基于自然坐标定向的有源电力滤波器控制方法与流程

本发明属于电能质量调节领域，具体涉及基于自然坐标定向的有源电力滤波器控制方法。

背景技术：

为缓解能源需求和环境保护的压力，新能源分布式发电技术受到各界人士的重视。随着电力电子装置不断的发展与应用，伴随其产生的谐波导致电网的污染日趋严重。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)凭借其灵活的可控性，通过向电网注入电流，补偿负载产生的谐波电流和无功功率，逐渐成为解决谐波污染问题的最有效途径之一。

传统针对有源电力滤波器控制的方法多是基于谐波电流检测的方式，进而求得谐波补偿指令电流。对于三相电路谐波和无功电流实时检测的方法均以三相电路瞬时功率理论为基础，通过计算有功功率p、无功功率q或有功电流分量i_p、无功电流分量i_q得出三相电路的谐波电流。但上述两种检测电路谐波的策略均需要将三相信号经坐标变换至同步旋转坐标系下，在对转换过后的直流分量经低通滤波器滤除高频分量以获得基波分量。低通滤波器的引入不可避免的会导致相位的延迟，这与设计电流环的快速控制思想是相违背的，同时复杂的坐标变换需要准确的锁相环节来保证与电网的同步，增加了系统的复杂程度。比例积分(proportional integral，PI)线性控制，由于PI控制器无法对交流信号量进行无静差跟踪，故需利用坐标变换将系统转换至dq同步旋转坐标系下，同时引入解耦前馈控制，来实现对直流信号的无静差控制，如此便增加了系统控制策略的复杂程度。因此，简化有源电力滤波器装置结构，减少系统算法复杂程度，节省软硬、件资源，降低系统设计成本，是其大规模商业化运行亟需解决的问题。

技术实现要素：

本申请提供一种基于自然坐标定向的有源电力滤波器控制方法，解决传统有源电力滤波器控制方法中采用低通滤波器检测谐波电流所引入的相位延迟，以及复杂的控制算法和较多硬件资源的问题，保证有源电力滤波器有效补偿谐波电流的同时，简化控制算法，改善系统运行的可靠性，为其大规模推广提供技术支撑。

本发明的技术方案为：

基于自然坐标定向的有源电力滤波器控制方法，包括以下步骤：

1)、分别实时采集网侧三相电压、有源电力滤波器侧的直流母线电压、三相并网电流、有源电力滤波器侧三相电流与三相非线性负载电流；

2)、将给定指令电压与步骤1)所得直流母线电压做差后进行PI控制，得到有功电流指令，同时令无功电流指令为零；

3)、利用步骤1)所得网侧三相电压，分别计算三相有功单位分量与三相无功单位分量；

4)、将步骤2)所得有功电流指令与无功电流指令分别在自然坐标系中按照步骤3)所得的三相有功单位分量与三相无功单位分量进行定向，计算出网侧三相指令电流；

5)、分别将步骤4)所得的网侧三相指令电流与步骤1)所得的三相非线性负载电流作差，分别得到有源电力滤波器的三相谐波补偿指令电流；

6)、分别将步骤5)所得三相谐波补偿指令电流与步骤1)所得的有源电力滤波器侧三相电流做差后进行PR控制，得到三相SPWM调制信号；

7)、利用三角载波法对步骤6)所得三相SPWM调制信号进行调制，生成驱动有源电力滤波器中的逆变器的开关信号，用于控制该逆变器。

所述步骤3)中，计算有功单位分量与无功单位分量的具体方法如下：

首先利用网侧三相电压求出相电压峰值

则三相单位有功分量分别为：v_a＝u_sa/U_sm，v_b＝u_sb/U_sm，v_c＝u_sc/U_sm；

三相无功单位分量分别为：

以上各式中各变量的定义如下：u_sa、u_sb、u_sc分别为网侧三相电压，U_sm为相电压峰值，v_a、v_b、v_c、分别为三相有功单位分量，w_a、w_b、w_c分别为三相无功单位分量。

所述步骤4)中，网侧三相指令电流的具体计算方法为：

$i_{sa}^{*}=i_{sd}^{*}{v}_a+i_{sq}^{*}{w}_a,i_{sb}^{*}=i_{sd}^{*}{v}_b+i_{sq}^{*}{w}_b,i_{sc}^{*}=i_{sd}^{*}{v}_c+i_{sq}^{*}{w}_c;$

以上各式中各变量定义如下：分别为网侧三相指令电流，为有功电流指令，为无功电流指令，v_a、v_b、v_c、分别为三相有功单位分量，w_a、w_b、w_c分别为三相无功单位分量。

所述步骤5)中，三相谐波补偿指令电流的计算公式分别为：

$i_{ca}^{*}=i_{sa}^{*}-i_{La},i_{cb}^{*}=i_{sb}^{*}-i_{Lb},i_{cc}^{*}=i_{sc}^{*}-i_{Lc};$

以上各式中各变量定义如下：分别为网侧三相指令电流，i_La、i_Lb、i_Lc分别为三相非线性负载电流，分别为三相谐波补偿指令电流。

本发明的优点在于：相较于传统谐波补偿控制策略，本发明利用所得实时采集电压测量值对内环电流指令进行定向，通过与实时采集非线性负载处电流作差得到有源电力滤波器所需补偿谐波的电流指令，内环采用PR控制器，在自然坐标系中实现电流内环的无稳态误差追踪控制。无需传统锁相环环节检测系统相位角，降低了算法的计算量，减少了系统的软件资源的占用率，提高系统效率；同时，当配电网未接非线性负载时，采用本发明方法的变流器可作为分布式能源并入电网的接口，即变流器系统固化一套算法可应对谐波治理与并网逆变两种工况。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统主电路结构框图。

图2为本发明实施例1的系统补偿前网侧电流信号仿真波形图。

图3为本发明实施例1的系统采用本发明控制方法补偿后的网侧电流信号仿真波形图。

图4为本发明实施例1的系统补偿前谐波含量仿真波形图。

图5为本发明实施例1的系统采用本发明控制方法补偿后的谐波含量仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

基于自然坐标定向的有源电力滤波器控制方法，包括以下步骤：

1)、本发明采用的系统主电路结构如图1所示，分别实时采集配电网的网侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc、直流母线电压u_dc、三相并网电流i_a、i_b、i_c、有源电力滤波器侧三相电流i_ca、i_cb、i_cc与三相非线性负载电流i_La、i_Lb、i_Lc；

2)、通过将给定指令电压与步骤1)所得有源电力滤波器侧的直流母线电压u_dc做差后通过PI控制器进行PI控制，得到有功电流指令同时令无功电流指令

3)、根据步骤1)所得网侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc，分别通过有功单位分量计算部和无功单位分量计算部计算三相有功单位分量v_a、v_b、v_c与三相无功单位分量w_a、w_b、w_c；

4)、将步骤2)所得有功电流指令与无功电流指令在自然坐标系中按照步骤3)所得的三相有功单位分量v_a、v_b、v_c与三相无功单位分量w_a、w_b、w_c分别进行定向，通过网侧参考指令电流计算部分别计算出网侧三相指令电流

5)、将步骤4)所得网侧三相指令电流分别与步骤1)所得的三相非线性负载电流i_La、i_Lb、i_Lc通过谐波参考指令电流计算部作差计算分别得到有源电力滤波器的三相谐波补偿指令电流

6)、将步骤5)所得的三相谐波补偿指令电流分别与步骤1)所得的有源电力滤波器侧三相电流i_ca、i_cb、i_cc做差后通过电流环PR控制器进行PR控制，分别得到三相SPWM调制信号

7)、利用三角载波法对步骤6)所得三相SPWM调制信号分别进行调制，生成驱动有源电力滤波器中的逆变器的开关信号，通过驱动该逆变器的开关信号控制开关管的通断，实现该逆变器的控制。

上述步骤2)中，将给定直流侧电压与用电压传感器实时采集所得直流电容电压u_dc作差，并经过外环电压PI控制器调节输出作为内环指令电流的有功电流指令同时令指令电流的无功分量无功电流指令

步骤3)中，将网侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc，在自然坐标系中分别求得三相有功单位分量v_a、v_b、v_c。具体实现方法如下：首先通过网侧相电压峰值计算部求出步骤1)所得的网侧三相电压的相电压峰值则三相有功单位分量分别为：v_a＝u_sa/U_sm、v_b＝u_sb/U_sm、v_c＝u_sc/U_sm，三相无功单位分量分别为：

步骤4)中，将步骤2)所得有功电流指令与无功电流指令利用步骤3)所得三相有功单位分量与三相无功单位分量分别进行定向得到网侧三相指令电流如下：

步骤5)中，将步骤4)所得网侧三相指令电流与步骤1)所得三相非线性负载电流i_La、i_Lb、i_Lc分别作差求得有源电力率滤波器所需补偿的三相谐波补偿指令电流如下：

步骤6)中，将步骤5)所得三相谐波补偿指令电流分别与步骤1)所得有源电力滤波器侧三相电流i_ca、i_cb、i_cc作差，并分别将差值输入内环电流PR控制器进行调控，输出三相SPWM调制波信号。

步骤7)采用三角载波法与载波进行比较生成占空比信号S_a、S_b、S_c，用于控制有源电力滤波器。

从如图2和图3所示的系统补偿前后网侧三相电流信号的变化可以看出：图2为非线性负载接入配电网时，网侧电流波形成“马鞍波”，电流波形严重畸变；图3为采用本方法后并网电流波形，可以看出补偿后电流恢复正弦波形。

对图2、图3中所示电流波形分别作快速傅立叶变换，从图4和图5所示的系统补偿前后谐波含量分析可以得出：网侧电流的总谐波畸变率由(Total Harmonics Distortion,THD)由补偿前THD＝18.40％降至补偿后THD＝2.06％，符合5％以下的并网标准，说明本发明方法能够有效消除非线性负载谐波，治理电网谐波污染，提高并网电流波形质量。