单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法、装置及设备与流程

本发明涉及有源滤波技术领域，特别涉及一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法、装置及设备。

背景技术：

随着单相电力电子设备的广泛使用，产生的大量谐波严重影响了单相电网的电能质量。因此，单相有源电力滤波器的使用成为了谐波抑制和无功补偿的重要手段。其主要原理如图1所示，谐波指令电流模块(指令电流计算)可以计算出补偿需要的谐波指令电流作为控制模块的给定，控制模块通过控制vt1～vt4的开通和关断使apf(activepowerfilter，有源滤波器)主电路产生一个和指令电流大小相等相位相反的电流来达到有源滤波的目的。所以，谐波指令电流的精度直接影响到整个单相apf系统的补偿效果。

现有技术中，使用最广的谐波指令电流的检测方法是基于瞬时功率理论的检测方法，该方法对谐波指令电流获取的方式是通过dq变换实现的，原理图如图2所示，通过低通滤波器(lowpassfilter:lpf)对负载电流il进行dq变换后的d轴分量进行处理，得到d轴直流量再进行dq反变换得到基波电流有功分量if。负载电流il再和基波电流有功分量if做差即可得到谐波电流和无功电流总和ih，再加上直流侧反馈电流即可得到谐波指令电流

由图2很明显可以看出lpf在整个检测系统中成为了关键部分，lpf的性能决定了最后谐波指令电流的精度。然而如lpf的种类、截止频率和阶数的不同都会造成最终谐波指令电流的不同，其中包括幅值衰减、相位延迟等。

因此，如何能够更加简单方便的获取谐波指令电流，避免传统算法中的低通滤波器对谐波指令电流的影响，提升获取的谐波指令电流的精度，是现今急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法、装置及设备，以利用简单易行的积分环节获取谐波指令电流，提升获取的谐波指令电流的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法，包括：

获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压；

利用所述单相有源滤波器的锁相环，获取所述电网电压对应的所述当前时刻的交流电网的角频率值和相位值；

根据所述负载电流、所述电网电压和所述角频率值，计算所述负载电流的有功分量；

根据所述直流侧电压，获取所述当前时刻的直流侧电压反馈；

根据所述负载电流、所述有功分量、所述直流侧电压反馈和所述相位值，获取所述当前时刻的谐波指令电流。

可选的，所述根据所述直流侧电压，获取所述当前时刻的直流侧电压反馈，包括：

将所述直流侧电压与预设电压值之差输入到pi控制器，并将所述pi控制器的输出作为所述直流侧电压反馈。

可选的，所述根据所述负载电流、所述电网电压和所述角频率值，计算所述负载电流的有功分量，包括：

利用计算所述当前时刻所在的预设周期的有功功率有效值；其中，为电网电压周期，ω(k)为所述角频率值，i为所述预设周期的采样个数，k为所述当前时刻，vs为所述电网电压，il为所述负载电流；

利用计算所述预设周期的电压有效值；其中，||vs||为所述电压有效值；

利用计算所述预设周期的等效电导；其中，g为所述等效电导；

利用ia(k)＝g·vs(k)，计算所述有功分量；其中，vs(k)为所述电网电压，ia(k)为所述有功分量。

可选的，所述预设周期为一个周期时，其中，f为单相电网额定频率，fs为所述负载电流、所述电网电压和所述直流侧电压的采样频率。

可选的，所述根据所述负载电流、所述有功分量和所述相位值，获取所述当前时刻的谐波指令电流，包括：

利用ih(k)＝il(k)-ia(k)，计算所述当前时刻的谐波电流；其中，ih(k)为所述谐波电流；

利用计算所述谐波指令电流；其中，idc(k)为所述直流侧电压反馈，θ(k)为所述相位值，为所述谐波指令电流。

可选的，所述获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压，包括：

通过采样电路获取所述负载电流、所述电网电压和所述直流侧电压。

可选的，所述根据所述负载电流、所述有功分量和所述相位值，获取所述当前时刻的谐波指令电流之后，还包括：

将所述谐波指令电流与所述当前时刻的补偿电流之差输出到滞环比较控制器，获取所述滞环比较控制器输出的pwm调制脉冲，以进行电流跟踪补偿。

可选的，所述通过采样电路获取所述负载电流、所述电网电压和所述直流侧电压，包括：

通过采样电路获取所述负载电流、所述电网电压、所述直流侧电压和所述补偿电流。

本发明还提供了一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取装置，包括：

采样获取模块，用于获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压；

计算模块，用于利用所述单相有源滤波器的锁相环，获取所述电网电压对应的所述当前时刻的交流电网的角频率值和相位值；

有功分量计算模块，用于根据所述负载电流、所述电网电压和所述角频率值，计算所述负载电流的有功分量；

直流侧电压反馈计算模块，用于根据所述直流侧电压，获取所述当前时刻的直流侧电压反馈；

谐波指令电流计算模块，用于根据所述负载电流、所述有功分量和所述相位值，获取所述当前时刻的谐波指令电流。

此外，本发明还提供了一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任一项所述的单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的步骤。

本发明所提供的一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法，包括：获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压；利用单相有源滤波器的锁相环，获取电网电压对应的当前时刻的交流电网的角频率值和相位值；根据负载电流、电网电压和角频率值，计算负载电流的有功分量；根据直流侧电压，获取当前时刻的直流侧电压反馈；根据负载电流、有功分量、直流侧电压反馈和相位值，获取当前时刻的谐波指令电流；

可见，本发明利用积分环节获取谐波指令电流，排除了低通滤波器在获取谐波指令电流过程中的影响，使获取谐波指令电流的算法更为简单，且提高了获取的谐波指令电流的精度，使得相较于传统算法的单相有源滤波器，补偿效果更佳，提升了用户体验；此外，本发明还提供了一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取装置及设备，同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种单相有源滤波器的拓扑结构及其系统控制的示意图；

图2为现有技术中的单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的流程图；

图4为本发明实施例所提供的另一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的流程示意图；

图5为现有技术中的单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的补偿后效果展示图；

图6为本发明实施例所提供的另一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的补偿后效果展示图；

图7为本发明实施例所提供的一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取装置的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

请参考图3，图3为本发明实施例所提供的一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的流程图。该方法可以包括：

步骤101：获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压。

其中，本步骤的目的可以为如dsp(digitalsignalprocessing，数字信号处理)芯片的处理器获取计算当前时刻的谐波指令电流所需的负载电流(非线性负载侧电流)、电网电压(单相电网电压)和直流侧电压，如图4中的负载电流il、电网电压vs和控制电流输出值idc对应的直流侧电压vdc。

具体的，对于如dsp芯片的处理器获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压的具体方式，可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置，如可以由dsp芯片直接采集获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压；考虑到现有dsp芯片的采样速率和计算能力，也可以设置采样电路为dsp芯片提供当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压对应的采样信号，如采样电路的采样频率可以设置为fs＝10khz，即dsp芯片通过采样电路获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压。只要处理器可以获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压，本实施例对此不做任何限制。

步骤102：利用单相有源滤波器的锁相环，获取电网电压对应的当前时刻的交流电网的角频率值和相位值。

其中，本步骤的目的是利用单相有源滤波器中的锁相环(phaselockedloop，pll)，对采样得到的当前时刻的电网电压进行计算，获取对应的交流电网的角频率值和相位值，如图1中的单相并联型有源滤波器的锁相环(pll)部分将实现为数字锁相环，软锁相环将对采样得到的当前时刻的电网电压vs进行计算，并求出此时刻的角频率值ω(k)和相位值θ(k)。

具体的，图1电路中不可控二极管桥连接rc负载模拟了非线性负载，除此之外还包括由4个全控型功率开关构成的h桥、交流侧外接电感及直流侧储能电容构成的主回路电路。

可以理解的是，对于本步骤中单相有源滤波器的锁相环对当前时刻的电网电压进行计算，获取当前时刻的交流电网的角频率值和相位值的具体过程，可以采用与现有技术相同或相似的方式实现，只要如dsp芯片的处理器可以利用利用单相有源滤波器的锁相环，获取当前时刻的电网电压对应的当前时刻的交流电网的角频率值和相位值。本实施例对此不做任何限制。

步骤103：根据负载电流、电网电压和角频率值，计算负载电流的有功分量。

其中，本步骤的目的可以为如dsp芯片的处理器，利用当前时刻的负载电流、电网电压和角频率值，计算得到当前时刻的负载电流的有功分量。

具体的，本步骤可以包括：

步骤201：利用计算当前时刻所在的预设周期的有功功率有效值；其中，为电网电压周期，ω(k)为角频率值，i为预设周期的采样个数，k为当前时刻。

可以理解的是，本步骤中的当前时刻k所在的预设周期，可以由设计人员或用户自行设置，如单相电网额定频率f＝50hz，采样电路的采样频率fs＝10khz即处理器获取负载电流、电网电压和直流侧电压的频率为10khz时，预设周期可以为一个周期，即也就是预设周期为每200个采样点组成的一个周期。

步骤202：利用计算预设周期的电压有效值；其中，||vs||为电压有效值。

步骤203：利用计算预设周期的等效电导；其中，g为等效电导。

可以理解的是，本步骤的目的可以为利用预设周期的有功功率有效值p和电压有效值||vs||，计算得到预设周期的等效电导g。

步骤204：利用ia(k)＝g·vs(k)，计算有功分量；其中，vs(k)为负载电流，ia(k)为有功分量。

可以理解的是，本步骤的目的可以为利用当前时刻k所在的预设周期的等效电导g和当前时刻k获取的电网电压vs(k)，计算当前时刻k获取的负载电流il(k)的有功分量ia(k)。

具体的，以单相电网额定频率f＝50hz，采样电路的采样频率fs＝10khz为例，假设当前时刻的电网电压vs(k)＝vmsinθ(k)，负载电流其中，vm为电压幅值，in为电流幅值，为电流n次分量相位，那么预设周期可以为一个周期时，由电网频率和采样频率可得一个周期采样个数可以得出一个周期的有功功率有效值：

可以得出一个周期的电压有效值：

对应的，可以得出一个周期的等效电导：

利用一个周期的等效电导，可以得到负载电流的有功分量：

需要说明的是，步骤201至步骤204可以为通过计算当前时刻所在的预设周期的等效电导，获取负载电流的有功分量。对于步骤103中根据负载电流、电网电压和角频率值，计算负载电流的有功分量的具体方式，可以由设计人员自行设置，只要如dsp芯片的处理器可以计算获取当前时刻的负载电流的有功分量，本实施例对此不做任何限制。

步骤104：根据直流侧电压，获取当前时刻的直流侧电压反馈。

可以理解的是，在控制有源电力滤波器的补偿电流的过程中,由于线路阻抗和开关损耗的影响以及负载电流变化引起的系统对有功功率需求的变化，都会导致直流侧电容电压的波动，使直流侧电容欠电压甚至过电压，影响了对谐波电流的补偿效果，严重时甚至会危及滤波器的可靠运行。所以在控制补偿电流的同时，必须要保持直流侧电压基本不变。可以如图1所示，采用pid调节控制法对直流侧电压进行控制，及本步骤可以为将当前时刻的直流侧电压vdc(k)与预设电压值(预置参考电压值)之差输入到pi控制器，并将pi控制器的输出作为当前时刻的直流侧电压反馈idc(k)。

具体的，对于本步骤中根据当前时刻的直流侧电压，获取当前时刻的直流侧电压反馈的具体方式，可以由设计人员根据实用场景和用户需求自行设置，如采用图1所示的pid调节控制法对直流侧电压进行控制时，可以通过上述利用pi控制器的方式，获取当前时刻的直流侧电压反馈；采用其他方式对直流侧电压进行控制时，当前时刻的直流侧电压反馈的获取方式也可以对应改变，本实施例对此不做任何限制。

需要说明的是，本实施例对于本步骤与步骤102和步骤103的顺序并不做任何限制，只要保证在利用当前时刻的直流侧电压反馈获取当前时刻的谐波指令电流的之前，执行本步骤获取当前时刻的直流侧电压反馈，本实施例对此不做任何限制。

步骤105：根据负载电流、有功分量、直流侧电压反馈和相位值，获取当前时刻的谐波指令电流。

可以理解的是，如图4所示，本步骤可以先根据当前时刻的负载电流(il)和负载电流的有功分量(ia)，计算当前时刻的谐波电流(ih)，如利用ih(k)＝il(k)-ia(k)，计算当前时刻的谐波电流ih(k)；再根据当前时刻的谐波电流(ih)、直流侧电压反馈(idc)和相位值(θ)，计算当前时刻的谐波指令电流，如利用计算谐波指令电流，其中，idc(k)为当前时刻的直流侧电压反馈，θ(k)为当前时刻的相位值，为当前时刻的谐波指令电流。

具体的，对于本步骤中获取当前时刻的谐波指令电流的具体方式，可以由设计人员自行设置，如可以采用上述方式实现，只要如dsp芯片的处理器可以根据当前时刻的负载电流、有功分量、直流侧电压反馈和相位值，获取当前时刻的谐波指令电流，本实施例对此不做任何限制。

需要说明的是，由于在电流跟踪补偿控制时，有源滤波器会产生一个与谐波电流等大反向的电流来使他们互相抵消，以达到补偿谐波的目的，补偿电流对期望电流的跟踪情况直接关系到谐波的补偿效果。如图1所示，采用电流滞环比较控制法，需要将本步骤计算得到的当前时刻的谐波指令电流和当前时刻的实际的补偿电流值ic进行作差计算，并将得到的差值给到滞环比较控制器中，得到相应的pwm调制脉冲。滞环比较控制中由于电流反馈的存在，加快了动态响应速度，增强了抑制环内扰动的能力，控制精度较高，对负载的适应能力强。但开关频率、开关损耗以及控制的精度都受到滞环带环宽的影响，滞环带越窄，控制的精度就越高，开关频率也越高，从而增大了开关损耗。反之，滞环带越宽，控制精度越低，但开关频率降低，从而降低了开关损耗。

也就是说，本步骤之后还可以包括将当前时刻的谐波指令电流与当前时刻的补偿电流之差输出到滞环比较控制器，获取滞环比较控制器输出的pwm调制脉冲，以进行电流跟踪补偿的步骤。对应的，步骤101中不仅可以获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压，还可以获取当前时刻的补偿电流；如处理器可以通过采样电路获取当前时刻的负载电流、电网电压、直流侧电压和补偿电流。

具体的，以单相电网额定频率f＝50hz，采样电路的采样频率fs＝10khz为例，假设当前时刻的电网电压vs(k)＝vmsinθ(k)，负载电流且预设周期可以为一个周期时，在matlab/simulink下建立了关于本实施例所提供的方法与传统方法对比的仿真模型，在保证其他部分都一致的前提下，在currentcalculation模块中分别用传统算法和本专利提出方法进行了仿真。结果显示两种方法都能使单相apf正常工作，且能有效的进行补偿。对两种方法补偿后的电网电流is进行fft(离散傅氏变换的快速算法)分析，图五和图六分别为两种方法补偿后is的thd(总谐波失真)，传统算法thd＝3.44％，本实施例所提供的方法thd＝1.27％。很明显本实施例所提供的方法不仅在算法上相比较于传统方法更简单，而且补偿效果也有了极大的提升。

本实施例中，本发明实施例利用积分环节获取谐波指令电流，排除了低通滤波器在获取谐波指令电流过程中的影响，使获取谐波指令电流的算法更为简单，且提高了获取的谐波指令电流的精度，使得相较于传统算法的单相有源滤波器，补偿效果更佳，提升了用户体验。

请参考图7，图7为本发明实施例所提供的一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取装置的结构图。该装置可以包括：

采样获取模块100，用于获取当前时刻的负载电流、电网电压和直流侧电压；

计算模块200，用于利用单相有源滤波器的锁相环，获取电网电压对应的当前时刻的交流电网的角频率值和相位值；

有功分量计算模块300，用于根据负载电流、电网电压和角频率值，计算负载电流的有功分量；

直流侧电压反馈计算模块400，用于根据直流侧电压，获取当前时刻的直流侧电压反馈；

谐波指令电流计算模块500，用于根据负载电流、有功分量和相位值，获取当前时刻的谐波指令电流。

可选的，直流侧电压反馈计算模块400，可以包括：

直流侧电压反馈计算子模块，用于将直流侧电压与预设电压值之差输入到pi控制器，并将pi控制器的输出作为直流侧电压反馈。

可选的，有功分量计算模块300，可以包括：

有功功率子计算子模块，用于利用计算当前时刻所在的预设周期的有功功率有效值；其中，为电网电压周期，ω(k)为角频率值，i为预设周期的采样个数，k为当前时刻，vs为电网电压，il为负载电流；

电压有效值计算子模块，用于利用计算预设周期的电压有效值；其中，||vs||为电压有效值；

等效电导计算子模块，用于利用计算预设周期的等效电导；其中，g为等效电导；

有功分量计算子模块，用于利用ia(k)＝g·vs(k)，计算有功分量；其中，vs(k)为电网电压，ia(k)为有功分量。

可选的，谐波指令电流计算模块500，可以包括：

谐波电流计算子模块，用于利用ih(k)＝il(k)-ia(k)，计算当前时刻的谐波电流；其中，ih(k)为谐波电流；

谐波指令电流计算子模块，用于利用计算谐波指令电流；其中，idc(k)为直流侧电压反馈，θ(k)为相位值，为谐波指令电流。

可选的，采样获取模块100，可以包括：

采样获取子模块，用于通过采样电路获取负载电流、电网电压和直流侧电压。

可选的，该装置还可以包括：

电流跟踪补偿模块，用于将谐波指令电流与当前时刻的补偿电流之差输出到滞环比较控制器，获取滞环比较控制器输出的pwm调制脉冲，以进行电流跟踪补偿。

可选的，采样获取子模块可以具体用于通过采样电路获取负载电流、电网电压、直流侧电压和补偿电流。

本实施例中，本发明实施例利用积分环节获取谐波指令电流，排除了低通滤波器在获取谐波指令电流过程中的影响，使获取谐波指令电流的算法更为简单，且提高了获取的谐波指令电流的精度，使得相较于传统算法的单相有源滤波器，补偿效果更佳，提升了用户体验。

此外，本发明还提供了一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取设备，包括：存储器，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序时实现如上述实施例所提供的单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法的步骤。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置及设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种单相有源滤波器的谐波指令电流获取方法、装置及设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。