一种补偿不平衡谐波的复合控制方法

技术领域

本发明属于电能质量治理技术领域，尤其涉及一种补偿不平衡谐波的复合控制方法。

背景技术

随着经济的飞速发展，非线性电力电子变换装置已经在工业领域得到了广泛的应用，由非线性电力电子装置产生的谐波严重影响了电力系统电能质量。有源电力滤波器(active power filter,APF)被公认为是一种动态抑制电网谐波污染的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率都实时变化的谐波电流以及无功电流进行动态补偿。

为了更好地对谐波电流进行补偿，必然要求谐波电流的检测同时具有快速性和准确性，即实时性和动态性能良好的谐波检测技术是有源电力滤波器高效工作的重要前提，故谐波检测方法和电流控制技术是有源电力滤波器实现工业应用的一个主要的环节，已经成为有源电力滤波器的研究热点。

传统的APF结构均为三桥臂，众多的开关管带来的不仅是大体积，高成本，更增大了APF设备的故障率；传统的APF控制器架构为基于固定参考坐标系的αβ控制结构和基于旋转参考坐标系的DQ控制结构，前者为了控制以交流值出现的谐波分量，采用比例谐振控制器，后者则通过将DQ坐标系变换后将谐波分量转换为直流量，并经由PI调节器进行无静差调节。因此，两者都存在计算负担随谐波次数增加而增大的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种补偿不平衡谐波的复合控制方法，从而克服了传统APF的控制存在计算负担随谐波次数增加而增大、计算复杂的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种补偿不平衡谐波的复合控制方法，包括：。

将两桥臂APF接入电网形成控制环路，获取控制所述控制环路的所需相位信息；

根据所需相位信息计算改进型DQ解耦控制中有功无功控制的参考量，并加入到改进型DQ解耦生成第一调制波，所述第一调制波用于稳定直流侧电压，补偿基波负序电流和无功电流；

根据所需相位信息计算各次谐波的有功无功分量，并加入到特定次谐波控制环路生成第二调制波，所述第二调制波用于补偿谐波电流；

将所述有功无功控制的调制波和第二调整谐波叠加到一起送入PWM调制模块生成所述两桥臂APF所需要的开关信号，所述开关信号直接驱动两桥臂APF的开关管的开通与关断。

优选地，所述所需相位信息包括：A、B、C三相相电压的相位、AC两相之间线电压的相位以及BC两相之间的线电压相位。

优选地，根据所需相位信息计算改进型DQ解耦控制中有功无功控制的参考量包括：

根据所述相位信息结合派克变换得到负载电流和补偿电流的基波有功无功分量，将所述基波有功无功分量带入变换矩阵P得到补偿电流的有功无功参考量，补偿电流的有功无功参考量包括基波负序电流和无功电流。

优选地，计算所述变换矩阵P包括：

根据负载电流的基波有功电流计算补偿之后的网侧电流基波正序有功的参考值，根据所述网侧电流基波正序有功的参考值计算得到相电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考值；

根据相电压与线电压之间有功和无功的转换关系将相电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考值转化为线电压相位参考下的有功无功参考值，经过这两次变换得到P矩阵，所述P矩阵为：

式(1)中，i

优选地，所述相电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考值计算公式为：

式(2)中，i

优选地，所述相电压与线电压之间有功和无功的转换关系为：

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所提供的补偿不平衡谐波的复合控制方法，将两桥臂APF接入电网形成控制环路，获取控制控制环路的所需相位信息；根据所需相位信息计算改进型DQ解耦控制中有功无功控制的参考量，并加入到改进型DQ解耦生成有功无功控制的调制波，有功无功控制的调制波用于稳定直流侧电压，补偿基波负序电流和无功电流；根据所需相位信息计算各次谐波的有功无功分量，并加入到特定次谐波控制环路生成第二调制波Vh，第二调制波用于补偿谐波电流；将有功无功控制的调制波和第二调整谐波叠加到一起送入PWM调制模块生成所述两桥臂APF所需要的开关信号，开关信号直接驱动两桥臂APF的开关管的开通与关断。通过改进型DQ解耦控制通过在传统DQ控制的有功无功分量中加入负序和无功参考量，使其不仅能够稳定直流侧电容电压，还可以补偿基波负序电流和无功电流；同时本发明还引入传统APF中使用的特定次谐波补偿到两桥臂APF中，针对含量高的谐波进行了补偿，该复合控制方法具有良好的负序、无功、谐波补偿性能。

2、本发明提出的通过改进型DQ解耦控制和特定次谐波控制的补偿不平衡谐波的复合控制方法的补偿效果良好，且适用于任何工况。

3、本发明实现简单，适合大面积推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的两桥臂APF接入电网的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的补偿不平衡谐波的复合控制方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的双桥臂的控制示意图。

图4是本发明实施例仿真结果。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动的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。

如图1示出了两桥臂APF接入电网的结构示意图，两桥臂APF接入电网，负载包括谐波负载和不平衡负载。当两桥臂APF不工作时，网侧电流提供负载所需要的不平衡谐波电流，因此网侧电流也为不平衡谐波电流。当两桥臂APF采用本发明所提供的方法工作时，负载所需要的负序电流、无功电流和谐波电流由两桥臂APF提供。

其中：由于电流中含有负序电流，所以电流不平衡，当负序电流被补偿以后，电流就平衡了，所以不平衡电流和负序电流这两个专业名词不冲突。

图2示出了本发明实施例提供的补偿不平衡谐波的复合控制方法的实现流程，详述如下：

S1、将两桥臂APF接入电网形成控制环路，通过数字锁相环获取控制控制环路的所需相位信息，其中，所需相位信息包括：A、B、C三相相电压的相位、AC两相之间线电压的相位，BC两相之间的线电压相位，总共五个相位信息；

S2、根据所需相位信息计算改进型DQ解耦控制中有功无功控制的参考量，并加入到改进型DQ解耦生成第一调制波Vdq，第一调制波也称为有功无功控制的调制波，第一调制波Vdq用于稳定直流侧电压，补偿基波负序电流和无功电流；

具体的，改进型DQ解耦控制中有功无功控制的参考量为A、B两相补偿电流的有功无功参考；

S3、根据所需相位信息计算网侧电流各次谐波的有功无功分量，并加入到特定次谐波控制环路生成第二调制波Vh，第二调制波也称为谐波控制的调制波，第二调制波Vh用于补偿谐波电流；

其中，各次谐波的有功无功分量为A、B相负载电流特定次谐波的有功无功分量；

S4、将第一调制波和第二调整谐波叠加到一起送入PWM调制模块生成两桥臂APF所需要的开关信号，开关信号直接驱动两桥臂APF的开关管的开通与关断；经过步骤S1-S3之后，A、B两相的补偿电流由需要补偿的基波负序电流、无功电流和谐波电流构成，这样负载所需的负序电流，无功电流和谐波电流就不需要网侧电流提供。网侧电流只流过单位功率因数的基波正序分量，从而达到补偿不平衡谐波的目的。因此，通过引入传统APF中使用的特定次谐波补偿到两桥臂APF中，针对含量高的谐波进行了补偿，使复合控制方法具有良好的负序、无功、谐波补偿性能。

图3示出了本发明实施例提供的双桥臂的控制示意图，以A桥臂为例说明，A桥臂的控制示意图包括特定次谐波控制和改进型DQ解耦控制，其中特定次谐波控制用于谐波补偿，让变换器产生负载所需要的谐波；改进型DQ解耦控制用于负序和无功电流补偿，让变换器产生负载所需要的负序和无功电流。正是通过图3所示框图的作用，才能生成正确的调制波，调制波进入PWM调制模块生成开关信号控制开关关断，进而才能使变换器生成所需要的补偿电流。

具体的，步骤S2中，根据所需相位信息计算改进型DQ解耦控制中有功无功控制的参考量为：根据相位信息结合派克变换得到负载电流和补偿电流的基波有功无功分量，将基波有功无功分量带入变换矩阵P得到补偿电流的有功无功参考量，补偿电流的有功无功参考量包括基波负序电流和无功电流。

具体的，计算变换矩阵P包括以下步骤：

S201、根据负载电流的基波有功电流计算补偿之后的网侧电流基波正序有功的参考值，根据网侧电流基波正序有功的参考值计算得到相电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考值；其中，相电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考值计算公式为：

式(2)中，i

S202、由于相电压与线电压之间存在相位差，所以根据相电压与线电压之间有功和无功的转换关系(式3)将相电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考值转化为线电压相位参考下的有功无功参考值，经过这两次变换便可以得到P矩阵，P矩阵为：

式(1)中，i

其中，相电压与线电压之间有功和无功的转换关系为：

两桥臂APF提出了的改进型DQ解耦控制生成第一调制波，其中改进的地方的如式(3)所示，将相电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考转化成了线电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考，这样就能实现完全补偿；同时本发明结合式(2)和(3)推导出了式(1)所示的P矩阵，利用P矩阵能够直接的计算出线电压相位参考下的补偿电流的有功无功参考。

具体的，步骤S3的根据所需相位信息计算A、B相负载电流特定次谐波的有功无功分量中，以得到A相m次谐波的有功无功分量为例说明，B相得到负载电流特定次谐波的有功无功分量与A相的一致，包括以下步骤：

S31、通过数字锁相环锁定A相网侧电流的相位，得到m倍基频的正弦和余弦值；

S32、分别将A相网侧电流与m倍基频的正弦值和余弦值相乘；

S33、将步骤S32中网侧电流与m倍基频的正弦值相乘的的结果经过低通滤波器(LPF,Low pass filiter),滤波后的结果是m次谐波的有功分量，将步骤S32中网侧电流与m倍基频的余弦值相乘的的结果经过低通滤波器,滤波后的结果是m次谐波的无功分量。

图4示出了采用本发明实施例仿真的结果图，图4中从左到右分别为：第一个是平衡谐波负载、第二个是不平衡LR谐波负载以及第三个是不平衡RC谐波负载接入电网后，通过Matlab采用本发明方法进行仿真后得到的仿真结果，从仿真结果看，无论负载如何变化，本发明控制方法均能完全的补偿不平衡，极大程度的抑制谐波。基于上述的理论分析与仿真验证，因此可以说本发明方法适用于任何工况，本发明提出的补偿不平衡谐波的复合控制方法，无论三相负载不平衡度如何，功率因数如何，谐波含量如何，从理论上该方法均能完全的补偿不平衡，极大程度的抑制谐波。

综上，本发明一种补偿不平衡谐波的复合控制方法，针对两桥臂APF结构提出了改进型的DQ解耦控制和特定次谐波控制的复合控制方法，其中改进型的DQ解耦控制通过在传统DQ控制的有功无功分量中加入负序和无功参考量，使其不仅能够稳定直流侧电容电压，还可以补偿基波负序电流和无功电流,另外配合特定次谐波补偿，针对含量高的谐波进行补偿，使该复合控制方法具有良好的负序、无功、谐波补偿性能。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。