一种混合型有源滤波器的指定次谐波补偿方法与流程

1.本发明涉及电能质量控制的谐波补偿领域，特别涉及一种混合型有源滤波器的指定次谐波补偿方法。


背景技术：

2.非线性负荷、分布式电源等电力电子装置的持续增长应用给电力系统带来了严重的谐波污染。谐波会降低电能质量，影响电网运行可靠性，造成线路能量损失和危害设备安全等等。传统治理电力系统谐波污染的方法主要采用无源电力滤波器(passive power filter,ppf)。ppf一般由单次调谐或多次调谐的lc滤波器构成，通过给特定次谐波电流提供低阻抗通路达到谐波滤除的目的。虽然ppf具有成本低、效率高的优点，但也存在一些固有缺点，比如电网频率漂移和元器件参数变化将导致失谐，容易与电网线路阻抗产生串联/并联谐振等等。有源电力滤波器(active power filter,apf)可以弥补ppf的缺点，它相比ppf更加灵活高效，但纯apf需要大容量的电压型逆变器(voltage source inverter,vsi)，造价偏高，在高压或大功率场合中应用存在性价比不高的缺点。混合型有源滤波器作为ppf与apf的结合，既保留了apf的优点，又使得其成本相对纯apf显著减少，因此得到了极大发展。混合型有源滤波器的控制方法通常是利用有源部分去改善无源滤波器的滤波特性，由于电网谐波一般以奇次谐波为主，为了使混合型有源滤波器能够高效滤除主要次谐波，需要寻求一种简单稳定的指定次谐波滤除控制方法，实现电网谐波有效治理。


技术实现要素：

3.针对现有技术无法简单稳定地对指定次谐波进行补偿的问题，本发明提供了一种混合型有源滤波器的指定次谐波补偿方法，通过将混合型有源滤波器中的有源部分控制等效为虚拟电容，达到多调谐滤波器效果，并能克服电网频率漂移和l、c参数误差的影响。
4.以下是本发明的技术方案。
5.一种混合型有源滤波器的指定次谐波补偿方法，包括以下步骤：对混合型有源滤波器的lc单调谐滤波器中电容c两端电压进行采样，得到电容电压vc；对电容电压vc进行谐波分量提取，得到其谐波电压分量v
ch.i
，其中i∈g，g为指定次谐波集合，典型值为g＝{5,7,11,13
…
}；根据得到的谐波电压分量，设置混合型有源滤波器的电压源型逆变器针对i次谐波补偿的输出参考电压控制率为v
h.i
＝λi·vch.i
，其中v
h.i
为电压源型逆变器输出参考电压的i次分量；λi为针对i次谐波主动调谐的控制参数，其大小由扰动观测法自适应调节，则电压源型逆变器用于谐波补偿的输出参考电压为实现谐波补偿。
6.本发明中，电压源逆变器可等效为一虚拟电容，其大小为c/λi，目的为使得lc单调谐滤波器与虚拟电容c/λi在i次谐波频率处产生串联谐振，达到多调谐滤波器效果，并能克服电网频率漂移和l、c参数误差的影响。
7.作为优选，所述λi的表达式为：其中为初始恒值，且为补偿值；所述补偿值由扰动观测法自适应调节。
8.作为优选，所述扰动观测法的过程包括：对电网侧电流进行采样，得到电源电流is；对电源电流is进行谐波分量提取，得到基波电流分量i
sf
和i次谐波电流分量i
sh.i
；然后计算得到i次谐波电流畸变率thdi；对thdi该指标进行扰动观测，令其中δλ为扰动步长；比较相邻时刻的thdi值，如果thdi(k)《thdi(k-1)，则sign＝1，否则sign＝-1；直到thdi减少至满足条件thdi《thd
i-max
，则sign＝0，λi保持不变，其中thd
i-max
为电网i次谐波电流畸变率最大允许值。
9.作为优选，所述混合型有源滤波器由三相电压源型逆变器和lc单调谐滤波器串联组成。
10.作为优选，所述三相电压源型逆变器开关频率设置为10khz，lc单调谐滤波器中l为3mh，c为90uf，负载采用三相不可控整流桥带电阻r负载，r为10ω。
11.本发明的实质性效果包括：一、将混合型有源滤波器的有源部分控制等效为虚拟电容，较之现有虚拟电感或者虚拟电阻控制技术，本发明控制方法更为直接有效，减少了计算量；二、本发明方法在进行虚拟电容控制时，虚拟电容的大小可由扰动法自适应调节，能够有效避免电网参数漂移和l、c参数误差带来的不利影响，提高谐波抑制效果；三、本发明方法的扰动法选择的扰动观测量为电网侧电流单次谐波畸变率thdi，当thdi满足电网电能质量指标要求时，即进入死区，扰动结束。优点为能够实现电能质量精确控制，同时也能对电网电能质量进行监测，还能减小混合型有源滤波器中逆变器容量。
附图说明
12.图1为本发明实施例中混合型有源滤波器主电路拓扑结构图；图2为本发明实施例中基于虚拟电容的指定次谐波补偿控制结构框图；图3为本发明实施例中基于扰动观测法的虚拟电容控制参数自适应调节示意图；图4为本发明实施例中非线性负荷电流波形及其谐波含量fft分析图；图5为本发明实施例中谐波补偿后电源电流波形及其谐波含量fft分析图。
具体实施方式
13.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
14.应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过
程构成任何限定。
15.应当理解，在本发明中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
16.应当理解，在本发明中，“与a对应的b”、“与a相对应的b”、“a与b相对应”或者“b与a相对应”，表示b与a相关联，根据a可以确定b。根据a确定b并不意味着仅仅根据a确定b，还可以根据a和/或其他信息确定b。a与b的匹配，是a与b的相似度大于或等于预设的阈值。
17.下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
18.实施例：一种混合型有源滤波器的指定次谐波补偿方法，包括以下步骤：对混合型有源滤波器的lc单调谐滤波器中电容c两端电压进行采样，得到电容电压vc；对电容电压vc进行谐波分量提取，得到其谐波电压分量v
ch.i
，其中i∈g，g为指定次谐波集合，典型值为g＝{5,7,11,13
…
}；根据得到的谐波电压分量，设置混合型有源滤波器的电压源型逆变器针对i次谐波补偿的输出参考电压控制率为v
h.i
＝λi·vch.i
，其中v
h.i
为电压源型逆变器输出参考电压的i次分量；λi为针对i次谐波主动调谐的控制参数，其大小由扰动观测法自适应调节，则电压源型逆变器用于谐波补偿的输出参考电压为实现谐波补偿。
19.如图1所示，混合型有源滤波器由三相电压源型逆变器和lc单调谐滤波器串联组成。不失一般性，以下分析仅考虑a,b,c三相中任意单相电路。在谐波域内，混合型有源滤波器的单相数学模型可表示为：式中,v
sh.i
、v
lh.i
、v
ch.i
、v
h.i
分别为电源电压、负载端电压、lc滤波器电容电压、电压源型逆变器输出电压的i次谐波分量；i
sh
、i
lh
、ih分别为电源电流、负载电流、电压源型逆变器输出电流的i次谐波分量。
20.令v
h.i
的控制律满足如下关系v
h.i
＝λi·vch.i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，λi为针对i次谐波补偿的控制参数。将式(1)中v
ch.i
的表达式代入式(2)可知，此时电压源型逆变器可等效为一虚拟电容，其电容值为c/λi。通过选择恰当的λi，可使得电感l与电容c/(1+λi)在i次谐波频率处阻抗为零，即
由式(3)可求得考虑到频率ωi存在漂移，l、c参数存在误差，为了达到较佳的滤波效果，需要对λi进行自适应调节。λi可表示为式中，为初始恒值，且为补偿值，可由扰动观测法求得。
21.如图2所示，基于虚拟电容的指定次谐波补偿控制的具体实施步骤如下：首先对电容电压vc采样，利用带通滤波器hi(s)提取得到i次谐波电压v
ch.i
，即v
ch.i
＝vchi(s)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中，hi(s)的表达式如下式中，a为通带带宽，可取a＝20π。
22.然后，根据公式(2)和图2所示，电压源逆变器输出谐波参考电压可表示为指定次谐波参考电压之和，即如图3所示，由扰动观测法对λi的自适应调节过程如下：首先，对电源电流is进行采样，利用带通滤波器hi(s)提取得到基波电流i
sf
和各次谐波电流分量i
sh.i
，计算得到i次电流畸变率thdi，计算公式如下式中，is、i
sh.i
分别为i
sf
和i
sh.i
的有效值。
23.然后对thdi该指标进行扰动观测，令式中，sign为扰动方向标识，δλ为扰动步长。比较相邻时刻的thdi值，如果thdi(k)《thdi(k-1)，则sign＝1，否则sign＝-1；如果thdi减少至满足条件thdi《thd
i-max
，则sign＝0，λi保持不变，其中thd
i-max
为i次谐波电流畸变率最大允许值。
24.为了验证本发明提供的基于虚拟电容的混合型有源滤波器指定次谐波补偿策略的正确性和有效性，利用matlab/simulink对系统进行建模仿真。模型主电路结构参照图1中所示，电源采用线电压为380v的三相电源，逆变器开关频率设置为10khz，lc无源滤波器中l为3mh，c为90uf,负载采用三相不可控整流桥带电阻r负载，r为10ω，指定次谐波补偿范围为5，7，11，13次谐波。
25.在本实施例中，图4为非线性负荷电流波形及其谐波含量fft分析，可以看出，负荷电流i
l
的波形畸变严重，总谐波畸变率为26.44％，其中5、7、11、13次谐波畸变率分别为22.51％、9.90％、7.59％、4.23％。
26.图5为谐波补偿之后的电源电流波形及其谐波含量fft分析，可以看出，此时电源电流is的波形近似为正弦波，总谐波畸变率为3.60％，其中5、7、11、13次谐波畸变率分别下
降至1.52％、0.82％、0.96％、0.79％，谐波补偿效果十分优秀明显。
27.通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将具体装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
28.在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的结构和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的关于结构的实施例仅仅是示意性的，例如，模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个结构，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，结构或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
29.作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是一个物理单元或多个物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个不同地方。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
30.另外，在本技术实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
31.集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个可读取存储介质中。基于这样的理解，本技术实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本技术各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
32.以上内容，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。