專利名稱：一種基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子裝置控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于快速傅里葉變換 (Fast Fourier Transform)的諧波電流補(bǔ)償方法。
背景技術(shù)：
鏈?zhǔn)綋Q流器在工程中應(yīng)用廣泛，其由多個單相換流鏈構(gòu)成，每個單相換流鏈由至少一個單相鏈節(jié)(即圖1中的級聯(lián)模組1，2. . . η)構(gòu)成，鏈節(jié)與鏈節(jié)之間可通過串聯(lián)或并聯(lián)相連接，每個鏈節(jié)包括H橋型電壓源換流器。鏈?zhǔn)綋Q流器具有諸多優(yōu)點(diǎn)，可以實現(xiàn)獨(dú)立分相控制，有利于解決系統(tǒng)的相間平衡問題。其所有鏈接的基本單元結(jié)構(gòu)完全相同，可以實現(xiàn)模塊化設(shè)計，便于擴(kuò)容和維護(hù)，并避免了因開關(guān)器件直接串并聯(lián)使用而產(chǎn)生的問題。鏈?zhǔn)綋Q流器采用普通變壓器接入系統(tǒng)，避免了多重化變壓器帶來的問題，減小了占地面積，降低了裝置成本。此外，多電平鏈?zhǔn)綋Q流器的輸出的諧波可忽略，不需要濾波器。然而，鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)引發(fā)的問題是直流側(cè)電容電壓波動劇烈及直流電容電壓不平衡， 協(xié)調(diào)控制難度較大。當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡時，存在負(fù)序電流使換流器交流側(cè)電流不對稱，影響STATC0M正常運(yùn)行。采用雙序電流解耦控制對鏈?zhǔn)絊TATC0M輸出電流正、負(fù)序分量進(jìn)行獨(dú)立控制，可以改善其在系統(tǒng)電壓不平衡情況下的控制性能，且便于實現(xiàn)基于負(fù)序電流的鏈?zhǔn)絊TATC0M相間功率平衡控制。該控制在實際應(yīng)用中對正負(fù)序電流的提取采用派克變換法，得到的正負(fù)序分量中除了正負(fù)序直流分量以外均含有2次諧波。為了充分發(fā)揮PI調(diào)節(jié)器對直流分量的無靜差控制特性，在控制系統(tǒng)中加入陷波器對2次諧波電流進(jìn)行濾除。然而，在電流控制回路中加入陷波器將會導(dǎo)致控制回路帶寬降低，延時增大，進(jìn)而對諧波電流補(bǔ)償精度造成影響。需設(shè)計諧波電流補(bǔ)償算法，提高控制系統(tǒng)在低帶寬情況下對諧波電流的補(bǔ)償精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的提出一種基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償算法，該算法通過對諧波電流指令幅值和相位的的獨(dú)立控制達(dá)到提高換流器補(bǔ)償負(fù)載諧波電流精度的目的。本發(fā)明提供的一種基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其改進(jìn)之處在于所述補(bǔ)償方法包括如下步驟(1)對負(fù)載電流和鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流進(jìn)行所述快速傅里葉變換分析，分別得到所述負(fù)載電流諧波分量幅值/相位的偏差和所述鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流諧波分量幅值/相位的偏差；(2)對步驟(1)的兩個所述偏差進(jìn)行滯環(huán)控制；(3)根據(jù)步驟O)的結(jié)果決定諧波電流的幅值指令和相位指令的校正方向；(4)在每個采樣周期對所述諧波電流的幅值指令和相位指令進(jìn)行校正，得到考慮控制器帶寬影響的諧波電流幅值指令和相位指令；(5)對步驟(4)得到的諧波電流的幅值指令和相位指令進(jìn)行重構(gòu)；(6)進(jìn)行派克變化，得到dq坐標(biāo)系下的諧波電流指令；(7)將步驟(6)諧波電流指令疊加到正序電流控制指令中，實現(xiàn)對負(fù)載諧波電流的補(bǔ)償。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其改進(jìn)之處在于對諧波電流的校正在頻域中實現(xiàn)；通過對需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流的幅值指令和相位指令分別進(jìn)行校正，得到校正后的諧波電流幅值與相位信號，經(jīng)過諧波電流重構(gòu)環(huán)節(jié)得到校正后的時域諧波電流指令。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其改進(jìn)之處在于對諧波電流的幅值指令和相位指令采用實時滯環(huán)調(diào)節(jié)的控制方法，所述方法包括如下步驟1)對鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流與負(fù)載電流進(jìn)行快速傅里葉變換分析，分別得鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流幅值信號、相位信號和負(fù)載電流的幅值信號、相位信號；2)分別求取負(fù)載諧波電流幅值信號誤差、負(fù)載諧波電流相位信號誤差、輸出諧波電流幅值信號誤差和輸出諧波電流相位信號誤差，將所述的4個誤差分別對應(yīng)與幅值信號的誤差滯環(huán)寬度和相位信號的誤差滯環(huán)寬度作比較，根據(jù)滯環(huán)控制的輸出確定諧波電流幅值指令和相位指令的調(diào)節(jié)方向；3)進(jìn)行滯環(huán)控制當(dāng)負(fù)載諧波電流幅值與輸出諧波電流幅值誤差在滯環(huán)寬度范圍內(nèi)時諧波電流幅值指令不變；當(dāng)負(fù)載諧波電流幅值與輸出諧波電流幅值誤差大于滯環(huán)寬度且為正時，諧波電流幅值指令、增大以減小該誤差；當(dāng)負(fù)載諧波電流幅值與輸出諧波電流幅值誤差大于滯環(huán)寬度且為負(fù)時，諧波電流幅值指令減小以減小該誤差；諧波電流相位滯環(huán)控制原理與幅值滯環(huán)控制原理相同；4)在所述每個采樣周期循環(huán)步驟1)-步驟4)，通過對諧波電流指令的調(diào)節(jié)降低輸出電流與負(fù)載諧波電流的誤差，提高鏈?zhǔn)綋Q流器補(bǔ)償負(fù)載諧波電流的精度。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其改進(jìn)之處在于所述控制器采用雙序電流解耦控制，雙序電流解耦控制環(huán)節(jié)包括正序電流控制與負(fù)序電流控制；所述正序電流控制為，將三相正序電流指令的dq軸分量ip/、ip(；與測量所得的換流器輸出正序電流的dq軸分量ipd、ipq相減所得的偏差經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器后，與dq軸電流耦合量《Lf。iM、《Lf。ipd以及系統(tǒng)電壓的dq軸分量^vam進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到正序調(diào)制波電壓的dq軸分量<d、Vpq-,所述負(fù)序電流控制為，將三相負(fù)序電流指令的dq軸分量in/、in(；與測量所得的換流器輸出負(fù)序電流的dq軸分量ind、inq相減所得的偏差經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器后，與dq軸電流耦合量《Lf。in(1、《Lf。ind以及系統(tǒng)電壓的dq軸分量^、^進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到負(fù)序調(diào)制波電壓的dq軸分量V:、vnq·,將得到的所述正序調(diào)制波電壓和負(fù)序調(diào)制波電壓分別進(jìn)行坐標(biāo)變換到α β坐標(biāo)系下相加得到后進(jìn)行克拉克反變換，得到三相調(diào)制波電壓參考值 /:、U:、 /:，控制換流器輸出實現(xiàn)閉環(huán)控制。
本發(fā)明提供的第四優(yōu)選方案的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其改進(jìn)之處在于所述步驟(1)負(fù)載電流諧波分量和所述鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流諧波分量為同次的諧波分量。本發(fā)明的控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1)所述補(bǔ)償算法間接對諧波電流指令幅值和相位進(jìn)行獨(dú)立實時校正，可以解決控制器帶寬較低情況下對諧波電流的精確補(bǔ)償。2)所述補(bǔ)償算法采用實時滯環(huán)控制的方法，保證了輸出電流補(bǔ)償負(fù)載諧波電流的精度。3)所述補(bǔ)償算法有效解決了控制器延時對諧波電流補(bǔ)償相位的影響，具有較強(qiáng)的工程實用價值。4)所述補(bǔ)償算法適用于采用鏈?zhǔn)紿橋換流器的其他FACTS裝置諧波電流補(bǔ)償?shù)膱龊希m用范圍寬廣。5)本發(fā)明提出基于負(fù)序電流的換流鏈平均直流電壓的控制方法基于負(fù)序電流的換流鏈平均直流電壓控制策略，具有控制目標(biāo)明確，響應(yīng)速度快，控制效果良好等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是級聯(lián)H橋鏈?zhǔn)絊TATC0M主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2是鏈?zhǔn)綋Q流器雙序電流控制實現(xiàn)框圖；圖3是abc-dq派克變換示意圖；圖4是本發(fā)明的諧波電流補(bǔ)償算法實現(xiàn)框圖。其中BSF+LPF 為 IOOHz 陷波 +200Hz 低通。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的控制方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。所述內(nèi)容中的系統(tǒng)電壓，負(fù)載電流，鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流均由測量環(huán)節(jié)獲得。在電氣量信號用于實現(xiàn)控制目標(biāo)時，已進(jìn)行濾波處理和歸算。為了更清楚的闡述本發(fā)明的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償算法的工作原理，現(xiàn)結(jié)合級聯(lián)H橋型STATC0M控制算法分析說明，該STATC0M結(jié)構(gòu)如附圖1所示。每相由N個具有獨(dú)立直流電容的級聯(lián)型單相逆變器串聯(lián)而成，三相換流鏈采用星型接法。圖中 usA、usB、usC為所在系統(tǒng)的交流電壓，ifa、ifb、ifc分別為STATC0M輸出電流，iLb> iLc分別為STATC0M所在系統(tǒng)的負(fù)載電流，Lfa, Lfb, Lfc為系統(tǒng)連接電抗器。鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中每相包含多個H橋鏈節(jié)，鏈節(jié)差異性和實際控制中存在的觸發(fā)脈沖延時等因素導(dǎo)致鏈節(jié)直流電壓不平衡，容易發(fā)生過壓故障導(dǎo)致裝置跳閘。因此鏈?zhǔn)絊TATC0M 對直流電壓控制要求較高。當(dāng)系統(tǒng)電壓不平衡時，STATC0M所在交流系統(tǒng)存在負(fù)序電流使換流器交流側(cè)電流不對稱，影響STATC0M正常運(yùn)行。采用雙序電流解耦控制對鏈?zhǔn)絊TATC0M輸出電流正、負(fù)序分量進(jìn)行獨(dú)立控制，可以改善其在系統(tǒng)電壓不平衡情況下的控制性能，且便于實現(xiàn)基于負(fù)序電流的鏈?zhǔn)絊TATC0M相間功率平衡控制，該控制框圖如圖2所示。圖中ip/為正序有功電流指令，ip；為正序無功電流指令。由全局直流電壓控制輸出與諧波電流指令d軸分量ih—dMf疊加構(gòu)成，ip(；由無功電流指令與諧波電流q 軸分量ih(ffrf疊加構(gòu)成。in/、in(；為負(fù)序電流直流電壓控制指令。該控制輸出為調(diào)制波電壓 Uma、Umb、Um。。i5pd、iv、end、emi 分別為系統(tǒng)電壓正、負(fù)序分量，ipd>ipq>ind>inq 分別為 STATC0M 輸出電流正、負(fù)序分量。該電壓和電流中均含有2次諧波分量，該分量由系統(tǒng)電壓和STATC0M 輸出電流分別經(jīng)過正、反向派克變換(派克變換示意圖如圖3所示)之后經(jīng)過IOOHz陷波， 200Hz低通濾波得到。濾除后只含有相應(yīng)的直流分量，采用PI調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)正負(fù)序電流的無靜差控制。諧波電流補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘筍TATC0M輸出電流與負(fù)載電流中的諧波分量相同。然而，當(dāng)電流控制回路中加入陷波器之后，控制回路帶寬降低，進(jìn)而導(dǎo)致STATC0M輸出諧波電流相位延時增大，諧波幅值降低，需對要補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波電流幅值和相位進(jìn)行單獨(dú)校正，即可達(dá)到諧波補(bǔ)償精度的要求。以STATC0M補(bǔ)償η次諧波電流為例。假設(shè)負(fù)載電流中的η次諧波幅值與相位分別為i_ag和，諧波電流檢測算法檢測到的負(fù)載電流中的諧波幅值與相位分別為iDn—mag 和iDn—phs，STATC0M輸出電流中的η次諧波幅值與相位分別為ifn—Mg和ifnjhs。實現(xiàn)理想的諧波電流補(bǔ)償應(yīng)滿足以下關(guān)系式。
fn _ mag Dn _ mag Ln _ mag
· — · —(I)
fn phs Dn _ phs Ln — phs 在實際的諧波電流補(bǔ)償中諧波電流檢測與諧波電流控制均存在誤差?？紤]檢測算法存在的誤差A(yù)Dnrag和ADphs可以得到以下關(guān)系式。 zn + AD = iT
Dn magmag Ln mag
zn , + AD , =Ij ,⑵
Dn _ phsphs Ln phs考慮雙序電流解耦控制帶寬影響以及控制器延時造成的誤差A(yù)Cnrag和ACphs可以得到以下關(guān)系式。
+AC = Zn\ f"-mag mag -mag(3)對比以上三式可以看出，諧波電流幅值、相位指令iDnMg*iDnphs為諧波電流控制的中間環(huán)節(jié)，通過對iDn—Mg和iDn—phs的控制可以實現(xiàn)輸出電流對負(fù)載諧波電流的精確補(bǔ)償。附圖4為本發(fā)明的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償算法整體示意圖。本發(fā)明基于快速傅里葉變換的諧波電流控制方法是圖中k為負(fù)載電流，仁為STATC0M輸出電流。mag，phs分別為負(fù)載電流η次諧波幅值與相位信號，Ifnjiag，Ifnjhs分別為STATC0M輸出電流η次諧波幅值與相位信號。STATC0M 諧波補(bǔ)償?shù)哪康木褪菫榱搜a(bǔ)償負(fù)載電流對系統(tǒng)電流造成的諧波污染。因此補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱耸怪C波幅值mag與Ifnjiag，諧波相位phs與Ifn—phs的誤差盡可能小。在控制中加入了誤差滯環(huán)控制，采用實時校正的方法，對每個采樣點(diǎn)的諧波電流指令和STATC0M輸出電流的幅值偏差、相位偏差分別與滯環(huán)寬度作比較，當(dāng)誤差小于滯環(huán)寬度時輸出為0，保持當(dāng)前的諧波電流指令不變；當(dāng)誤差大于滯環(huán)寬度時根據(jù)誤差的正負(fù)號確定輸出為1或-1，對諧波電流指令的幅值和相位進(jìn)行校正，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電流的目的。最后對校正后的幅值和相位進(jìn)行重構(gòu)得到STATC0M諧波電流指令。經(jīng)過dq變換后得到諧波電流dq分量Ih d,ef和Ih qref加入正序電流指令中實現(xiàn)諧波輸出。 此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其特征在于 所述補(bǔ)償方法包括如下步驟(1)對負(fù)載電流和鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流進(jìn)行所述快速傅里葉變換分析，分別得到所述負(fù)載電流諧波分量幅值/相位的偏差和所述鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流諧波分量幅值/相位的偏差；(2)對步驟(1)的兩個所述偏差進(jìn)行滯環(huán)控制；(3)根據(jù)步驟O)的結(jié)果決定諧波電流的幅值指令和相位指令的校正方向；(4)在每個采樣周期對所述諧波電流的幅值指令和相位指令進(jìn)行校正，得到考慮控制器帶寬影響的諧波電流幅值指令和相位指令；(5)對步驟(4)得到的諧波電流的幅值指令和相位指令進(jìn)行重構(gòu)；(6)進(jìn)行派克變化，得到dq坐標(biāo)系下的諧波電流指令；(7)將步驟(6)諧波電流指令疊加到正序電流控制指令中，實現(xiàn)對負(fù)載諧波電流的補(bǔ)mte ο
2.如權(quán)利要求1所述的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其特征在于對諧波電流的校正在頻域中實現(xiàn)；通過對需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流的幅值指令和相位指令分別進(jìn)行校正，得到校正后的諧波電流幅值與相位信號，經(jīng)過諧波電流重構(gòu)環(huán)節(jié)得到校正后的時域諧波電流指令。
3.如權(quán)利要求1所述的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其特征在于對諧波電流的幅值指令和相位指令采用實時滯環(huán)調(diào)節(jié)的控制方法，所述方法包括如下步驟1)對鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流與負(fù)載電流進(jìn)行快速傅里葉變換分析，分別得鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流幅值信號、相位信號和負(fù)載電流的幅值信號、相位信號；2)分別求取負(fù)載諧波電流幅值信號誤差、負(fù)載諧波電流相位信號誤差、輸出諧波電流幅值信號誤差和輸出諧波電流相位信號誤差，將所述的4個誤差分別對應(yīng)與幅值信號的誤差滯環(huán)寬度和相位信號的誤差滯環(huán)寬度作比較，根據(jù)滯環(huán)控制的輸出確定諧波電流幅值指令和相位指令的調(diào)節(jié)方向；3)進(jìn)行滯環(huán)控制當(dāng)負(fù)載諧波電流幅值與輸出諧波電流幅值誤差在滯環(huán)寬度范圍內(nèi)時諧波電流幅值指令不變；當(dāng)負(fù)載諧波電流幅值與輸出諧波電流幅值誤差大于滯環(huán)寬度且為正時，諧波電流幅值指令、增大以減小該誤差；當(dāng)負(fù)載諧波電流幅值與輸出諧波電流幅值誤差大于滯環(huán)寬度且為負(fù)時，諧波電流幅值指令減小以減小該誤差；諧波電流相位滯環(huán)控制原理與幅值滯環(huán)控制原理相同；4)在所述每個采樣周期循環(huán)步驟1)-步驟4)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其特征在于所述控制器采用雙序電流解耦控制，雙序電流解耦控制環(huán)節(jié)包括正序電流控制與負(fù)序電流控制；所述正序電流控制為，將三相正序電流指令的dq軸分量ip/、ip(；與測量所得的換流器輸出正序電流的dq軸分量ipd、ipq相減所得的偏差經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器后，與dq軸電流耦合量《Lf。iM、《Lf。ipd以及系統(tǒng)電壓的dq軸分量^vam進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到正序調(diào)制波電壓的dq軸分量v;d、Vpq-,所述負(fù)序電流控制為，將三相負(fù)序電流指令的dq軸分量in/、in(；與測量所得的換流器輸出負(fù)序電流的dq軸分量ind、inq相減所得的偏差經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器后，與dq軸電流耦合量《Lf。in(1、《Lf。ind以及系統(tǒng)電壓的dq軸分量^、^進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算后得到負(fù)序調(diào)制波電壓的dq軸分量<d、Vnq-,將得到的所述正序調(diào)制波電壓和負(fù)序調(diào)制波電壓分別進(jìn)行坐標(biāo)變換到α β坐標(biāo)系下相加得到后進(jìn)行克拉克反變換，得到三相調(diào)制波電壓參考值 /:、U:、巧，控制換流器輸出實現(xiàn)閉環(huán)控制。
5.如權(quán)利要求1所述的基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，其特征在于所述步驟(1)負(fù)載電流諧波分量和所述鏈?zhǔn)綋Q流器輸出電流諧波分量為同次的諧波分量。
全文摘要
本發(fā)明為一種基于快速傅里葉變換的諧波電流補(bǔ)償方法，該方法針對鏈?zhǔn)絊TATCOM內(nèi)環(huán)電流控制采用雙序電流解耦控制的場合，在內(nèi)環(huán)控制帶寬較低情況下對諧波電流指令進(jìn)行校正，保證諧波電流補(bǔ)償精度。該補(bǔ)償方法對負(fù)載電流和換流器輸出電流分別進(jìn)行FFT分析，然后計算負(fù)載電流幅值和換流器輸出電流幅值的誤差，負(fù)載電流相位和換流器輸出電流相位的誤差，根據(jù)誤差分別對諧波電流幅值與相位指令進(jìn)行校正，最后對校正后的幅值/相位進(jìn)行重構(gòu)得到鏈?zhǔn)綋Q流器諧波電流指令。本發(fā)明考慮了控制器帶寬和延時對諧波補(bǔ)償精度的影響，使輸出電流與負(fù)載諧波電流誤差保持在滯環(huán)寬度之內(nèi)，提高了諧波補(bǔ)償精度，具有較強(qiáng)的工程實用價值。
文檔編號H02J3/01GK102412579SQ20111028739
公開日2012年4月11日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月26日
發(fā)明者周飛, 宗波, 田鑫, 荊平, 蔣曉春, 蔡林海, 趙國亮 申請人:中國電力科學(xué)研究院