基于网侧电流采样的HAPF谐波补偿和谐振抑制的控制方法与流程

本发明涉及有源电力滤波器控制领域，具体为一种基于网侧电流采样的hapf谐波补偿和谐振抑制的控制方法，适用于在远距离输电的弱电网中，网侧电抗和无功补偿电容发生谐振的情况下实施的控制方法。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，电力系统中出现了越来越多的诸如变频调速电机、不间断电源（ups）等非线性负载，这些负载的前级输入通常使用成本较低的不控整流桥，这就使其作为谐波源向系统注入谐波，降低电能质量。无源滤波器（passivefilter,pf）例如常见的低压无功补偿电容器组（fixedcapacitorbank,fc）和单调谐滤波器（singletunedfilter，lc）因其设计维护简单、高压大容量容易实现等优势，目前仍然是我国电力工业中主要的无功和谐波治理方式。

无源滤波器可能和输电线路的寄生电抗发生谐振，一般的解决方法是在发生谐振的无源滤波器支路串联电抗器，调节系统的谐振频率以避开激励，这种方式在系统运行参数改变时仍然可能诱发谐振。现有文献研究使用有源滤波器（activepowerfilter,apf）来解决谐振问题。有关学者提出了将公共接入点(pcc)电压的谐波分量乘上一个阻尼系数作为参考指令的一部分来控制apf的输出电流。该方案存在几个缺点：一是对于电源容量较大的场合来讲，谐振引起的电压畸变可能不是很突出，因此这种方法对谐波检测算法要求较高。二是如果考虑系统运行参数变化，还要加入阻尼系数自适应算法，控制比较复杂。并且网侧电流开环，补偿效果可能受测量精度、外部扰动、采样及控制延时等方面的影响。为了消除这些影响，需要提供一种控制方法，抑制谐振并对其进行谐波补偿，提高电能质量。

技术实现要素：

本发明为了解决弱电网条件下，线路电抗和无功补偿电容发生谐振，造成电能质量下降的问题，提供了一种基于网侧电流采样的hapf谐波补偿和谐振抑制的控制方法。

弱电网条件下运行的配电网系统的混合补偿系统由电源、负载、apf和无功补偿电容器构成，其中电源端含有实际输电线路阻抗的电阻和电感，apf为带电感滤波的三相全桥变换器；负载分为阻感特性的线性负载和二极管整流桥的非线性负载。系统的弱电网特性主要由线路阻抗体现，无功补偿电容器通过接触器k并联在电源出线端，无功补偿电容器和apf均并联接在公共耦合点。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于网侧电流采样的hapf谐波补偿和谐振抑制的控制方法，包括如下步骤：

1）采集公共耦合点三相电压usa、usb、usc和网侧三相电流isa、isb、isc；

2）采集电容三相电流ica、icb、icc；

3）采集apf直流侧电压vdc；

4）将公共耦合点三相电压usa、usb、usc输入matlab的3-phasepll模块，得到当前电网电压的相位信息量sin_cos；

5）将网侧三相电流isa、isb、isc分别与电容三相电流ica、icb、icc作差，得到isca、iscb、iscc；

6）将相位信息量sin_cos、isca、iscb、iscc输入matlab的abc/dq0模块，得到电流d、q轴分量id、iq；

7）将d、q轴分量id、iq输入低通传递函数，得到d、q轴电流直流分量idz、iqz；

8）电流d、q轴分量id、iq分别减去d、q轴电流直流分量idz、iqz，得到其交流分量idj、iqj；

9）将交流分量idj、iqj通过增益为ks的放大器，得到d轴、q轴电压给定值vdref、vq^*；

10）将给定电压vref与实际电压vdc作差，得到电压误差δvdc；

11）将电压误差δvdc输入直流电压调节控制器，得到d轴电流给定值vdref_dc；

12）将d轴电压给定值vdref_dc、vdref相加，得到电压给定值vd^*；

13）将电压给定值vd^*和vq^*输入内环调节pi控制器，得到d、q坐标下调制信号ud^*、uq^*；

14）将d、q坐标下调制信号ud^*、uq^*输入matlab的dq0/abc模块，得到abc坐标下的调制信号uafa、uafb、uafc；

15）abc坐标下的调制信号uafa、uafb、uafc输入matlab的pwmgenerator模块，生成apf的控制信号pwm1a、pwm1b、pwm2a、pwm2b、pwm3a、pwm3b，实现对apf的控制。

本发明为了解决谐振补偿和谐振抑制的问题，通过理论分析表明，电容电流反馈增益等于网侧电流反馈增益时，系统有较为理想的稳定裕度，因此提出了上述方法，这种检测方法优点是畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因此检测结果不受电压畸变的影响。本发明的主要工作过程为：三相电网电流is和三相电容电流ic作差,经过d-q同步旋转坐标变换，截止频率为15hz的一阶低通滤波器滤除其直流分量；id和iq的交流分量经过反馈增益环节ks后，再经过坐标反变换得到uafa、uafb、uafc，作为apf的给定电压信号；直流侧的电压由pi控制器调节，输出的信号作为内环d轴电流的给定值；坐标变换用到的电网相位信息由锁相环pll产生。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所采用的控制是基于网侧电流采样的，在检测电网电流的控制方式下，根据控制目标即电网电流调节补偿电流，自然地形成了闭环反馈。相比于负载侧电流采样控制的apf，其补偿效果受测量精度、外部扰动、采样及控制延时等方面的影响很小。本发明所采用电容电流反馈的方法来阻尼系统谐振，在电网参数频繁变化的情况下，不需要随时调整控制器的算法，适应性较强。相对于传统方法，补偿谐波采样apf和负载侧这两条支路电流，本发明所用的方法只需采样网侧电流，不需要采样apf输出电流，只需要一组电流传感器，节省了apf的硬件成本。

附图说明

图1是本发明所涉及的混合补偿系统主电路结构图。

图2是本发明所涉及的apf控制原理示意图。

图3是为验证本发明所搭建的实验平台的示意图。

图4是apf应用本发明所提出的控制方法在不同控制阶段的波形图。

图5是apf应用本发明所提出的控制方法在启动时的波形图。

图6是apf未应用本发明提出的电容电流反馈控制方法时的波形图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种基于网侧电流采样的hapf谐波补偿和谐振抑制的控制方法，弱电网条件下运行的配电网系统的混合补偿系统由电源、负载、apf和无功补偿电容器fc构成，如图1所示，其中电源端含有实际输电线路阻抗的电阻和电感，apf为带电感滤波的三相全桥变换器，并联于公共耦合点；无功补偿电容器fc通过接触器k并联在电源出线端即公共耦合点；负载分为阻感特性的线性负载和二极管整流桥的非线性负载；控制方法包括如下步骤：

1）采集公共耦合点三相电压usa、usb、usc和网侧三相电流isa、isb、isc；

2）采集电容三相电流ica、icb、icc；

3）采集apf直流侧电压vdc；

4）将公共耦合点三相电压usa、usb、usc输入matlab的3-phasepll模块，得到当前电网电压的相位信息量sin_cos；

5）将网侧三相电流isa、isb、isc分别与电容三相电流ica、icb、icc作差，得到isca、iscb、iscc；

6）将相位信息量sin_cos、isca、iscb、iscc输入matlab的abc/dq0模块，得到电流d、q轴分量id、iq；

7）将d、q轴分量id、iq输入低通传递函数，得到d、q轴电流直流分量idz、iqz；

8）电流d、q轴分量id、iq分别减去d、q轴电流直流分量idz、iqz，得到其交流分量idj、iqj；

9）将交流分量idj、iqj通过增益为ks的放大器，得到d轴、q轴电压给定值vdref、vq^*；

10）将给定电压vref与实际电压vdc作差，得到电压误差δvdc；

11）将电压误差δvdc输入直流电压调节控制器，得到d轴电流给定值vdref_dc；

12）将d轴电压给定值vdref_dc、vdref相加，得到电压给定值vd^*；

13）将电压给定值vd^*和vq^*输入内环调节pi控制器，得到d、q坐标下调制信号vmd、vmq；

14）将d、q坐标下调制信号vmd、vmq输入matlab的dq0/abc模块，得到abc坐标下的调制信号vma、vmb、vmc；

15）abc坐标下的调制信号vma、vmb、vmc输入matlab的pwmgenerator模块，生成apf的控制信号pwm1a、pwm1b、pwm2a、pwm2b、pwm3a、pwm3b，实现对apf的控制。

如图2所示，三相电网电流is和三相电容电流ic作差,经过d-q同步旋转坐标变换，截止频率为15hz的一阶低通滤波器滤除其直流分量；id和iq的交流分量经过反馈增益环节ks后，再经过坐标反变换得到uafa、uafb、uafc，作为apf的给定电压信号；直流侧的电压由pi控制器调节，输出的信号作为内环d轴电流的给定值。坐标变换用到的电网相位信息由锁相环pll产生。

图3中，实验平台由型号为tms320f28377d的dsp控制，由电流、电压传感器检测的vs、is、ic、vdc信号传入a/d转换模块，再由dsp经过控制算法计算，生成apf控制所需要的6路pwm信号。

图4中：实验开始后运行传统的apf控制算法。在t1时刻，逐渐降低限流变阻器rc阻值，到t2时刻rc约为满阻值的70%左右，此时已经明显看到谐振电流的冲击，继续降低阻值将会触发apf或可编程电源的电流保护。上述实验现象说明，虽然电容上的电阻足够大（rc>2ω），在使用传统算法的apf并网后仍然会放大谐振现象。t2~t3时间间隔内，突增的谐振电流缓慢进入稳态，在电源、无源滤波器和apf之间振荡，谐振电流依然很大，可以观察到pcc点的电压畸变，进而又使负载电流的谐波成分增加。在t3时刻，切换成本发明所提供的算法，谐振电流在短时间内迅速被抑制。

图5中：在无功补偿电容不启动时，即ic=0时，apf在t0时刻启动，电网电流is自t0时刻起，由于apf的输出电流if产生了谐波，所以将is的谐波吸收，使波形得到改善，更加接近正弦。

图6即图4中t2~t3时间间隔内的放大波形，即未使用本发明提出的电容电流反馈控制方法的波形图，其谐振频率为450hz，谐振现象严重，谐波含量大。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。