一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端技术方案

本发明专利技术属于电解电容控制技术领域，公开了一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端，所述有源电容控制方法包括：基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；进行并联谐振型阻抗网络的构建；基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。本发明专利技术提供的有源电容控制方法，通过异频功率转换机制，将高频合成低频，提高无功功率的补偿量，可以利用较小的无源器件实现大容量等效容值的有源电容。同时，为更好的证明理论与分析，本发明专利技术在matlab环境下搭建仿真模型，从仿真波形图中可知采用的电压信号为高频信号，通过差频无功功率机制得到低频无功功率，功率为100Hz的低频信号，从而验证理论。从而验证理论。从而验证理论。

【技术实现步骤摘要】
一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端


[0001]本专利技术属于电解电容控制
，尤其涉及一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端。

技术介绍

[0002]目前，电解电容具有容量大，单位容值价格低等优势，作为关键器件被广泛应用于许多领域。然而其寿命短、环境适应性差，系统故障率高成为制约电能变换装置性能提升的重要短板。为克服电解电容寿命短、环境适应性差的缺陷，各国学者在电机驱动、LED照明、光伏并网等领域进行了去电解电容化研究，并提出了一系列无电解电容主电路拓扑与控制方案。主要包括改进控制策略、增加附属电路、改变主电路结构等方法达到了去电解电容的目的。
[0003]有学者提出将高次谐波注入系统，从而降低输入电流峰值抑制直流侧电压波动，还有方案利用多个开关的组合投切电容达到吸收功率的目的，然而电容投切是一种非连续控制，造成电压跳动，许多方案中采用电感作为储能元件，将直流侧的波动功率予以吸收，但是使用电感作为储能元件体积大、效率低。因此在文献《Active Power Decoupling for High
‑
Power Single
‑
Phase PWM Rectifier》中利用电容作为功率吸收原件，在H桥电路中增加一个桥臂，将直流侧功率波动转移至电容，实现了功率解耦。文献《Power Decoupling Method for Single
‑
Phase H
‑
Bridge Inverters With No Additional Power Electronics》利用H桥构造了共模电流的回路，形成差模BUCK电路，并在共模回路中注入两倍频电流，在未增加器件数量的情况下达到了功率解耦的目的。还有学者提出利用电力电子电路模拟电解电容外特性，并直接替代电解电容的构想。
[0004]以上方案中实现无功功率补偿均是采用无源器件，但无源器件体积会限制有源电容的容量。因此，亟需一种新的有源电容控制方法、系统。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)电解电容寿命短、环境适应性差，系统故障率高成为制约电能变换装置性能提升的重要短板。
[0007](2)电容投切是一种非连续控制，会造成电压跳动；现有方案中多采用电感作为储能元件，将直流侧的波动功率予以吸收，但是使用电感作为储能元件体积大、效率低。
[0008](3)现有技术方案中实现无功功率补偿均是采用无源器件，但无源器件体积会限制有源电容的容量。
[0009]解决以上问题及缺陷的难度为：
[0010]只需利用高频信号控制，即可输出低频无功功率，控制较为简单。
[0011]解决以上问题及缺陷的意义为：
[0012]能够使用较小的无源元件，可使得整个系统功率密度提高。

技术实现思路

[0013]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端，尤其涉及一种基于差频无功理论的有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端。
[0014]本专利技术是这样实现的，一种有源电容控制方法，所述有源电容控制方法包括以下步骤：
[0015]步骤一，基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；
[0016]步骤二，进行并联谐振型阻抗网络的构建；
[0017]步骤三，基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
[0018]进一步，步骤一中，所述差频无功理论机制，包括：
[0019]假设无源器件在系统中承受的电压为u，电流为i，则产生的无功功率Q的表示为：
[0020][0021]其中，ω为系统频率，C为无源电容，L为无源电感，补偿的无功功率与系统频率存在正比关系，提高系统频率即可提高补偿的无功功率，利用该原理，在输出等量无功情况下，提高频率的同时，减小无源元件的量，从而可实现高频功率合成低频功率。
[0022]假设存在两个角速度分别为ω1、ω2的电压矢量V1、V2在DQ坐标系上同向旋转，I1、I2分别为电压矢量V1、V2所产生的电流，也分别以角速度ω1、ω2同向旋转。由于两矢量之间存在频率差，则两矢量角速度之差为ω1差ω2。
[0023]电压矢量V1与电流矢量I2相互作用产生的瞬时功率表示为：
[0024]Q1(t)＝|V1|
·
|I2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t+θ1]ꢀꢀꢀ
(2)
[0025]其中，角速度为ω1电压矢量与角速度为ω2电流矢量相互作用产生频率为(ω1‑
ω2)/2π的波动功率，该频率为矢量V1与I2频率之差。同时，该功率为周期性交换功率，故称之为差频无功，同理电压矢量V2与电流矢量I1同样产生差频无功，如式(3)所示：
[0026]Q2(t)＝|V2|
·
|I1|
·
cos
·
(ω1‑
ω2)
·
t+θ2]ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]结合式(2)和式(3)得到在电压矢量V1、V2及其产生的电流矢量I1、I2作用下产生的低频波动功率为：
[0028]Q(t)＝|V1|
·
|I2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t+θ1]+|V2|
·
|I1|
·
[(ω1‑
ω2)
·
t+θ2]ꢀꢀꢀ
(4)
[0029]选择一组合适的高频且频率相近的电压矢量V1、V2，频率分别为ω1/2π、ω2/2π作用于阻抗网络可产生差频波动的无功；采取H桥作为有源电容主电路拓扑，通过桥臂输出互差90
°
的合成电压矢量以获得高频矢量功率源。
[0030]两个桥臂分别输出电压V
D
、V
Q
合成电压矢量输出电压作用于同一阻抗网络，由于需多组矢量功率源相互作用，因此电压矢量中最少包含两个矢量源因此有：
[0031][0032]由两组电压矢量组成如式(6)所示：
[0033][0034]通过两组桥臂的调制输出幅值、频率可控的电压矢量，并将该电压矢量作用于同一组阻抗网络。
[0035]进一步，步骤二中，所述并联谐振型阻抗网络的构建，包括：
[0036]选择阻抗网络呈纯容性或纯感性，则电压矢量V1、V2与其产生的电流矢量I1、I2之间的夹角均为π/2，则阻抗网络呈纯感性状态下的矢量θ1、θ2的关系为：
[0037]θ2＝π
‑
θ1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0038]根据式(6)～(8)得到两组矢量合成后的功率表达式为：
[0039]Q(t)＝(|V1|
·
|I2|
‑
|V2|...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有源电容控制方法，其特征在于，所述有源电容控制方法包括以下步骤：步骤一，基于差频无功理论机制，进行高频功率合成低频功率；步骤二，进行并联谐振型阻抗网络的构建；步骤三，基于高频同步旋转坐标系进行有源电容控制策略的确定。2.如权利要求1所述的有源电容控制方法，其特征在于，步骤一中，所述差频无功理论机制，包括：假设无源器件在系统中承受的电压为u，电流为i，则产生的无功功率Q的表示为：其中，ω为系统频率，C为无源电容，L为无源电感，补偿的无功功率与系统频率存在正比关系，提高系统频率即可提高补偿的无功功率，利用该原理，在输出等量无功情况下，提高频率的同时，减小无源元件的量，从而可实现高频功率合成低频功率；假设存在两个角速度分别为ω1、ω2的电压矢量V1、V2在DQ坐标系上同向旋转，I1、I2分别为电压矢量V1、V2所产生的电流，也分别以角速度ω1、ω2同向旋转；由于两矢量之间存在频率差，则两矢量角速度之差为ω1差ω2；电压矢量V1与电流矢量I2相互作用产生的瞬时功率表示为：Q1(t)＝|V1|
·
|I2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t+θ1]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，角速度为ω1电压矢量与角速度为ω2电流矢量相互作用产生频率为(ω1‑
ω2)/2π的波动功率，该频率为矢量V1与I2频率之差；同时，该功率为周期性交换功率，故称之为差频无功，同理电压矢量V2与电流矢量I1同样产生差频无功，如式(3)所示：Q2(t)＝|V2|
·
|I1|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t+θ2]
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(3)结合式(2)和式(3)得到在电压矢量V1、V2及其产生的电流矢量I1、I2作用下产生的低频波动功率为：Q(t)＝|V1|
·
|I2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t+θ1]+|V2|
·
|I1|
·
[(ω1‑
ω2)
·
t+θ2]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)选择一组合适的高频且频率相近的电压矢量V1、V2，频率分别为ω1/2π、ω2/2π作用于阻抗网络可产生差频波动的无功；采取H桥作为有源电容主电路拓扑，通过桥臂输出互差90
°
的合成电压矢量以获得高频矢量功率源；两个桥臂分别输出电压V
D
、V
Q
合成电压矢量输出电压作用于同一阻抗网络，由于需多组矢量功率源相互作用，因此电压矢量中最少包含两个矢量源因此有：因此有：由两组电压矢量组成如式(6)所示：通过两组桥臂的调制输出幅值、频率可控的电压矢量，并将该电压矢量作用于同一组
阻抗网络。3.如权利要求1所述的有源电容控制方法，其特征在于，步骤二中，所述并联谐振型阻抗网络的构建，包括：选择阻抗网络呈纯容性或纯感性，则电压矢量V1、V2与其产生的电流矢量I1、I2之间的夹角均为π/2，则阻抗网络呈纯感性状态下的矢量θ1、θ2的关系为：θ2＝π
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：刘鹏，樊越，章勇高，迮思源，何明星，王启军，沈维俊，杨伟伟，付涛，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：