多谐波注入控制系统和方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种对电力电容器进行噪声测试所使用的多谐波注入控制系统以及方法。

背景技术：

高压直流输电(hvdc)技术将是电网发展方向之一。换流站是高压直流输电的关键部分，而换流器在交流和直流两侧均产生大量低次的谐波电压和谐波电流，为了补偿换流所带来的无功功率、滤除直流侧的交流分量和交流侧的谐波，换流站需要大量的电力电容器用于无功补偿和滤波。

这些电力电容器具有数量多、容量大、需放置于较高的塔架上等特点，当大量谐波叠加的电流流过电力电容器时，电力电容器会由于振动发出噪声。由于电力电容器塔架高、占地面积大且需要热量疏散，导致电力电容器噪声治理难度大。从实际测试中发现，电力电容器可听噪声主要是由谐波和工频叠加的电流带来的，并且随着hvdc输电电压和功率的提升，电力电容器的噪声污染问题会更加严重，因此电容器噪声特性的研究和治理工作得到很多学者的关注。

基于此，电力电容器的噪声特性成为了每个电力电容器生产厂商需要考虑的重要性能指标。电力电容器成品需要进行噪声特性测试，该测试需要有效模拟换流站中电力电容器单元的实际运行工况，对电力电容器单元注入的谐波电流要能模拟出换流站基波与各次谐波叠加输入的工况。

国标中提出，当前主要有桥式全谐波电流注入电路和并联电容器电流注入电路这两种电路拓扑可以用于电力电容器噪声测试。然而，现有的谐波注入系统及方法往往仅具有单纯的谐波注入功能，无法实时对所注入的谐波进行控制。因此，就需要设计出符合国标的，可以用于电力电容器的噪声测试的，可以实现对多次谐波电流的幅值和相位进行实时控制的多谐波注入控制系统及其采用的多谐波注入控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于电力电容器的噪声测试，能够对所注入的多次谐波进信号行实时控制的多谐波注入控制系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种多谐波注入控制系统，用于在对电力电容器进行噪声测试时，向所述电力电容器或其所在电桥注入多次谐波信号并对所注入的多次谐波进信号行实时控制，所述多谐波注入控制系统包括：

电流采集模块，所述电流采集模块用于对所述电力电容中的电流进行采集并形成电流反馈信号；

谐波信号源，所述谐波信号源用于生成基本谐波信号；

控制器，所述控制器用于基于所述基本谐波信号和所述电流反馈信号生成pwm信号；

变流器，所述变流器用于基于所述pwm信号而将直流电源转换为放大后的pwm信号，并对所述放大后的pwm信号滤波得到谐波输出信号；

变压器，所述变压器用于将所述变流器的谐波输出信号变压至所述电力电容器或其所在电桥所需电压级别而形成并输出所述多次谐波信号。

优选的，所述控制器包括数字信号处理器和/或可编程逻辑阵列。

优选的，所述变流器包括逆变器和低通滤波器。

优选的，所述低通滤波器为lc滤波器。

优选的，当所述电力电容设置于电桥中时，所述多谐波注入控制系统还包括电压采集模块，所述电压采集模块用于对所述电力电容所在电桥的工频电压进行采集并形成反馈至所述谐波信号源的电压反馈信号。

优选的，所述电压采集模块与所述谐波信号源之间设置有锁相环。

本发明还提供一种适用于电力电容器的噪声测试，能够对所注入的多次谐波进信号行实时控制的多谐波注入控制方法。

一种多谐波注入控制方法，用于在对电力电容器进行噪声测试时，向所述电力电容器或其所在电桥注入多次谐波信号并对所注入的多次谐波进信号行实时控制，所述多谐波注入控制方法为：生成基本谐波信号，采集所述电力电容中的电流形成电流反馈信号，基于所述基本谐波信号和所述电流反馈信号生成pwm信号，基于所述pwm信号而将直流电源转换为放大后的pwm信号，对所述放大后的pwm信号滤波得到谐波输出信号，将谐波输出信号变压至所述电力电容器或其所在电桥所需电压级别而形成并输出所述多次谐波信号。

优选的，基于所述基本谐波信号和所述电流反馈信号生成pwm信号的方法为：利用所述电流反馈信号反馈控制所述基本谐波信号而生成总控信号，对所述总控信号进行算法控制而生成控制信号，对所述控制信号进行脉宽调制而生成所述pwm信号。

优选的，对所述总控信号进行的算法控制为比例谐振算法控制。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够向电力电容注入多次谐波信号并对所注入的多次谐波进信号行实时控制，从而可以更好地对电力电容进行噪声测试，从而有助于提高电力电容产品的质量。

附图说明

附图1为桥式全谐波电流注入电路拓扑图。

附图2为并联电容器电流注入电路拓扑图。

附图3为多谐波注入控制系统应用于桥式全谐波电流注入电路的电路图。

附图4为变流器的框图。

附图5为多谐波注入控制系统应用于并联电容器电流注入电路的电路图。

附图6为n次pr调节器框图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：国标中提出的用于电力电容器噪声测试的桥式全谐波电流注入电路拓扑如附图1所示。电桥由四个拥有相同规格、型号的被测电力电容器组成，每个电力电容器作为一个桥臂构成平衡电桥负载。可以将电桥中任意一个桥臂上的电力电容器作为试品(被测电力电容器)，让如半消声室进行测试，其余三个电力电容器作为陪测单元。该电路中，工频电流从电桥的a、c两端注入，谐波电流从电桥的b、d两端注入。由于平衡电桥的结构特性，从ac两端来看，b、d两端等电位；同样从b、d两端来看，a、c两端等电位，所以工频电流注入电路和谐波电流注入电路实现独立工作，但注入电力电容器的电流是工频与各次谐波叠加后的电流。

国标中提出的并联电容器电流注入电路拓扑如附图2所示，工频电流或谐波电流可分别由左侧注入。当工频电流与谐波电流均由可调频率谐波电源提供时，基波与谐波电流同时从左侧注入。

基于以上两种可以用于电力电容器噪声测试的电路拓扑，提出一种在对电力电容器进行噪声测试时，能够向电力电容器或其所在电桥注入多次谐波信号并对所注入的多次谐波进信号行实时控制的多谐波注入控制系统。该多谐波注入控制系统的方案如下：

多谐波注入控制系统包括电流采集模块、谐波信号源、控制器、变流器和变压器。电流采集模块用于对电力电容中的电流进行采集并形成电流反馈信号。谐波信号源用于生成基本谐波信号。控制器用于基于基本谐波信号和电流反馈信号生成pwm信号。变流器用于基于pwm信号而将直流电源转换为放大后的pwm信号，并对放大后的pwm信号滤波得到谐波输出信号。变压器用于将变流器的谐波输出信号变压至电力电容器或其所在电桥所需电压级别而形成并输出多次谐波信号。

上述多谐波注入控制系统应用于桥式全谐波电流注入电路的电路图如附图3所示。电流采集模块，即电流互感器与作为试品的电力电容器串联在同一桥臂上，从而能够对电力电容中的电流进行采样。谐波信号源所生成的基本谐波信号、电流互感器采样而生成的电流反馈信号共同送入控制器中，来生成pwm信号。控制器可以采用数字信号处理器dsp或现场可编程逻辑阵列fpga，也可以在用数字信号处理器dsp和现场可编程逻辑阵列fpga级联来实现控制。在该控制器中，按照指令需求，利用电流反馈信号反馈控制基本谐波信号而生成总控信号，再通过控制算法以及脉宽调制而生成pwm信号并输出。变流器的主要功能相当于一个功率放大器。如附图4所示，变流器包括逆变器和低通滤波器。直流电源为逆变器提供稳定的直流电压，通过逆变器中开关管的导通与关闭，将直流电压转换为交流电压脉冲，从而得到放大后的pwm信号。本实施例中，逆变器采用并联式全桥电路，并使用载波移相调制策略。低通滤波器用来滤除逆变器输出的放大后的pwm信号中的高次谐波，最终得到谐波输出信号。本例中，低通滤波器为lc滤波器，截止频率是20khz。变压器采用中频变压器，通过该中频变压器可以对谐波输出信号进行升压而使其达到电力电容器实际工况的电压级别。

对于上述应用于桥式全谐波电流注入电路中的多谐波注入控制系统，其电力电容器设置在电桥中，此时，该多谐波注入控制系统还包括电压采集模块，电压采集模块用于对电力电容所在电桥的工频电压进行采集并形成反馈至谐波信号源的电压反馈信号，从而为谐波信号源提供频率参考，并且电压采集模块与谐波信号源之间设置有锁相环。

上述多谐波注入控制系统应用于并联电容器电流注入电路的电路图如附图5所示，谐波信号源、控制器、变流器和变压器依次连接并由图示的左侧接入电力电容器，电流采集模块采集电力电容器中的电流后将电流反馈信号传送给控制器。

实施例二：一种用于在对电力电容器进行噪声测试时，向电力电容器或其所在电桥注入多次谐波信号并对所注入的多次谐波进信号行实时控制的多谐波注入控制方法，具体为：生成基本谐波信号，采集电力电容中的电流形成电流反馈信号，基于基本谐波信号和电流反馈信号生成pwm信号，基于pwm信号而将直流电源转换为放大后的pwm信号，对放大后的pwm信号滤波得到谐波输出信号，将谐波输出信号变压至电力电容器或其所在电桥所需电压级别而形成并输出多次谐波信号，将该多次谐波信号注入电力电容器或其所在电桥。

上述多谐波注入控制方法中，基于基本谐波信号和电流反馈信号生成pwm信号的方法为：利用电流反馈信号反馈控制基本谐波信号而生成总控信号，对总控信号进行算法控制而生成控制信号，对控制信号进行脉宽调制而生成pwm信号。

其中，对总控信号进行算法控制优选采用比例谐振(pr)算法控制。比例谐振(pr)控制通过在静止坐标系下设定一个谐振频率点，为该频率点的电流信号提供无穷大增益，实现对该频率信号的无稳态误差跟踪，而对其他频率点的信号没有增益。pr控制能够做到对谐振频率电流的跟踪无误差，但当电流频率发生改变时需要调整控制器参数，且会带来稳定性的下降。对于这个问题，可以使用准pr控制器，控制性能有所提高。

pr控制器的传递函数为：

准pr控制器传递函数为：

式中：kp—比例系数

ki—增益系数

ω—谐振频率

ωc—频带宽度

kp的选择可以明显地改善系统的动态特性，但过大时也可能引起输出电压过冲的现象；ki用于改善基频增益特性，通过调整ω的大小可以控制其指定次谐波。在实际系统中只需调整以上几个参数即可得到合适的控制器，将不同频率下的控制器组合起来，便可以得到高质量的输出波形，得到的n次pr调节器框图如附图6所示。

该多谐波注入控制方法可以基于实施例一中的多谐波注入控制系统而实现。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。