CN114123205B - 谐波补偿系统及其相位校正方法与装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种谐波补偿系统的相位较正方法与装置，包括采集谐波补偿系统的变压器侧的基波电压相位；根据基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制谐波补偿系统的谐波补偿装置输出偶次谐波电流至变压器侧；采集变压器侧的偶次谐波电流相位；根据偶次谐波电流相位，得到谐波补偿系统的基波相位差；根据基波相位差发出谐波指令，控制谐波补偿装置较正谐波补偿电流的相位。利用非线性负荷中奇次谐波为主，偶次谐波几乎可忽略的谐波特性，基于变压器侧的基波电压相位向谐波补偿系统注入偶次谐波电流，然后通过采集该偶次谐波电流的相位计算得到基波相位差，以此对谐波补偿电流相位进行校正，从而避免由于基波相位偏差造成的谐波补偿效果不佳的问题。

Description

谐波补偿系统及其相位校正方法与装置

技术领域

本申请涉及谐波补偿技术领域，特别是涉及一种谐波补偿系统及其相位校正方法与装置。

背景技术

随着电力技术的发展，低压配电网中非线性负荷占比日益增加，谐波污染问题日益凸显，不仅使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声、绝缘老化使用寿命缩短，甚至还可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。在低压配电网中，较为严重的便是需要被治理的变压器谐波损耗。

随着电动汽车的发展，越来越多的充电桩被建设，利用与有源滤波器结构一致的充电桩对变压器侧谐波进行补偿具有相当的可行性。但由于电流流过线路中的负载产生的压降，造成了充电桩侧的基波电压相位与变压器侧的基波电压相位存在偏差，如果对此偏差不加考虑，不仅无法起到谐波补偿的效果，还有可能加重谐波污染。

发明内容

基于此，有必要针对充电桩侧的基波电压相位与变压器侧的基波电压相位存在偏差问题，提供一种谐波补偿系统及其相位校正方法与装置。

第一方面，提供一种谐波补偿系统的相位校正方法，所述的方法包括：

采集谐波补偿系统的变压器侧的基波电压相位；

根据所述基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制所述谐波补偿系统的谐波补偿装置输出偶次谐波电流至所述变压器侧；

采集所述变压器侧的偶次谐波电流相位；

根据所述偶次谐波电流相位，得到所述谐波补偿系统的基波相位差；

根据所述基波相位差发出谐波指令，控制所述谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位。

在其中一个实施例中，所述偶次谐波电流指令包括所述偶次谐波电流的幅值以及偶次谐波次数。

在其中一个实施例中，所述根据所述偶次谐波电流相位，得到所述谐波补偿系统的基波相位差，包括：

根据所述偶次谐波电流相位与所述偶次谐波次数的乘积，得到所述谐波补偿系统的基波相位差。

在其中一个实施例中，所述谐波指令包括所述基波相位差、所述谐波补偿电流的幅值以及所述谐波次数。

第二方面，提供一种谐波补偿系统的相位校正装置，用于实现上述的谐波补偿系统的相位校正方法，包括控制模块与检测模块，所述检测模块连接谐波补偿系统的变压器侧以及所述控制模块，所述控制模块连接所述谐波补偿系统的谐波补偿装置；

所述检测模块用于采集所述变压器侧的基波电压相位和偶次谐波电流相位，并发送至所述控制模块；

所述控制模块用于根据所述基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制所述谐波补偿装置输出偶次谐波电流至所述变压器侧；所述控制模块还用于根据所述偶次谐波电流相位发出谐波指令，控制所述谐波补偿装置校正其谐波补偿电流的相位。

在其中一个实施例中，所述检测模块包括电压检测模块与电流检测模块，所述电压检测模块与所述电流检测模块均连接所述变压器侧以及所述控制模块，所述电压检测模块用于采集所述基波电压相位，所述电流检测模块用于采集所述偶次谐波电流相位。

在其中一个实施例中，所述电压检测模块为相位传感器，所述电流检测模块为电流传感器。

在其中一个实施例中，所述控制模块为数字信号处理器。

第三方面，提供一种谐波补偿系统，包括变压器、谐波补偿装置以及上述的谐波补偿系统的相位校正装置，所述相位校正装置连接所述变压器以及所述谐波补偿装置，所述谐波补偿装置连接所述变压器；

所述相位校正装置用于根据所述变压器的基波电压相位以及偶次谐波电流相位，控制所述谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位；

所述谐波补偿装置用于输出谐波补偿电流给所述变压器进行谐波补偿。

在其中一个实施例中，所述谐波补偿装置为充电桩。

上述谐波补偿系统及其相位校正方法与装置，利用非线性负荷中奇次谐波为主，偶次谐波几乎可忽略的谐波特性，基于变压器侧的基波电压相位向谐波补偿装置发出指令，控制其输出偶次谐波电流，然后通过采集该偶次谐波电流的相位计算得到基波相位差，再根据基波相位差对谐波补偿装置的谐波补偿电流相位进行校正，从而避免由于基波相位偏差造成的谐波补偿效果不佳的问题。

附图说明

图1为变压器侧基波电压相位与充电桩侧基波电压相位偏差示意图；

图2为相位偏差造成的谐波补偿效果示意图；

图3为一实施例中相位校正方法的流程图；

图4为一实施例中相位校正装置的系统框图。

实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。

随着电力系统的发展，低压配电网中非线性负荷的占比日益增加，谐波污染问题日益凸显。而在一个配电网中，由于变压器侧的阻抗较小，谐波电流几乎都流入变压器侧，造成了变压器侧的损耗较为严重，亟待治理。随着电动汽车的发展，越来越多的充电桩被建设，利用与有源滤波器结构一致的充电桩对变压器侧谐波进行补偿具有相当的可行性。但由于变压器侧的基波电流流过线路上的负载到达充电桩时，会存在电压降落。因此，不同节点处的基波电压相位有区别，如图1所示，（a）中变压器侧的基波电压U ₀ 的相位与（b）中充电桩侧的基波电压U ₁ 的相位相差22.5°。而充电桩发出谐波电流进行补偿的相位是基于所在节点的，从图1（b）中可以看出充电桩发出的4次谐波补偿电流与变压器侧的4次谐波电流的相位差将达到90°。

进一步地，图2为相位偏差后造成的补偿效果示意图，实线代表变压器侧的谐波电流，虚线表示充电桩侧发出的谐波补偿电流，点划线代表补偿后的最终谐波电流的剩余。可以看出，当相位差为60°时，补偿后的最终谐波电流的剩余与变压器侧的谐波电流一致，没有补偿效果；当相位差小于60°时，补偿后的最终谐波电流的剩余比变压器侧的谐波电流要小，可以达到一定的补偿效果，只有当相位差达到0时，完全抵消变压器侧的谐波电流；当相位差大于60°时，补偿后的最终谐波电流的剩余比变压器侧的谐波电流还要到大，说明不仅没有补偿效果，还会加剧谐波污染情况。因此，如果不对充电桩侧发出的谐波补偿电流进行相位纠正，发出的谐波补偿电流就无法进行有效补偿，也无法达到通过谐波补偿电流治理谐波污染的目的。

在一个实施例中，如图3所示，提供一种谐波补偿系统的相位校正方法，通过采集并根据基波电压相位作为基准发出偶次谐波电流指令，控制谐波补偿系统的谐波补偿装置输出偶次谐波电流至变压器侧，再根据得到的偶次谐波电流相位，得到谐波补偿系统的基波相位差，最后根据基波相位差发出谐波指令，控制谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位，从而避免由于基波相位偏差造成的谐波补偿效果不佳的问题。具体包括以下步骤：

步骤301：采集谐波补偿系统的变压器侧的基波电压相位。

具体地，谐波补偿系统的变压器侧的基波电压相位采集后，用于作为判断谐波补偿电流的基准。在一个实施例中，可直接将采集得到的变压器侧的基波电压相位为认为是0相位，则后续根据此基准输出的偶次谐波电流便可作为参考。

步骤302：根据基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制谐波补偿系统的谐波补偿装置输出偶次谐波电流至变压器侧。

其中，在低压配电网中，对于居民用电设备，基本为单相不可控整流电路。由单相不可控整流原理分析可得，交流侧电流的波形形状由决定，而其幅值则与/>成正比，然后由于交流侧电流是镜像对称的，所以其中不含偶次谐波分量。根据上述的谐波特性，可以采用向谐波补偿系统的变压器侧注入偶次谐波电流的方式，来计算得到基波电压相位差，不会收到原本的奇次谐波的干扰，计算得到的基波电压相位差较为准确。

具体地，偶次谐波电流指令I ₀ 用于输出至谐波补偿系统的谐波补偿装置，谐波补偿装置可根据偶次谐波电流指令I ₀ 做出响应，反馈偶次谐波电流I ₁ 至变压器侧。

在一个实施例中，偶次谐波电流指令I ₀ 包括偶次谐波电流的幅值a以及偶次谐波次数n。

其中，由于根据变压器负荷率的不同以及测量时间的不同，谐波电流的大小都是不尽相同的，因此，偶次谐波电流的幅值a取值根据基波电压U ₀ 的幅值变化情况来决定，在实际使用中根据情况选取，不做限定。另外，偶次谐波电流的谐波次数n并不固定，只要是偶次即可，可以是二次，也可以是更高的偶次谐波，不作此限定。在本实施例中，选用发出谐波次数n为2的二次谐波作为校正相位的依据。

步骤303：采集变压器侧的偶次谐波电流相位。

具体地，由于发出的偶次谐波电流是将采集得到的变压器侧的基波电压相位作为基准，认为变压器侧的基波电压相位为0相位。因此，采集变压器侧的偶次谐波电流相位，便可据此基准输出的偶次谐波电流作为参考。

步骤304：根据偶次谐波电流相位，得到谐波补偿系统的基波相位差。

其中，由于谐波电流相位偏差为基波电压相位差与谐波次数n的乘积，即可根据偶次谐波电流相位，得到谐波补偿系统的基波相位差。

在一个实施例中，步骤304包括：根据偶次谐波电流相位与偶次谐波次数的乘积，得到谐波补偿系统的基波相位差。

具体地，由偶次谐波电流相位计算出当前充电桩的基波电压相位与变压器侧基波电压相位的差值/>：

那么，在本实施例中，选用发出谐波次数n为2的二次谐波作为校正相位的依据时，当前充电桩的基波电压相位与变压器侧基波电压相位的差值为：

步骤305：根据基波相位差发出谐波指令，控制谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位。

具体地，在计算得到基波相位差后，即可根据此相位差发出谐波指令I _n 至谐波补偿装置，控制谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位。可以理解，谐波补偿装置为发出谐波补偿电流至变压器侧进行谐波补偿的装置，谐波指令I _n 中包含有基波相位差，用于对谐波补偿装置发出的谐波补偿电流的相位偏差进行校正。其中，校正的方式并不唯一，可以是谐波补偿装置自身进行指令的纠正，也可以是指令发出时已经按照差值进行纠正，谐波补偿装置只需执行指令即可，不作次限定。

在一个实施例中，谐波指令I _n 包括基波相位差I _n 、谐波补偿电流的幅值e以及谐波次数n。

其中，n为当前需要进行补偿的谐波的谐波次数，e为对应需要进行补偿的谐波电流的幅值，幅值e的计算方式可采用本领域技术人员认可的即可，本申请实施例不作赘述。

上述谐波补偿系统及其相位校正装置与方法，利用非线性负荷中奇次谐波为主，偶次谐波几乎可忽略的谐波特性，基于变压器侧的基波电压相位向谐波补偿装置发出指令，控制其输出偶次谐波电流，然后通过采集该偶次谐波电流的相位计算得到基波相位差，再根据基波相位差对谐波补偿装置的谐波补偿电流相位进行校正，从而避免由于基波相位偏差造成的谐波补偿效果不佳的问题。

在一个实施例中，由于配电网中各种负荷的投切，造成流过线路的电流发生变化，从而使得变压器和充电桩的基波电压相位差值发生变化，因此需要对谐波补偿电流相位进行重新校正。具体地，判断进行重新校正的方式并不唯一，可以是根据预设时间定时对谐波补偿电流相位进行校正，也可以是在采集到的基波电压相位差值大于预设相位差时进行校正。其中，预设时间与预设相位差均不固定，可根据实际需求设定。进一步地，重新校正过程为再次执行如上述步骤301至步骤305。

应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图4所示，提供一种谐波补偿系统的相位校正装置，用于实现上述的相位校正方法，包括控制模块410与检测模块420，检测模块420连接谐波补偿系统的变压器侧以及控制模块410，控制模块410连接谐波补偿系统的谐波补偿装置，检测模块420用于采集变压器侧的基波电压相位和偶次谐波电流相位，并发送至控制模块410；控制模块410用于根据基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制谐波补偿装置输出偶次谐波电流至变压器侧；控制模块410还用于根据偶次谐波电流相位发出谐波指令，控制谐波补偿装置校正其谐波补偿电流的相位。

其中，控制模块410为可实现谐波检测、相位计算以及指令下发等功能的控制器。控制器的具体类型并不固定，在其中一个实施例中，控制模块410为数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）。检测模块420连接控制模块410，并将其采集的变压器侧的基波电压相位和偶次谐波电流相位发送给控制模块410，以辅助控制模块410完成相应指令下发的功能。另外，控制模块410与谐波补偿系统的谐波补偿装置的连接方式并不唯一，可以是采用谐波补偿装置本身已具有的通信线路，也可以是采用无线通信的方式。

在一个实施例中，检测模块420包括电压检测模块与电流检测模块，电压检测模块与电流检测模块均连接变压器侧以及控制模块410，电压检测模块用于采集基波电压相位，电流检测模块用于采集偶次谐波电流相位。在一个实施例中，电压检测模块为相位传感器，电流检测模块为电流传感器。

在一个实施例中，相位校正装置用于实现以下步骤的相位校正方法，先采用电压检测模块采集谐波补偿系统的变压器侧的基波电压相位，并发送至控制模块410。控制模块410根据基波电压相位，发出包括有偶次谐波电流的幅值a以及偶次谐波次数n的偶次谐波电流指令I ₀ ，谐波补偿装置根据偶次谐波电流指令I ₀ 做出响应，反馈偶次谐波电流I ₁ 至变压器侧。由于发出的偶次谐波电流是将采集得到的变压器侧的基波电压相位作为基准，认为变压器侧的基波电压相位为0相位。因此，采集变压器侧的偶次谐波电流相位，便可据此基准输出的偶次谐波电流作为参考。再根据偶次谐波电流相位/>与谐波次数n的乘积，得到谐波补偿系统的基波相位差/>。在计算得到基波相位差/>后，控制模块410即可根据此相位差发出谐波指令I _n 至谐波补偿装置，控制谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位。

相位校正装置所提供的解决问题的实现方案与上述相位校正方法中所记载的实现方案相似，故上述所提供的一个或多个相位校正装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于相位校正方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，如图4所示，提供一种谐波补偿系统，包括变压器、谐波补偿装置以及上述的相位校正装置，相位校正装置连接变压器以及谐波补偿装置，谐波补偿装置连接变压器；相位校正装置用于根据变压器的基波电压相位以及偶次谐波电流相位，控制谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位；谐波补偿装置用于输出谐波补偿电流给变压器进行谐波补偿。

具体地，由于在低压配电网，变压器侧的阻抗较小，谐波电流几乎都流入变压器侧，造成了变压器侧的损耗较为严重，因此，采用谐波补偿装置输出谐波补偿电流给变压器进行谐波补偿。其中，谐波补偿装置的形式并不唯一，可以采用有源滤波器实现，也可以是采用与有源滤波器电路拓扑结构一致的其他装置实现。在一个实施例中，谐波补偿装置为充电桩。其中，充电桩的电路拓扑结构与有源滤波器一致，但其电路参数以及连接位置造成可能存在相位偏差，补偿效果也有影响，因此在系统中加入相位校正装置以辅助充电桩实现谐波补偿功能。采用现有的充电桩实现谐波补偿，避免增加有源滤波器，达到了节约成本的目的。

进一步地，相位校正装置与充电桩通过无线的方式连接，或者通过充电桩本身具有的通信线路进行指令的下达。充电桩接到偶次谐波电流指令后，输出偶次谐波电流以供变压器侧进行检测，相位校正装置在根据计算得到的基波相位差发出谐波指令，充电桩收到谐波指令后，按照控制策略在充电桩本身的控制器中进行实现，控制充电桩发出相应的谐波补偿电流，通过供电线路流回变压器侧实现谐波补偿。

谐波补偿系统所提供的解决问题的实现方案与上述相位校正方法与装置中所记载的实现方案相似，故上述所提供的一个或多个谐波补偿系统实施例中的具体限定，可以参见上文中对于相位校正方法与装置的限定，在此不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种谐波补偿系统的相位校正方法，其特征在于，所述的方法包括：

采集谐波补偿系统的变压器侧的基波电压相位；

根据所述基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制所述谐波补偿系统的谐波补偿装置输出偶次谐波电流至所述变压器侧；

采集所述变压器侧的偶次谐波电流相位；

根据所述偶次谐波电流相位与偶次谐波次数的乘积，得到所述谐波补偿系统的基波相位差；

根据所述基波相位差发出谐波指令，控制所述谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位。

2.根据权利要求1所述的相位校正方法，其特征在于，所述偶次谐波电流指令包括所述偶次谐波电流的幅值以及所述偶次谐波次数。

3.根据权利要求2所述的相位校正方法，其特征在于，所述的方法还包括：

在采集到的所述变压器侧的基波电压相位与所述谐波补偿装置的基波电压相位的差值大于预设相位差的情况下，重新进入根据所述基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制所述谐波补偿系统的谐波补偿装置输出偶次谐波电流至所述变压器侧的步骤。

4.根据权利要求1所述的相位校正方法，其特征在于，所述谐波指令包括所述基波相位差、所述谐波补偿电流的幅值以及谐波次数。

5.一种谐波补偿系统的相位校正装置，用于实现权利要求1-4中任意一项所述的谐波补偿系统的相位校正方法，其特征在于，包括控制模块与检测模块，所述检测模块连接谐波补偿系统的变压器侧以及所述控制模块，所述控制模块连接所述谐波补偿系统的谐波补偿装置；

所述检测模块用于采集所述变压器侧的基波电压相位和偶次谐波电流相位，并发送至所述控制模块；

所述控制模块用于根据所述基波电压相位发出偶次谐波电流指令，控制所述谐波补偿装置输出偶次谐波电流至所述变压器侧；所述控制模块还用于根据所述偶次谐波电流相位与偶次谐波次数的乘积，得到所述谐波补偿系统的基波相位差，并根据所述基波相位差发出谐波指令，控制所述谐波补偿装置校正其谐波补偿电流的相位。

6.根据权利要求5所述的相位校正装置，其特征在于，所述检测模块包括电压检测模块与电流检测模块，所述电压检测模块与所述电流检测模块均连接所述变压器侧以及所述控制模块，所述电压检测模块用于采集所述基波电压相位，所述电流检测模块用于采集所述偶次谐波电流相位。

7.根据权利要求6所述的相位校正装置，其特征在于，所述电压检测模块为相位传感器，所述电流检测模块为电流传感器。

8.根据权利要求5所述的相位校正装置，其特征在于，所述控制模块为数字信号处理器。

9.一种谐波补偿系统，其特征在于，包括变压器、谐波补偿装置以及权利要求5-8中任一项所述的谐波补偿系统的相位校正装置，所述相位校正装置连接所述变压器以及所述谐波补偿装置，所述谐波补偿装置连接所述变压器；

所述相位校正装置用于根据所述变压器的基波电压相位以及偶次谐波电流相位，控制所述谐波补偿装置校正谐波补偿电流的相位；

所述谐波补偿装置用于输出谐波补偿电流给所述变压器进行谐波补偿。

10.根据权利要求9所述的谐波补偿系统，其特征在于，所述谐波补偿装置为充电桩。