一种指定次谐波补偿APF及其谐波检测和控制方法

摘要

本发明公开了一种指定次谐波补偿APF及其谐波检测和控制方法，该APF包括信号采样模块(1)、人机交互界面(2)、指定次谐波电流检测模块(3)、电流跟踪控制模块(4)和功率电路模块(5)；信号采样模块将采集到的信号传送给指定次谐波电流检测模块；人机交互界面与指定次谐波电流检测模块连接；指定次谐波电流检测模块通过电流跟踪控制模块与功率电路模块连接。该APF可通过人机交互界面指定对电网中负载产生的谐波电流的哪一次或哪几次谐波进行谐波分离检测和补偿，工作方式灵活可以满足多种不同的工况要求；该方法增强了谐波检测和补偿电流的稳定性和可靠性；进而增强了系统的稳定性，提高了系统的可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种APF及其谐波检测和补偿电流的跟踪控制的方法，具体是一种指定次谐 波补偿APF及其谐波检测和控制方法，属于谐波检测及谐波治理领域。

背景技术

随着经济的飞速发展，电力电子变换装置已经在工业领域得到了广泛的应用，使得电网 的谐波污染变得越来越严重，有源电力滤波器（activepowerfilter，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，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化 的无功进行补偿。根据有源电力滤波器接入电网的方式，其基本拓扑可分为并联型和串联型 两种类型，并联型与串联型有源电力滤波器在结构上具有对偶关系。其中，并联型有源电力 滤波器相当于受控电流源，通过一定的检测方法将电网中谐波电流提取出来，并向电网注入 补偿电流，抵消非线性负载产生的谐波，使电网电流成为正弦波，本身表现出电流源的特性。 为了很好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走向实用化的重要前提，而对于补偿电 流的跟踪控制也是决定有源电力滤波器实际应用的另一个关键因素，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最主要的环节，已经成为有源电力滤波器的研究 热点。

目前，用于谐波检测方法主要有以下几种：

1、基于瞬时无功理论谐波检测，能实时分离有功电流和无功电流，检测不受电网电压畸 变的影响，但是该方法需要大量的坐标变换，需要设计高性能的低通滤波器，使得系统在精 确性和稳定性上存在矛盾，这种方法还无法运用到单相系统中；

2、基于傅里叶变换快速FFT检测，可以选择性的消除某次谐波，该方法的基础是傅里叶 变换，要求采集的数据波形具有周期性变换的特点，存在泄漏、混叠等问题，同时傅里叶变 换及其反变换需要大量的计算，所以时间延迟较大，谐波检测的实时性较差；

3、基于神经网络的谐波检测，可以对周期性电流实现快速跟踪，对非周期性变化的电流 也具有很好的跟踪性能，能够识别高频随机干扰。但是在实际应用中也存在一些问题。比如， 没有统一规范的神经网络构造方法，没有统一确定的样本数方法、检测结构复杂，训练成本 量大，实时性难以满足要求；

4、基于小波变换的谐波检测：小波分析谐波检测方法与FFT同属于时频分析法，适合分 析突变信号的分析与处理。通过伸缩、平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析， 它在时域和频域都具有良好的局部性。对波动谐波、变化很快的谐波检测有很大的优势，但 是理论缺乏，不够完善。如最小谐波基的选取，构造频域行为良好的小波函数来改善检测精 度的规则都是无据可循。

用于补偿电流控制技术主要有以下几种：

1、比例积分控制：PI控制结构简单、易于操作且有较好的鲁棒性。PI控制中，积分环 节用于改善系统的稳态性能，比例环节主要用于提高控制器的动态性能。但积分控制只能对 直流信号实现无差调节，对于APF的谐波或基波电流指令无法实现无静差调节。特别是PI控 制器数字化后，由于计算延时、采样、零阶保持器的影响，进一步增大了稳态误差，降低了 有源电力滤波器补偿性能。

2、滞环比较控制：滞环控制具有良好的快速性和稳定性。但是滞环控制系统的响应速度、 开关频率及电流的跟踪精度均受滞环宽度影响。如果滞环宽度固定，器件开关频率将随补偿 电流的变化而变化，所以引起较大的开关噪音和脉动电流。早期开发的APF中，多采用滞环 比较控制实现电流跟踪。

3、无差拍控制：无差拍控制是一种预前控制方法，适合数字实现，它利用前一时刻的负 载电流和补偿电流的实际值和参考值，预测下一时刻的参考电流，选择下一时刻的开关状态。 优点是动态响应比较快、易于计算机实现，但是对预测计算对系统参数依赖性较大、控制的 瞬态响应的超调量大、鲁棒性较差。

4、滑模变结构控制：是一种非线性控制方法，其控制优势在于鲁棒性强，对外部扰动和 参数变动不敏感，动态响应好。它根据系统状态偏离滑模面的程度变更控制器结构，从而使 系统的状态变量沿着预先设计好的“滑动模态”运行。有很好的动态响应。已经发展出自适 应滑模等多种改进控制方法，但基于微处理器的滑模变结构控制完全不同于常规的连续滑模 控制理论，滑模变结构控制必须以数字形式实现才能有付诸实际应用，因此需要数字滑模控 制技术，而数字式滑模变结构控制只有当采样频率足够高时才能实现较好性能。这些缺点都 限制了滑模变结构控制的应用。

对于有源电力滤波器的谐波检测和补偿电流控制技术，在实际应用中除了上述所涉及的 技术方法之外还有很多，他们各自具有相应的优缺点。但因现场负载特性和对电网供电要求 的不同，在一些特定的用电场合要求对指定的某一次谐波或某几次谐波的总和进行治理，例 如煤矿直流提升机系统中的串联12脉动相控整流系统就要求对11、13次谐波进行针对治理， 现有的有源电力滤波器不具备这种功能，同时前面所提到的谐波电流检测方法和补偿电流控 制技术，都无法很好的满足这种工况对谐波补偿的要求，因此研究一种适应这种需求的指定 次谐波补偿APF，以及谐波检测方法和指定次谐波电流补偿控制方法是急需解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供的一种指定次谐波补偿APF，能够对电网中 负载产生的谐波电流的某一次或某几次谐波进行指定性的谐波分离检测和补偿，工作方式灵 活可以满足多种不同的工况要求；指定次谐波补偿APF的谐波检测和补偿电流控制方法能够 有针对性的对其中的谐波进行检测和补偿；检测方法更简单，能够对补偿电流进行较好的控 制，增强稳定性和可靠性。

本发明的技术方案：一种指定次谐波补偿有源电力滤波器，包括信号采样模块、人机交 互界面、指定次谐波电流检测模块、电流跟踪控制模块和功率电路模块；所述的信号采样模 块的输入端与电网和非线性负载连接，其输出端与指定次谐波电流检测模块的输入端连接；

所述人机交互界面的输出端与指定次谐波电流检测模块的输入端连接；所述指定次谐波电流 检测模块的输出端与电流跟踪控制模块的输入端连接；所述电流跟踪控制模块的输出端与功 率电路模块连接；所述功率电路模块产生需要补偿的谐波电流，用以消除电网中非线性负载 产生的谐波。

电网带动非线性负载运行时，主电路中产生大量谐波电流，启动有源电力滤波器后，根 据人机交互界面的操作提示信息对需要补偿的谐波次数进行设定；信号采样模块对电网的电 压以及电网的谐波电流进行采样量化，并将采集到的信号输入指定次谐波电流检测模块，结 合人机交互界面输入的指令信息，计算出需要补偿的指定次谐波电流；指定次谐波电流检测 模块的输出指令进入电流跟踪控制模块，获得功率电路的驱动信号；电流跟踪控制模块产生 的驱动信号，驱动主电路工作产生需要补偿的指定次谐波电流。

一种指定次谐波补偿APF的谐波检测和补偿电流控制方法如图2所示，由于采用三相三 线制电网的三相对称，现以A、B、C三相中A相为例对谐波检测和补偿方法进行详细说明， 具体步骤为：

第1步，通过信号采样模块中网侧电压传感器、负载电流传感器获得电网任一时刻t的 电网电压和负载电流，分别可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{e}_a\left(t\right)=\sqrt{2}E\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ e_b\left(t\right)=\sqrt{2}E\cos (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\\ e_c\left(t\right)=\sqrt{2}E\cos (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)---\left(1\right);$

其中，e_a（t）、e_b（t）、e_c（t）分别为A、B、C三相电网电压在t时刻的瞬时值，E为电网 电压幅值，i_a(t)、i_b(t)、i_c(t)分别为A、B、C三相负载电流在t时刻的瞬时值，I_k为负载电 流第k次谐波电流的幅值，ω为电网电压角频率，为第k次谐波电流的初始相位角；

第2步，通过人机交互界面输入用户指定的需要检测和补偿的第n次谐波；

第3步，将步骤1中获得的电网电压瞬时值，经过DSP处理器中的软件锁相环得到A相 电网电压的相位为θ=ωt；

第4步，根据步骤2中用户输入的需要治理的谐波次数n和步骤3中通过锁相环获得的 A相电网电压的相位为θ=ωt，构造n倍基波频率的正交单位正余弦函数如下式：

$\left(\begin{array}{c}2\sin \left(\mathrm{n\omega t}\right)\\ 2\cos \left(\mathrm{n\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(3\right);$

第5步，用所构造的n倍基波频率的正交函数分别乘以A相电网电流得到

其中，i_imag为A相负载电流的无功分量，i_real为A相电流的有功分量；

第6步，将步骤5中获得的A相负载电流的无功分量i_imag和A相电流的有功分量i_real，送 入指定次谐波电流检测模块3的改进积分器模块中；

当n=k时：

其中，为积分器输出，表示A相负载电流第n次谐波的无功分量，为积分器输出， 表示A相负载电流第n次谐波的有功分量；In分别表示A相负载电流第n次谐波的相位 和幅值；

当n≠k时：$\left(\begin{array}{c}{\bar{i}}_{\mathrm{nimag}}=0\\ {\bar{i}}_{\mathrm{nreal}}=0\end{array}\right)---\left(6\right)$

其中，为积分器输出，表示A相负载电流第n次谐波的无功分量，为积分器输出， 表示A相负载电流第n次谐波的有功分量；

第7步，将步骤6中获得的A相负载电流第n次谐波的无功分量A相负载电流第n 次谐波的有功分量送入指定次谐波电流检测模块3中的相位及模值计算功能子模块，计算 出需要补偿的负载电流A相的第n次谐波电流为：

其中，i_an为负载电流A相的第n次谐波电流，I_n负载电流A相的第n次谐波电流幅值， 为负载电流A相的第n次谐波电流初始相位；

第8步，步骤7中获得的负载电流A相的第n次谐波电流i_an，送入电流跟踪控制模块4， 输出PWM脉冲驱动信号控制功率电路模块5产生需要补偿的谐波电流；

同理，A、B、C三相中的B、C相也按照上述A相的方式进行谐波检测和补偿。

其中，改进积分器的流程图如图3所示，具体实现方法为将上一周期相应时刻值和当前 周期对应时刻值做差，将得到的差值按照一个周期内的计算次所求取平均值然后计入累积误 差即获得了一个周期内的定积分值，最后用当前时刻值代替上一周期相应时刻值就完成了改 进算法的定积分计算。

而指定次谐波补偿控制框图如图4所示，具体实现方法为将参考母线电压与实际母线电 压做差，差值送入比例积分控制器，获得同步旋转坐标系下的电压控制指令经过2r/3s变换 获得三相坐标系下指令与上文中检测出的第n-n+k次谐波补偿指令相加得到最终的指令电 流，电流控制器在相应的第n-n+k次谐波处具有极大增益，使得补偿电流良好跟踪指令电流。

相比现有的技术，本发明中的指定次谐波补偿APF，能够根据需要通过人机交互界面指 定电网中负载产生的谐波电流的某一次或某几次谐波进行谐波分离检测和补偿，工作方式灵 活可以满足多种不同的工况要求，有针对性的检测和补偿，提高了工作效率。而指定次谐波 补偿APF的谐波检测和补偿电流控制方法能够对电网中的负载产生的谐波电流的某一次或某 几次谐波进行谐波分离检测和补偿，整个基于平均值的谐波检测和谐波补偿电流控制方法， 省略了坐标变换和数字滤波环节，算法更简单，增强了谐波检测和补偿电流的稳定性和可靠 性；进而增强了系统的稳定性，在工作状况变动、外部干扰以及建模误差等不可避免的情况 下，仍能保持系统正常运行，提高了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明指定次谐波补偿有源滤波器的主回路图；

图2为本发明基于平均值算法的指定次谐波检测原理程图；

图3为改进定积分程序流程图；

图4为指定次谐波补偿电流控制系统原理图。

图中：1、信号采样模块，2、人机交互界面，3、指定次谐波电流检测模块，4、电流跟 踪控制模块，5、功率电路模块，7、非线性负载。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种指定次谐波补偿有源电力滤波器，包括信号采样模块1、人机交互界 面2、指定次谐波电流检测模块3、电流跟踪控制模块4和功率电路模块5；所述信号采样模 块1的输入端与电网连接6和非线性负载7相连，其输出端与指定次谐波电流检测模块3的 输入端连接；所述人机交互界面2输出端与指定次谐波电流检测模块3连接；所述指定次谐 波电流检测模块3的输出端与电流跟踪控制模块4的输入端连接；所述电流跟踪控制模块4 的输出端与功率电路模块5连接；所述功率电路模块5产生需要补偿的谐波电流以消除电网 中非线性负载产生的谐波。

电网带非线性负载运行时，主电路中产生大量谐波电流，启动有源电力滤波器后，根据 人机交互界面2的操作提示信息对需要补偿的谐波次数进行设定；信号采样模块1对电网电 压、电网谐波电流进行采样量化，并将采集到的信号输入指定次谐波电流检测模块3，结合 人机交互界面2输入的指令信息，计算出需要补偿的指定次谐波电流；指定次谐波电流检测 模块3的输出指令进入电流跟踪控制模块4，获得功率电路的驱动信号；电流跟踪控制模块4 产生驱动信号，驱动功率电路模块5工作产生需要补偿的指定次谐波电流。通过人机交互界 面2可以指定对电网中负载产生的谐波电流的某一次或某几次谐波进行谐波分离检测和补 偿，工作方式灵活可以满足多种不同的工况要求；同时，有针对性的进行谐波检测和补偿， 提高了工作效率。

一种指定次谐波补偿APF的谐波检测和补偿电流的控制方法如图2所示，由于采用三相 三线制电网三相对称，现以以A、B、C三相中A相为例对谐波检测和补偿方法进行详细说明， 具体步骤为：

第1步，通过信号采样模块1中网侧电压传感器和负载电流传感器获得电网任一时刻t 的电网电压和负载电流分别可以表示为：

$\left(\begin{array}{c}{e}_a\left(t\right)=\sqrt{2}E\cos \left(\mathrm{\omega t}\right)\\ e_b\left(t\right)=\sqrt{2}E\cos (\mathrm{\omega t}-\frac{2\pi }{3})\\ e_c\left(t\right)=\sqrt{2}E\cos (\mathrm{\omega t}+\frac{2\pi }{3})\end{array}\right)---\left(1\right);$

其中，e_a（t）、e_b（t）、e_c（t）分别为A、B、C三相电网电压在t时刻的瞬时值，E为电网 电压幅值，i_a(t)、i_b(t)、i_c(t)分别为A、B、C三相负载电流在t时刻的瞬时值，I_k为负载电 流第k次谐波电流的幅值，ω为电网电压角频率，为第k次谐波电流的初始相位角；

第2步，通过人机交互界面2输入用户指定的需要检测和补偿的第n次谐波；

第3步，将步骤1中获得的电网电压瞬时值，经过DSP处理器中的软件锁相环得到A相 电网电压的相位为θ=ωt；

第4步，根据步骤2中用户输入的需要治理的谐波次数n和步骤3中通过锁相环获得的 A相电网电压的相位为θ=ωt，构造n倍基波频率的正交单位正余弦函数如下式：

$\left(\begin{array}{c}2\sin \left(\mathrm{n\omega t}\right)\\ 2\cos \left(\mathrm{n\omega t}\right)\end{array}\right)---\left(3\right);$

第5步，用所构造的n倍基波频率的正交函数分别乘以A相电网电流得到：

其中，i_imag为A相负载电流的无功分量，i_real为A相电流的有功分量；

第6步，将步骤5中获得的A相负载电流的无功分量i_imag和A相电流的有功分量i_real，送 入指定次谐波电流检测模块3的改进积分器模块内；

当n=k时：

其中，为积分器输出，表示A相负载电流第n次谐波的无功分量，为积分器输出， 表示A相负载电流第n次谐波的有功分量；I_n分别表示A相负载电流第n次谐波的相位 和幅值；

当n≠k时：$\left(\begin{array}{c}{\bar{i}}_{\mathrm{nimag}}=0\\ {\bar{i}}_{\mathrm{nreal}}=0\end{array}\right)---\left(6\right);$

其中，为积分器输出，表示A相负载电流第n次谐波的无功分量，为积分器输出， 表示A相负载电流第n次谐波的有功分量；

第7步，将步骤6中获得的A相负载电流第n次谐波的无功分量A相负载电流第n 次谐波的有功分量送入指定次谐波电流检测模块3中的相位及模值计算功能子模块，计算 出需要补偿的负载电流A相的第n次谐波电流为：

其中，i_an为负载电流A相的第n次谐波电流，I_n负载电流A相的第n次谐波电流幅值， 为负载电流A相的第n次谐波电流初始相位；

第8步，步骤7中获得的负载电流A相的第n次谐波电流i_an，送入电流跟踪控制模块4， 输出PWM脉冲驱动信号控制功率电路模块5产生需要补偿的谐波电流；

同理，A、B、C三相中的B、C相也按照上述A相的方式进行谐波检测和补偿。

其中，改进积分器的流程图如图3所示，具体实现方法为将上一周期相应时刻值和当前 周期对应时刻值做差，将得到的差值按照一个周期内的计算次所求取平均值然后计入累积误 差即获得了一个周期内的定积分值，最后用当前时刻值代替上一周期相应时刻值就完成了改 进算法的定积分计算。

而指定次谐波补偿控制框图如图4所示，具体实现方法为将参考母线电压与实际母线电 压做差，差值送入比例积分控制器，获得同步旋转坐标系下的电压控制指令经过2r/3s变换 获得三相坐标系下指令与上文中检测出的第n-n+k次谐波补偿指令相加得到最终的指令电 流，电流控制器在相应的第n-n+k次谐波处具有极大增益，使得补偿电流良好跟踪指令电流。

按照上述方法对电网中的负载产生的谐波电流的某一次或某几次谐波进行谐波分离检测 和补偿，省略了坐标变换和数字滤波环节，算法更简单，增强了谐波检测和电流补偿的稳定 性和可靠性，进而增强了系统的稳定性，在工作状况变动、外部干扰以及建模误差等不可避 免的情况下，仍能保持系统正常运行。