CN116247637B - 一种自适应谐波能量抑制器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应谐波能量抑制器的控制方法，主要包括分频振荡抑制器和小波包振荡检测器，其中，分频振荡抑制器可以实现对直流母线电压中振荡幅值较大的谐波频率进行提取，结合谐波能量抑制器的工作特性，可以有效地抑制对应频率的谐波，减小母线电压的振荡，增强系统的稳定性。小波包振荡检测器可对直流母线电压信号进行分解与重构，可以选取其中谐波能量较高的谐波频率来作为分频振荡抑制器的输出参考。本发明可以根据实际直流微网中的母线电压进行检测，灵活地抑制其中振荡幅值占比较高的谐波，能够有效地减小直流微网中由于多变换器互联时所带来的电压振荡，改善微网电能质量。

Description

一种自适应谐波能量抑制器的控制方法

技术领域

本发明涉及新能源分布式发电领域，特别是自适应谐波能量抑制器的控制方法。

背景技术

分布式发电技术因其灵活性高、损耗低、成本少和节能环保等优点，成为了新能源发电领域的研究热点，直流微电网则是分布式电源供能的有效途径之一，因其无需对电网频率和电压进行跟踪，更少的电能变换环节，更高的系统转换效率等各种优点，使得直流微电网成为学者们的研究热点。但在直流微电网中存在着大量的电力电子器件，例如各种变流装置、调压装置、整流装置等，这些装置给直流微电网带来了大量的谐波分量。为了保证供电的质量，避免谐波的危害加剧，许多学者对于谐波的抑制进行了广泛的研究，在微网中增加振荡抑制装置便是其中的一种方法。有源谐波抑制装置可以检测电路中的谐波，通过生成与需抵消的谐波幅值相等的反向电流输送回母线，可实现主动追踪和抑制微网振荡。

发明内容

为解决上述问题，本发明所提供的技术方案是：

1)以分布式电源为输出源的主电路，其中分布式电源包括储能单元和双向DC-DC变换器，维持着直流母线电压U_dc，而主电路的输出为恒功率负荷；

2)谐波能量抑制器的主电路包括电力MOSFET器件T₁与T₂，辅助电感器L以及辅助电容器C_b，辅助电感器L与辅助电容器C_b串联后，与电力MOSFET器件T₂并联，而电力MOSFET器件T₁源极与电力MOSFET器件T₂漏极相连，电力MOSFET器件T₁漏极与直流母线电容C_dc正极相连，电力MOSFET器件T₂源极与直流母线电容C_dc负极相连；

3)直流母线电压U_dc通过谐波能量抑制器的作用，可在辅助电感L处产生辅助电感电流I_L，并对辅助电容C_b进行充电和放电，生成振荡幅值相等的反向电流；

4)在谐波能量抑制器的控制部分，对直流母线电压U_dc、辅助电感电流I_L和辅助电容电压U_b分别进行采样；

5)小波包振荡检测器采用db44小波包进行直流母线电压U_dc的分解与重构，直流母线电压U_dc经过小波包振荡检测器之后，以各子频带中的谐波信号能量为参考对象，提取其中谐波信号能量较大的谐波所对应的子频带内的频率作为小波包振荡检测器的输出，经过分频振荡抑制器H_v(s)和谐波电压增益系数k_v得到各频次的谐波电压分量，并将这些谐波电压分量相加，得到谐波电压输出ΔU_dc，其中，小波包振荡检测器中小波包系数的递推公式为：

其中，f_i,j,m表示第j层的第m个节点所处横坐标对应是i时的小波包系数，m＝0,1,2,3,…,2^j-1，h(k-2i)和g(k-2i)分别表示低通滤波器和高通滤波器系数；

小波包振荡检测器中各子频带信号重构的表达式为：

各子频率谐波能量E_m的计算公式为：

其中，M为第m个节点的长度，在所有节点中选出谐波能量较大的总节点个数为n个，其中第v个能量较大的谐波作为抑制对象，该子频率谐波的谐波电压增益系数k_v为：

其中，E_v为第v个子频率谐波能量，n为已选择谐波能量较大的总节点个数，v＝1,2,3,…,n，E_q为每个已选择子频率谐波的能量，q＝1,2,3,…,n；

分频振荡抑制器H_v(s)的表达式为：

其中，ξ为分频振荡抑制器的阻尼系数，ω_v是谐波角频率，s＝jω，j是虚部单位符号，ω是电网角频率；

谐波电压输出ΔU_dc表达式为：

6)将辅助电容电压参考值U_b ^*与辅助电容电压U_b进行相减后，再经过直流电压环PI控制器G_U(s)得到辅助电容电压控制输出ΔU_b，其中，直流电压环PI控制器G_U(s)的表达式为：G_U(s)＝k_pu+k_iu/s，k_pu是直流电压环PI控制器的比例系数，k_iu是直流电压环PI控制器的积分系数；

7)将谐波电压输出ΔU_dc与辅助电容电压控制输出ΔU_b进行相加得辅助电感电流参考值I_L ^*，再与辅助电感电流I_L进行相减后，经过直流电流环PI控制器G_I(s)，输出值即为PWM输入信号，其中，直流电流环PI控制器G_I(s)的表达式为：G_I(s)＝k_pi+k_ii/s，k_pi是直流电流环PI控制器的比例系数，k_ii是直流电流环PI控制器的积分系数。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用自适应谐波能量抑制器的控制方法，主要包括分频振荡抑制器和小波包振荡检测器，其中，分频振荡抑制器可以实现对直流母线电压中振荡幅值较大的谐波频率进行提取，结合谐波能量抑制器的工作特性，可以有效地抑制对应频率的谐波，减小母线电压的振荡，增强系统的稳定性。小波包振荡检测器可对直流母线电压信号进行分解与重构，可以选取其中谐波能量较高的谐波频率来作为分频振荡抑制器的输出参考。本发明可以根据实际直流微网中的母线电压进行检测，灵活地抑制其中振荡幅值占比较高的谐波，能够有效地减小直流微网中由于多变换器互联时所带来的电压振荡，改善微网电能质量。

附图说明

图1为谐波能量抑制器的拓扑结构图及其控制方法；

图2为本发明实施例在加入谐波能量抑制器前后的直流母线电压U_dc波形变化图；

图3为本发明实施例在加入谐波能量抑制器前直流母线电压U_dc的FFT分析示意图；

图4为本发明实施例在加入谐波能量抑制器后直流母线电压U_dc的FFT分析示意图。

具体实施方式

图1为谐波能量抑制器的拓扑结构图以及其实现的控制方法，以分布式电源为输出源的主电路，其中分布式电源包括储能单元和双向DC-DC变换器，维持着直流母线电压U_dc，而主电路的输出为恒功率负荷。

谐波能量抑制器的主电路包括电力MOSFET器件T₁与T₂，辅助电感器L以及辅助电容器C_b，辅助电感器L与辅助电容器C_b串联后，与电力MOSFET器件T₂并联，而电力MOSFET器件T₁源极与电力MOSFET器件T₂漏极相连，电力MOSFET器件T₁漏极与直流母线电容C_dc正极相连，电力MOSFET器件T₂源极与直流母线电容C_dc负极相连。

直流母线电压U_dc通过谐波能量抑制器的作用，可在辅助电感L处产生辅助电感电流I_L，并对辅助电容C_b进行充电和放电，生成振荡幅值相等的反向电流。

在谐波能量抑制器的控制部分，对直流母线电压U_dc、辅助电感电流I_L和辅助电容电压U_b分别进行采样。

小波包振荡检测器采用db44小波包进行直流母线电压U_dc的分解与重构，直流母线电压U_dc经过小波包振荡检测器之后，以各子频带中的谐波信号能量为参考对象，提取其中谐波信号能量较大的谐波所对应的子频带内的频率作为小波包振荡检测器的输出，经过分频振荡抑制器H_v(s)和谐波电压增益系数k_v得到各频次的谐波电压分量，并将这些谐波电压分量相加，得到谐波电压输出ΔU_dc，其中，小波包振荡检测器中小波包系数的递推公式为：

其中，f_i,j,m表示第j层的第m个节点所处横坐标对应是i时的小波包系数，m＝0,1,2,3,…,2^j-1，h(k-2i)和g(k-2i)分别表示低通滤波器和高通滤波器系数；

小波包振荡检测器中各子频带信号重构的表达式为：

各子频率谐波能量E_m的计算公式为：

其中，M为第m个节点的长度，在所有节点中选出谐波能量较大的总节点个数为n个，其中第v个能量较大的谐波作为抑制对象，该子频率谐波的谐波电压增益系数k_v为：

其中，E_v为第v个子频率谐波能量，n为已选择谐波能量较大的总节点个数，v＝1,2,3,…,n，E_q为每个已选择子频率谐波的能量，q＝1,2,3,…,n；

分频振荡抑制器H_v(s)的表达式为：

其中，ξ为分频振荡抑制器的阻尼系数，ω_v是谐波角频率，s＝jω，j是虚部单位符号，ω是电网角频率；

谐波电压输出ΔU_dc表达式为：

将辅助电容电压参考值U_b ^*与辅助电容电压U_b进行相减后，再经过直流电压环PI控制器G_U(s)得到辅助电容电压控制输出ΔU_b，其中，直流电压环PI控制器G_U(s)的表达式为：G_U(s)＝k_pu+k_iu/s，k_pu是直流电压环PI控制器的比例系数，k_iu是直流电压环PI控制器的积分系数。

将谐波电压输出ΔU_dc与辅助电容电压控制输出ΔU_b进行相加得辅助电感电流参考值I_L ^*，再与辅助电感电流I_L进行相减后，经过直流电流环PI控制器G_I(s)，输出值即为PWM输入信号，其中，直流电流环PI控制器G_I(s)的表达式为：G_I(s)＝k_pi+k_ii/s，k_pi是直流电流环PI控制器的比例系数，k_ii是直流电流环PI控制器的积分系数。

图2为加入谐波能量抑制器前后的直流母线电压U_dc的稳态波形图，可以明显地看到，原系统的直流母线电压U_dc的振荡峰峰值接近4V，而4s时在原系统切入谐波能量抑制器后，直流母线电压U_dc的振荡峰峰值约为1.2V，电压振荡得到明显的抑制。

图3和图4分别为加入谐波能量抑制器前后的直流母线电压U_dc的FFT分析。通过FFT分析图可以明显看到，原系统407Hz、897Hz和1352Hz的谐波在加入谐波能量抑制器后都得到了抑制，由此证明了本发明所提出的谐波能量抑制器及其控制方法可以有效地抑制直流微电网中的谐波，改善微网电能质量。

Claims (2)

1.一种自适应谐波能量抑制器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以分布式电源为输出源的主电路，其中分布式电源包括储能单元和双向DC-DC变换器，维持着直流母线电压U_dc，主电路的输出为恒功率负荷；

2)谐波能量抑制器的主电路包括电力MOSFET器件T₁与T₂，辅助电感器L以及辅助电容器C_b，辅助电感器L与辅助电容器C_b串联后，与电力MOSFET器件T₂并联，电力MOSFET器件T₁源极与电力MOSFET器件T₂漏极相连，电力MOSFET器件T₁漏极与直流母线电容C_dc正极相连，电力MOSFET器件T₂源极与直流母线电容C_dc负极相连；

3)直流母线电压U_dc通过谐波能量抑制器的作用，可在辅助电感L处产生辅助电感电流I_L，并对辅助电容C_b进行充电和放电，生成振荡幅值相等的反向电流；

4)在谐波能量抑制器的控制部分，对直流母线电压U_dc、辅助电感电流I_L和辅助电容电压U_b分别进行采样；

5)小波包振荡检测器采用db44小波包进行直流母线电压U_dc的分解与重构，直流母线电压U_dc经过小波包振荡检测器之后，以各子频带中的谐波信号能量为参考对象，提取其中谐波信号能量较大的谐波所对应的子频带内的频率作为小波包振荡检测器的输出，经过分频振荡抑制器H_v(s)和谐波电压增益系数k_v得到各频次的谐波电压分量，并将这些谐波电压分量相加，得到谐波电压输出ΔU_dc，其中，小波包振荡检测器中小波包系数的递推公式为：

其中，f_i,j,m表示第j层的第m个节点所处横坐标对应是i时的小波包系数，m＝0,1,2,3,…,2^j-1，h(k-2i)和g(k-2i)分别表示低通滤波器和高通滤波器系数；

小波包振荡检测器中各子频带信号重构的表达式为：

各子频率谐波能量E_m的计算公式为：

其中，M为第m个节点的长度，在所有节点中选出谐波能量较大的总节点个数为n个，其中第v个能量较大的谐波作为抑制对象，该子频率谐波的谐波电压增益系数k_v为：

其中，E_v为第v个子频率谐波能量，n为已选择谐波能量较大的总节点个数，v＝1,2,3,…,n，E_q为每个已选择子频率谐波的能量，q＝1,2,3,…,n；

分频振荡抑制器H_v(s)的表达式为：

其中，ξ为分频振荡抑制器的阻尼系数，ω_v是谐波角频率，s＝jω，j是虚部单位符号，ω是电网角频率；

谐波电压输出ΔU_dc表达式为：

6)将辅助电容电压参考值U_b ^*与辅助电容电压U_b进行相减后，再经过直流电压环PI控制器G_U(s)得到辅助电容电压控制输出ΔU_b，其中，直流电压环PI控制器G_U(s)的表达式为：G_U(s)＝k_pu+k_iu/s，k_pu是直流电压环PI控制器的比例系数，k_iu是直流电压环PI控制器的积分系数；

7)将谐波电压输出ΔU_dc与辅助电容电压控制输出ΔU_b进行相加得辅助电感电流参考值I_L ^*，再与辅助电感电流I_L进行相减后，经过直流电流环PI控制器G_I(s)，输出值即为PWM输入信号，其中，直流电流环PI控制器G_I(s)的表达式为：G_I(s)＝k_pi+k_ii/s，k_pi是直流电流环PI控制器的比例系数，k_ii是直流电流环PI控制器的积分系数。

2.根据权利要求1所述的自适应谐波能量抑制器的控制方法，其特征在于，步骤5)中，ξ为分频振荡抑制器的阻尼系数，其值范围为0.25≤ξ≤0.45。