有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环控制方法和系统技术方案

有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环控制方法，含有基于瞬时无功功率理论的有功电流ｉ↓［ｐ］、无功电流ｉ↓［ｑ］谐波检测的步骤，其特征在于：它是一种在检测出第Ｎ次谐波有功和无功电流的直流分量＊↓［ｐｎ］、＊↓［ｑｎ］后，再经过加入了延迟补偿角Δθ的特殊变换矩阵Ｃ↓［Δθ］以求出两相坐标系电流ｉ↓［αｎ］、ｉ↓［βｎ］后，再从中减去直流侧电压调节信号Δｉ↓［ｐ］以使得补偿电流信号ｉ↓［ａｎ］、ｉ↓［ｂｎ］、ｉ↓［ｃｎ］中含有一定的基波有功电流的方法，是一种建立在延迟预测补偿的选择性谐波检测基础上的直流侧电压控制方法，其中直流电压调节信号Δｉ↓［ｐ］是变流器直流侧电容电压给定值Ｕ↓［ｄｃｒ］和上述电容电压反馈值Ｕ↓［ｄｃｆ］的差，再经过一个ＰＩ调节器而得到的，它依次含有以下步骤： （１）把相电压ｅ↓［ａ］经倍频器Ｎ倍频后通过锁相环和正、余弦发生电路得到与ｅ↓［ａ］同相位的正弦信号ｓｉｎ ｎωｔ和对应的余弦信号ｃｏｓ ｎωｔ，从而得到变换矩阵Ｃ↓［ｎ］： ＊＊＊ （２）把三相电流ｉ↓［ａ］、ｉ↓［ｂ］、ｉ↓［ｃ］经过３Ｓ／２Ｒ（三相静止坐标系／两相旋转坐标系）变换，变换成静止的α、β两相坐标系的电流ｉ↓［α］、ｉ↓［β］： ＊＊＊，Ｃ↓［３２］是变换矩阵； （３）把两相电流ｉ↓［α］、ｉ↓［β］经过变换矩阵Ｃ↓［ｎ］得出在两相旋转坐标系下的各次谐波电流的有功和无功电流分量： ＊＊＊ （４）把各次谐波的有功和无功电流分量ｉ↓［ｐｎ］、ｉ↓［ｑｎ］经低通滤波器ＬＰＦ滤波得出第Ｎ次谐波有功和无功电流的直流分量＊↓［ｐｎ］、＊↓［ｑｎ］，再经过加入补偿角Δθ的特殊变换矩阵Ｃ↓［Δθ］求出两相坐标系下的电流ｉ↓［αｎ］、ｉ↓［βｎ］： ＊＊＊ 其中，Δθ＝ｎωΔＴ；ΔＴ为补偿的时间间隔； （５）求出Ｕ↓［ｄｃｒ］、Ｕ↓［ｄｃｆ］之差经过ＰＩ调节器得到直流侧电压调节信号Δｉ↓［ｐ］； （６）负反馈叠加求出两相坐标系下第Ｎ次谐波电流的补偿信号为： ＊＊＊ （７）最终得出含有基波有功电流分量的第Ｎ次谐波电流补偿信号ｉ↓［ａｎ］、ｉ↓［ｂｎ］、ｉ↓［ｃｎ］： ＊＊＊ 步骤（２）－（７）在数字信号处理器ＤＳＰ中进行。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环方法及系统属于有源电力滤波器
有源电力滤波器系统由两大部分组成，如附图说明图1所示，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。由图1中可以看出补偿电流发生电路是并联型有源电力滤波器中一个重要的组成部分。补偿电流发生电路由电压型PWM变流器(主电路)及其相应的驱动电路、电流跟踪控制电路组成。为了保证其有良好的补偿电流跟随性能，必须将变流器直流侧电容的电压控制为一个适当的值。在电力电子领域中，对于直流侧电压进行控制的传统方法是为直流侧的电容再提供一个单独的直流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法虽然能够达到控制直流侧电容电压的目的，但是需要另外设立一套电路，从而增加了整个系统的复杂程度，也增加了系统的成本、损耗等等。在有源电力滤波器的系统实现中，对于直流侧电容电压的控制只需要通过对主电路进行适当地控制就可以实现了。对直流侧电压Udc的控制是通过指令电流运算电路中直流控制部分结合补偿电流发生电路来实现的。由于直流侧电容电压控制是结合谐波电流检测环节来完成的，因此随着谐波电流检测方法的改进，直流侧电容电压控制方法也有不同。基于瞬时无功功率理论的ip、iq谐波检测方法的直流侧电容电压控制电路原理图如图2。图中，Udcr是电容电压的给定值，Udcf是电容电压的反馈值，两个量的差经过一个PI调节器变成调节信号Δip(补偿电流参考值有功分量)，它叠加到基波的瞬时有功电流的直流分量ip上，经过运算在补偿电流信号iah、ibh、ich中包含一定的基波有功电流。补偿电流发生电路根据ih产生补偿电流ic注入电网，使得补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使APF的变流器的直流侧和交流侧交换能量，将Udc调节到给定值。采用传统的ip、iq谐波检测方法，数字式控制器会产生延迟时间，而方法本身没有对延迟时间进行补偿，对于电流变化有明显时滞，无法响应谐波电流的快速变化，从而无法实现谐波的实时补偿。依靠谐波电流检测的直流侧电容控制虽然可以做到控制的结果，但是由于谐波电流的检测实时性是保证有源电力滤波器补偿特性的重要环节，所以直流侧电容控制也随之需要改变。本专利技术的目的在于提供一种既可以补偿数字式控制器的延时时间又可把直流侧电容电压控制在一个适当值的有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环控制方法和系统。对于数字式控制器，需要至少一个采样周期ΔT的运算时间，同时PWM逆变器的输出也需要一个ΔT时间以建立电压。这样，从电流采样到谐波补偿，至少存在一个ΔT的延迟时间。在延迟时间ΔT内，设基波角频率为ω，n次谐波在这ΔT内旋转过了Δθ＝n·ω·ΔT＝2nπfΔT(rad)，如果不对这个延迟时间进行补偿，则旋转变换C和其逆变换C-1不再是恒等变换。严重时，某个谐波的补偿甚至会形成正反馈。例如对于11次谐波，在工频f＝50Hz，延迟时间1ms时，11次谐波在这1ms内旋转了3.454rad，接近180°。这样，在检测出11次谐波以后，谐波补偿时不但不能消除该次谐波，反而形成正反馈。可见，在谐波电流的检测中，延迟时间的补偿是十分重要的。一味的希望通过硬件计算速度的提高来减少延迟时间，只能使得APF的价格变得更加昂贵。本方法在进行两相旋转到两相静止坐标变换时在变换矩阵中加入Δθ角用以补偿延迟时间。这种方法计算简便，实用性强。本专利技术提出了一种基于加预测补偿的选择性谐波电流检测方法上的直流侧电容电压的闭环控制方法。由三相电路瞬时无功功率理论可知，三相电路瞬时有功功率p和瞬时无功功率q定义为p＝e·ip，q＝e·iq。p与ip、q与iq之间相差系数e。当三相电压正弦对称时，e=3E,]]>为常量。所以p与ip、q与iq成正比。根据三相瞬时无功功率理论对各相瞬时无功功率和有功功率定义得到pa=3ea2p/A---qa=ea(eb-ec)q/A]]>pb=3eb2p/A---qb=eb(ec-ea)q/A......(1)]]>pc=3ec2p/A---qc=ec(ea-eb)q/A]]>其中A＝(ea-eb)2+(eb-ec)2+(ec-ea)2。由式(1)得到pa+pb+pc＝p(2)qa+qb+qc＝0由式(2)可知，各相的瞬时无功功率之和为零。虽然单独某一相的瞬时无功功率不为零，但是三相的总和为零，这表明瞬时无功功率只是在三相之间交换。因此，对于有源电力滤波器而言，瞬时无功功率不会导致其交流侧与直流侧之间的能量交换。由式(2)可知，各相瞬时有功功率之和等于三相电路瞬时有功功率p。也就是说，对于有源电力滤波器，如果不考虑各部分的损耗，交流侧的瞬时有功功率将全部传递到直流侧，即交流侧与直流侧的能量交换取决于瞬时有功功率p。从物理意义上说，此时直流侧的电容C是储能元件，所以应该是电源的有功功率给电容C充电。因此，我们知道给电容器充电的是交流侧的瞬时有功功率，但是并不知道是有功电流的基波分量还是谐波分量。由于为了不将电源电流中的谐波分量引入，所以应该尽量采用电源中的有功电流的基波分量给电容器充电。因此，直流侧电压的调节信号加在了有功电流的基波分量上，使得产生的补偿电流中包含一定的有功电流基波分量，而这个有功电流基波分量的目的就是给电容器充电。从而达到了直流侧电压控制的目的。对于选择性谐波检测方法，和传统的ip、iq法在直流侧电压控制上还有一些不同。在传统的方法中，这个直流电压调节信号△ip是加在基波瞬时有功电流的直流分量上，即，Ih'=I-If',]]>If'=If+Δip,]]>所以Ih'=I-If-Δip]]>。由于直流电压调节信号△ip应该是一个基波的直流有功量，而在选择性谐波检测方法中经过LPF的是各次谐波的直流分量Ih，而不是基波的直流分量。所以如图3所示，在选择性谐波检测方法中，对于直流侧控制稍加改动。同样是为了要使得补偿电流信号iah、ibh、ich中包含一定的基波有功电流，因此将直流电压调节信号在检测出补偿电流信号之后减去，即，Ih'=Ih-Δip.]]>本专利技术所提出的方法的特征在于它是一种在检测出第N次谐波有功和无功电流的直流分量ipn、iqn后，再经过加入了延迟补偿角△θ的特殊变换矩阵C△θ以求出两相坐标系电流iαn、iβn后，再从中减去直流侧电压调节信号△ip以使得补偿电流信号ian、ibn、icn中含有一定的基波有功电流的方法，是一种建立在延迟预测补偿的选择性谐波检测基础上的直流侧电压控制方法，其中直流电压调节信号△ip是变流器直流侧电容电压给定值Udcr和上述电容电压反馈值Udcf的差，再经过一个PI调节器而得到的，它依次含有以下步骤(1)把相电压ea经倍频器N倍频后通过锁相环和正、余弦发生电路得到与ea同相位的正弦信号sinnωt和对应的余弦信号COSnωt，从而得到变换矩阵CnCn=-sinnωtcosnωtcosnωtsinnωt;]]>(2)把三相电流ia、ib、ic经过3s/2R(三相静止坐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环控制方法，含有基于瞬时无功功率理论的有 功电流ip、无功电流iq谐波检测的步骤，其特征在于：它是一种在检测出第N次谐波有功 和无功电流的直流分量 ipn、 iqn后，再经过加入了延迟补偿角Δθ的特殊变换矩阵CΔθ以求 出两相坐标系电流iαn、iβn后，再从中减去直流侧电压调节信号Δip以使得补偿电流信号 ian、ibn、icn中含有一定的基波有功电流的方法，是一种建立在延迟预测补偿的选择性谐 波检测基础上的直流侧电压控制方法，其中直流电压调节信号Δip是变流器直流侧电容电压 给定值Udcr和上述电容电压反馈值Udcf的差，再经过一个PI调节器而得到的，它依次含 有以下步骤： (1)把相电压ea经倍频器N倍频后通过锁相环和正、余弦发生电路得到与ea同相位的正 弦信号sin？nωt和对应的余弦信号cosnωt，从而得到变换矩阵Cn： Cn

【技术特征摘要】
1.有源电力滤波器的变流器直流侧电压闭环控制方法，含有基于瞬时无功功率理论的有功电流ip、无功电流iq谐波检测的步骤，其特征在于它是一种在检测出第N次谐波有功和无功电流的直流分量ipn、iqn后，再经过加入了延迟补偿角Δθ的特殊变换矩阵CΔθ以求出两相坐标系电流iαn、iβn后，再从中减去直流侧电压调节信号Δip以使得补偿电流信号ian、ibn、icn中含有一定的基波有功电流的方法，是一种建立在延迟预测补偿的选择性谐波检测基础上的直流侧电压控制方法，其中直流电压调节信号Δip是变流器直流侧电容电压给定值Udcr和上述电容电压反馈值Udcf的差，再经过一个PI调节器而得到的，它依次含有以下步骤(1)把相电压ea经倍频器N倍频后通过锁相环和正、余弦发生电路得到与ea同相位的正弦信号sin nωt和对应的余弦信号cosnωt，从而得到变换矩阵CnCn=-sinnωtcosnωtcosnωtsinnωt;]]>(2)把三相电流ia、ib、ic经过3S/2R(三相静止坐标系/两相旋转坐标系)变换，变换成静止的α、β两相坐标系的电流iα、iβiαiβ=C32·iaibic,]]>C32是变换矩阵；(3)把两相电流iα、iβ经过变换矩阵Cn得出在两相旋转坐标系下的各次谐波电流的有功和无功电流分量ipniqn=Cn·iαiβ=Cn·C32·iaibic;]]>(4)把各次谐波的有功和无功电流分量ipn、iqn经低通滤波器LPF滤波得出第N次谐波有功和无功电流的直流分量ipn、iqn，再经过加入补偿角Δθ的特殊变换矩阵CΔθ求出两相坐标系下的电流iαn、iβniαniβn=CΔθ&CenterD...

【专利技术属性】
技术研发人员：王灏，杨耕，徐文立，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：