一种基于级联式功率调节装置补偿谐波的控制方法与流程

本发明属于电力电子装置的控制技术领域，特别涉及一种基于级联式功率调节装置补偿谐波的控制方法。

背景技术：

级联式功率调节装置由于其结构简单、模块化，在大功率、中高压驱动系统中已得到广泛应用。近年来，随着太阳能、风力发电等可再生能源发电系统的并网容量日益增加，需要在这些系统的并网处安装能够进行有功以及无功功率调节的电力电子装置来解决其并网带来的电能质量问题。因此，把级联式功率调节装置应用于高压、大容量功率调节系统的研究也日益广泛。

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波污染对电力系统的危害是严重的，采取相应措施加以抑制减少其危害，这就是谐波抑制。

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使期不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

当前本领域关于级联式功率调节装置补偿谐波的控制方法都不能做到同时补偿电力系统中负载支路的谐波以及联式功率调节装置本身输出的谐波。

技术实现要素：

而本发明提供的一种基于级联式功率调节装置补偿谐波的控制方法，既可以补偿电力系统中负载支路的谐波，也可以补偿级联式功率调节装置本身输出的谐波，而且可根据实际工况，实时自动的补偿谐波，大大改善了电网电能质量。

为解决上述技术问题，本发明技术方案如下：一种基于级联式功率调节装置补偿谐波的控制方法，其特征在于：

a)通过电压传感器，采样得到三相电网电压，记为：U_ga、U_gb、U_gc；

b)根据上述采样得到的三相电网电压，通过数字锁相环得到电网电压的相位，记为Gridtheta；

c)设定注入级联式功率调节装置的三相n次谐波补偿电压表达式为：

其中：harmonica_n、harmonicb_n和harmonicc_n分别为注入级联式功率调节装置的三相n次谐波补偿电压；U_n为n次谐波补偿的补偿幅值，设定初值为A₀；comtheta_n为n次谐波补偿角度，设定初值为θ₀；n为注入级联式功率调节装置的谐波次数，在三相并网装置中，谐波次数n＝6k±1，k＝1，2，3，…，且当n＝6k-1时谐波电压为负序，当n＝6k+1时谐波电压为正序；

d)通过谐波测试仪器观测谐波补偿支路中的n次谐波电流含量，保持c)步骤中n次谐波幅值A₀不变，实时调节n次谐波补偿角度comtheta_n，寻找到最优的n次谐波补偿角度，并在后续步骤中保持此角度不变；

e)把级联式功率调节装置n次谐波电压幅值的当前值记为U_m；设定n次谐波补偿的幅值变化量为ΔV_n；设定一个定时器为t；设定一个次数变量为Timeflag，初值为i；设定n次谐波补偿后的谐波含量的最低要求为I_{ref_n}；

f)通过电流传感器，采样得到谐波补偿支路的三相电流，记为：I_La、I_Lb、I_Lc；

g)根据上述采样得到谐波补偿支路的三相电流，利用基于瞬时无功理论谐波检测方法，计算出三相n次谐波电流的瞬时值，记为：I_{La_n}、I_{Lb_n}、I_{Lc_n}；

h)根据上述三相n次谐波电流的瞬时值，利用有效值是瞬时值的方均根值理论，计算出三相n次谐波电流的有效值，记为：I_{LaRMS_n}、I_{LbRMS_n}、I_{LcRMS_n}；

i)根据上述三相n次谐波电流的有效值，利用公式得到n次谐波电流的平均值；

j)滞环扰动比较法：当定时器t第一次定时时间到，次数变量变为Timeflag＝i+1，把此时计算得到的n次谐波电流平均值记为I_{av_n1}，设定输出的n次谐波电压幅值为U_m+ΔV_n；当定时器t第二次定时时间到，次数变量变为Timeflag＝i+2，把此时计算得到的n次谐波电流平均值记为I_{av_n2}，设定输出的n次谐波电压幅值为U_m-ΔV_n；当定时器t第三次定时时间到，次数变量变为Timeflag＝i+3，把此时计算得到的n次谐波电流平均值记为I_{av_n3}，并把次数变量变为Timeflag＝i；

k)比较上述n次谐波电流平均值I_{av_n1}、I_{av_n2}、I_{av_n3}，若I_{av_n2}≤I_{av_n1}≤I_{av_n3}，则级联式功率调节装置输出的n次谐波电压幅值为U_m+ΔV_n；若I_{av_n3}<I_{av_n1}<I_{av_n2}，则级联式功率调节装置输出的n次谐波电压幅值为U_m-ΔV_n；若是其他情况，则级联式功率调节装置输出的n次谐波电压幅值保持不变，仍为U_m。把此时的调制电压幅值记为U_m，并设定为下一次定时器t定时时间到后输出的n次谐波电压幅值的初始值；

l)若检测到n次谐波电流的平均值I_{av_n}>I_{ref_n}，执行步骤j)和k)；否则，保持当前级联式功率调节装置输出的n次谐波电压幅值不变。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)通过本发明的方法既可以补偿电力系统中负载支路的谐波含量，此时采样电网电流，也可以补偿级联式功率调节装置本身输出的各次谐波，此时采样级联装置输出电流。

2)通过本发明的方法计算出的各次谐波补偿分量是直接叠加到级联式功率调节装置输出的调制电压上，不是作为指令通过PI调节器调节后输出，不存在静态误差，补偿效果比较明显。

3)通过本发明的方法可以实时动态调整来补偿谐波，只要补偿支路谐波不满足最低要求或者所在支路谐波含量因工况不同实时发生变化都可以通过本方法实时自动补偿。

附图说明

图1为本发明的级联式功率调节装置的电路结构图。

图2为本发明中谐波补偿角度计算的控制流程图。

图3为本发明中谐波补偿幅值计算的控制流程图。

图4为本发明中级联式功率调节装置谐波补偿前装置输出电流波形和谐波含量。

图5为本发明中级联式功率调节装置谐波补偿后装置输出电流波形和谐波含量。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种基于级联式功率调节装置中谐波补偿控制方法进一步描述。

如图1所示，本发明的电路结构图提供了一种用于高压电力系统的功率调节装置，它采用级联多个单相全桥逆变单元的方式实现高压并网，利用每个单元直流母线上的大电容对无功功率和瞬时变化的有功功率进行调节，将有功功率调节和无功功率调节的功能集于一身，具有较强的动态调节能力。

本发明采用的调控方法是在常规的软件方法的基础之上，增加谐波补偿功能，而且在每一个工程项目现场，因为装置的运行工况不同，第一次启动谐波补偿模块，都必须先用在线观测的方式确定各自谐波补偿角度，然后用滞环扰动比较法计算各个谐波分量的补偿幅值；

用本发明的方法补偿级联式功率调节装置本体输出的谐波电流时，我们一般选择启动谐波补偿功能都是在级联式功率调节装置发了一定无功功率以后，不能在空载时启动此模块，因为此时检测到的装置输出基波电流很小，谐波含量的比例比较大，对谐波分量的检测不准确。

级联式功率调节装置工作在谐波补偿模式时，我们用软件定时2s，即每一次注入谐波后的调节时间是2s，一方面，在此段时间内确保补偿的谐波保持不变；另一方面，本发明的控制方法是用各次谐波的有效值，而有效值的计算需要一个周期，在2s时间内，我们可以采样计算多个周期，确保采样回路检测到各次谐波准确和稳定，便于每次谐波含量的比较。

如图2、图3所示，本发明提供了一种基于级联式功率调节装置的谐波补偿控制方法，该控制方法包括以下各步骤，下面以5次谐波补偿为例：

a)通过电压传感器，得到电网三相电压，记为：U_ga、U_gb、U_gc；

b)根据上述采样电压，通过数字锁相环得到电网电压的相位，记为Gridtheta；

c)设定注入级联式功率调节装置的5次谐波补偿电压公式为：

其中：harmonica_5、harmonicb_5和harmonicc_5分别为注入级联式功率调节装置的5次谐波补偿三相电压；U₅为5次谐波补偿的补偿幅值，设定初值为A₀；comtheta_5为5次谐波补偿角度，设定初值为θ₀；

d)通过谐波测试仪器观测谐波补偿支路电流中的5次谐波含量，保持c)步骤中5次谐波幅值A₀不变，调节5次谐波补偿角度，寻找到最优5次谐波补偿角度，并在后续步骤中保持此角度不变；

e)把级联式功率调节装置5次谐波电压幅值的当前值记为U_m；设定5次谐波补偿的幅值变化量为ΔV₅；设定一个定时器为t；定义一个次数变量为Timeflag，初值为i；设定5次谐波补偿后的谐波含量的最低要求为I_{ref_5}；

f)通过电流传感器，获取谐波补偿支路的三相电流，记为：I_La、I_Lb、I_Lc；

g)根据上述采样电流，利用基于瞬时无功理论谐波检测方法，计算出5次谐波含量的三相瞬时值，记为：I_{La_5}、I_{Lb_5}、I_{Lc_5}；

h)根据上述得到的5次谐波电流瞬时值，利用有效值是瞬时值的方均根值理论，计算出5次谐波电流的三相有效值，记为：I_{LaRMS_5}、I_{LbRMS_5}、I_{LcRMS_5}；

i)根据上述三相谐波电流的有效值，利用公式得到5次谐波电流的平均值；

j)滞环扰动比较法：当定时器t第一次定时时间到，次数变量为Timeflag＝i+1，把检测回来的5次谐波电流记为I_{av_51}，设定输出5次谐波电压幅值为U_m+ΔV₅；当定时器t第二次定时时间到，次数变量变为Timeflag＝i+2，此时检测回来的5次谐波电流记为I_{av_52}，设定输出5次谐波电压幅值为U_m-ΔV₅；当定时器t第三次定时时间到，次数变量变为Timeflag＝i+3，此时检测回来的谐波电流记为I_{av_53}，并把次数变量变为Timeflag＝i；

k)比较I_{av_51}、I_{av_52}、I_{av_53}，若I_{av_52}≤I_{av_51}≤I_{av_53}，则级联式功率调节装置输出的5次谐波电压幅值变为U_m+ΔV₅；若I_{av_53}<I_{av_51}<I_{av_52}，则级联式功率调节装置输出的5次谐波电压幅值变为U_m-ΔV₅；若是其他情况，则级联式功率调节装置输出的5次谐波电压幅值保持不变，仍为U_m；把此时的调制电压幅值记为U_m，即下一次定时器t定时时间到后输出调制电压的初始值；

l)如果检测到5次谐波含量I_{av_5}>I_{ref_5}，继续执行步骤j)和k)；否则，保持当前级联式功率调节装置输出的调制电压幅值不变；

以下是本发明方法的一个实施例：

下面以具体实施例说明本发明的一种用于级联式功率调节装置中谐波补偿控制方法，以图1所示的电路结构为例，电网与本装置的各项参数如下表所示：

本实例测试条件：谐波采样回路检测的是级联式功率调节装置本体输出的并网电流，当装置的无功功率在2Mvar时启动谐波补偿功能，主要是对5次和7次谐波进行补偿，实验波形如图4和图5所示，从实验波形可以看出，加谐波补偿功能后，级联式功率调节装置本体输出的并网电流谐波含量从9.0％降低为3.5％，谐波补偿效果明显。

对于具体实施方式的理解的描述仅仅是为帮助理解本发明，而不是用来限制本发明的。本领域技术人员均可以利用本发明的思想进行一些改动和变化，只要其技术手段没有脱离本发明的思想和要点，仍然在本发明的保护范围之内。