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量反变换得到换得到三相基波电流；
将三相电流与反变换得到的三相基波电流分别相减，即可得到三相电流的谐波分量。
4.根据权利要求3所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述模拟负载侧模拟的是非线性电力电子负载，每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂有上下2个二极管；
所述馈能侧为电压型逆变器，其每一相电路包括上下两桥臂，每一桥臂由全控器件IGBT和其反并联的二极管构成。
5.根据权利要求4所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述三相静止坐标系下的电压为：
式中：E以及ea,eb,ec分别为三相输入电压的有效值和瞬时值；ω为电源角频率，t为时间；
所述三相负载电流表示为
式中参数：ia,ib,ic为三相负载电流，ω为角频率，n为谐波次数，θ为初相角。
6.根据权利要求5所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：根据功率不变，将三相静止ABC坐标系下的电压、电流值经C3s/2s变换到两相静止坐标系中，得到：
式中：C3s/2s为转换矩阵。
7.根据权利要求4～6任一所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：
瞬时有功电流ip和无功电流iq的计算公式为：
8.根据权利要求7所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量的表达式为:
9.根据权利要求8所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述三相基波电流为：
将所述瞬时有功电流和无功电流的直流分量反变换得到三相基波电流，其表达式为：
10.根据权利要求8或9所述的基于电力电子负载的逆变并网电流谐波抑制的方法，其特征在于：所述谐波分量为：
将三相电流ia,ib,ic与反变换得到的三相基波电流iaf,ibf,icf分别相减，得到三相电流的谐波分量iah,ibh,ich即
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