CN109901392A - 一种基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，实时采集关键负载电压信号和非关键负载电流信号；计算关键负载电压有效值，将关键负载电压参考值与有效值之间的误差值输入到比例积分控制器中，将非关键负载电流信号输入锁相环模块锁定电流的相位，通过sin函数信号发生器形成交流信号，进而生成调制波信号1；对关键负载电压信号进行dq坐标变换、低通滤波器、dq坐标反变换，计算关键负载电压的谐波部分，将其输入到比例控制器中；将比例控制器的输出值与调制波信号1相加，得到最终的调制波信号，将其与载波信号比较，生成4路PWM信号，进行谐波抑制。本发明能够有效减少关键负载电压谐波含量，并将关键负载电压稳定在参考值。

Description

一种基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法。

背景技术

风能、太阳能的间歇性和不稳定性，使其发电量难以估计。当可再生能源发电大规模的并入电网时，需要各种整流逆变装置接入电网，这会给电网带来大量的谐波污染，并且会造成用户侧负载电压不稳定，严重影响用户侧负载的正常使用。针对上述问题，香港大学的许树源教授于2012年提出了一种新型的电力电子装置“电力弹簧”，能有效地解决因电网电压波动造成的负载侧电压不稳定的问题。新加坡学者Parag Kanjiya等人在电力弹簧现有控制方法基础之上，在“Enhancing Power Quality and Stability of Future SmartGrid with Intermittent Renewable Energy Sources Using Electric Springs”这篇文章中提出实时检测关键负载电压瞬时值，并通过二阶广义积分器和多谐振控制器来检测关键负载电压上的谐波成分，使电力弹簧具有抑制关键负载电压谐波的功能，但是这种谐波检测技术检测精度不高、多谐振控制器参数设计复杂、易引起***的不稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，以提高谐波检测的精度，减少关键负载电压谐波含量。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，包括如下步骤：

步骤1、设定关键负载的电压参考值；

步骤2、实时采集关键负载电压信号和非关键负载电流信号；

步骤3、计算关键负载电压有效值，将关键负载电压参考值与有效值之间的误差值输入到比例积分控制器中，调节比例积分控制器参数，使得关键负载电压有效值跟踪上给定的参考值；

步骤4、将非关键负载电流信号输入锁相环模块，锁定电流的相位，通过sin函数信号发生器，形成交流信号；

步骤5、将比例积分控制器的输出值与函数信号发生器的输出值相乘，形成调制波信号1；

步骤6、对关键负载电压信号进行dq坐标变换、低通滤波器、dq坐标反变换，得到关键负载电压的基波部分，并与关键负载电压信号作差，得到关键负载电压的谐波部分；

步骤7、将关键负载电压的谐波部分输入到比例控制器中，将比例控制器的输出值与调制波信号1相加，得到最终的调制波信号；

步骤8、将最终得到的调制波信号与载波信号比较，生成4路PWM信号，进行谐波抑制。

作为一种优选实施方式，步骤1中，关键负载的电压参值设为220V。

作为一种优选实施方式，步骤3中，比例积分控制器的传递函数G_pi(s)为：

比例积分控制器的输出S₁为：

式中，s代表传递函数模型，k_p为比例参数，取0.001，k_i为积分参数，取5，e为关键负载电压参考值与关键负载电压有效值的误差值。

作为一种优选实施方式，步骤4中，用θ_nc表示锁相环模块锁定的非关键负载电流相位，用θ_es表示输入sin函数信号发生器的电流相位，则θ_es为：

式中，V_s-rms,V_s-ref分别为关键负载电压参考值、关键负载电压有效值。

作为一种优选实施方式，步骤5中，调制波信号1为：

V₁＝m×sin(θ_es)

式中，V₁代表调制波信号1，m为比例积分控制器的输出值，即调制波信号1的幅值，sin(θ_es)为sin函数信号发生器输出的交流信号。

作为一种优选实施方式，步骤6中，设U₁(t)为采集到的关键负载电压瞬时值，表示为：

式中，U_1α(t)代表dq坐标变换的一路输入，n代表谐波次数，U_n代表第n次谐波的幅值，ω₁代表基波的频率，取100π，t代表采集信号的任一时刻，代表第n次谐波的相位；

将U₁(t)展开，得到：

其中，为基波的有功部分，为基波有功电压的幅值；为基波的无功部分，为基波无功电压的幅值；为谐波部分；

设dq变换的另一路输入为U_1β(t)，表示为：

将U_1α(t)和U_1β(t)进行dq变换，变换公式如下：

式中，U_d、U_q为dq变换后d轴和q轴的输出，C为变换矩阵，表示为：

经dq变换后，U_d和U_q为：

将U_d和U_q分别输入到低通滤波器中，滤除交流部分，得到直流分量U_d1和U_q1，分别为：

低通滤波器设计直流分量增益为1，截止频率为10Hz，低通滤波器传递函数S₃(s)为：

U_d1为U_d的直流分量，U_q1为U_q的直流分量，将U_d1和U_q1进行dq反变换，变换公式如下：

式中，U_2α为关键负载电压瞬时值U₁(t)的基波部分，U_2β为虚拟电压U_1β(t)的基波部分，变换矩阵C^-1为：

设U_harm为关键负载电压的谐波部分，则U_harm为：

U_harm＝U₁(t)-U_2α。

作为一种优选实施方式，步骤7中，比例控制器的传递函数为：

G_p(s)＝k_p1

式中，G_p(s)代表比例控制器的传递函数，k_p1为比例系数，取0.07；

比例控制器的输出S₂为：

S₂＝k_p1×U_harm

式中，U_harm为关键负载电压的谐波部分；

设最终的调制波信号为V₂，则V₂为：

V₂＝S₂+V₁

式中，V₁为调制波信号1。

作为一种优选实施方式，步骤8中，选取频率为5kHz、幅值为1的三角载波，进行单极性调制：

其中，T_a和T_b分别为单相全桥逆变电路a相和b相IGBT管的导通逻辑，在调制波的正半周期使得T_a＝1，将调制波与载波比较，当调制波大于载波时T_b＝1，调制波小于载波时T_b＝0；在调制波的负半周期使得T_a＝0，将调制波与载波比较，当调制波小于载波时T_b＝0，调制波大于载波时，T_b＝1。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明通过坐标变换的数学手段提取关键负载电压谐波部分，提高谐波检测的精度，减少关键负载电压谐波含量，并且不会对原有***稳定性造成影响。

附图说明

图1为基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制框图。

图2为电力弹簧应用***拓扑图。

图3为基于传统谐波检测算法的关键负载电压曲线图。

图4为基于传统谐波检测算法的关键负载电压谐波分析结果图。

图5为基于dq谐波检测算法的关键负载电压曲线图。

图6为基于dq谐波检测算法的关键负载电压谐波分析结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，本发明基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，通过dq坐标变换的方法来检测关键负载电压上的谐波部分，包括如下步骤：

步骤1、设定关键负载的电压参考值，此处关键负载电压参值设为220V。

步骤2、实时采集关键负载电压信号和非关键负载电流信号；

步骤3、计算关键负载电压有效值，将关键负载电压参考值与有效值之间的误差值输入到比例积分控制器中，调节比例积分控制器参数，使得关键负载电压有效值跟踪上给定的参考值；

比例积分控制器的传递函数G_pi为：

比例积分控制器的输出S₁为：

式中，s代表传递函数模型，k_p为比例参数，k_i为积分参数，e为关键负载电压参考值与关键负载电压有效值的误差值。积分参数其选取与***达到稳态的时间有关，积分参数越大，***达到稳态的时间越快，但相应的也会给***带来不稳定的缺点，在仿真的过程中不断优化比例积分控制器的参数，使得***具有优良的动态特性，最终比例参数k_p取0.001，积分参数k_i取5。

步骤4、将非关键负载电流信号输入锁相环模块，锁定电流的相位，根据工作模式将电流相位加或减π/2，并通过sin函数信号发生器，形成交流信号；

设锁相环模块锁定的非关键负载电流相位设为θ_nc，输入sin函数信号发生器的电流相位为θ_es，则θ_es为：

式中，V_s-rms,V_s-ref分别为关键负载电压参考值、关键负载电压有效值。

步骤5、将比例积分控制器的输出值与函数信号发生器的输出值相乘，形成调制波信号1；

调制波信号1为：

V₁＝m×sin(θ_es)

式中，V₁代表调制波信号1，m为比例积分控制器的输出值，即调制波信号1的幅值，sin(θ_es)为sin函数信号发生器输出的交流信号。

步骤6、将关键负载电压信号通过dq坐标变换，生成d轴与q轴两路信号，将d轴与q轴两路信号分别通过低通滤波器，滤除交流部分，将滤波后的d轴与q轴两路信号通过dq坐标反变换，生成关键负载电压基波部分交流信号，计算通过dq坐标反变换得到的交流信号与采集到的关键负载电压信号差值U_harm；

设U₁(t)为采集到的关键负载电压瞬时值，表示为：

式中，U_1α(t)代表dq坐标变换的一路输入，n代表谐波次数，U_n代表第n次谐波的幅值，ω₁代表基波的频率，t代表采集信号的任一时刻，代表第n次谐波的相位，其中：

ω₁＝100π

将U₁(t)展开可得：

其中，为基波的有功部分，为基波有功电压的幅值；为基波的无功部分，为基波无功电压的幅值；为谐波部分。

设dq变换的另一路输入为U_1β(t)，表示为：

将U_1α(t)和U_1β(t)进行dq变换，变换公式如下：

式中，U_d、U_q为dq变换后d轴和q轴的输出，C为变换矩阵，表示为：

经dq变换后，U_d和U_q为：

将U_d和U_q分别输入到低通滤波器中，滤除交流部分，得到直流分量U_d1和U_q1，分别为：

低通滤波器设计直流分量增益为1，截止频率为10Hz，低通滤波器传递函数S₃(s)为：

U_d1为U_d的直流分量，U_q1为U_q的直流分量，将U_d1和U_q1进行dq反变换，变换公式如下：

式中，U_2α为关键负载电压瞬时值U₁(t)的基波部分，U_2β为虚拟电压U_1β(t)的基波部分，变换矩阵C^-1为：

设U_harm为关键负载电压的谐波部分，则U_harm为：

U_harm＝U₁(t)-U_2α

步骤7、将误差值U_harm输入到比例控制器中，将比例控制器的输出值与调制波信号1相加，得到最终的调制波信号。

比例控制器的传递函数为：

G_p(s)＝k_p1

式中，G_p(s)代表比例控制器的传递函数，k_p1为比例系数，通过仿真中不断优化，最终k_p1取0.07；

比例控制器的输出S₂为：

S₂＝k_p1×U_harm

设最终的调制波信号为V₂，则V₂为：

V₂＝S₂+V₁

式中，V₁为调制波信号1。

步骤8、将最终得到的调制波信号与载波信号比较，生成4路PWM信号，具体选取频率为5kHz、幅值为1的三角载波，进行单极性调制：

其中T_a和T_b分别为单相全桥逆变电路a相和b相IGBT管的导通逻辑，在调制波的正半周期使得T_a＝1，将调制波与载波比较，当调制波大于载波时T_b＝1，调制波小于载波时T_b＝0；在调制波的负半周期使得T_a＝0，将调制波与载波比较，当调制波小于载波时T_b＝0，调制波大于载波时，T_b＝1。

实施例

为了验证本发明方案的有效性，在MATLAB/Simulink搭建仿真模型，采用离散时间、固定步长的仿真模式进行仿真实验。

采样时间为1e-6s，仿真中采用的元器件参数如表1所示。

表1仿真元器件参数

对比传统谐波检测算法和本发明检测算法，如图4和图6可知，采用基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，关键负载电压谐波含量从5.91％降低到0.84％。

综上可以得出如下结论：本发明提出的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法能够有效的提供谐波检测的精度并降低关键负载电压的谐波含量。

Claims (8)

1.一种基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、设定关键负载的电压参考值；

步骤2、实时采集关键负载电压信号和非关键负载电流信号；

步骤3、计算关键负载电压有效值，将关键负载电压参考值与有效值之间的误差值输入到比例积分控制器中，调节比例积分控制器参数，使得关键负载电压有效值跟踪上给定的参考值；

步骤4、将非关键负载电流信号输入锁相环模块，锁定电流的相位，通过sin函数信号发生器，形成交流信号；

步骤5、将比例积分控制器的输出值与函数信号发生器的输出值相乘，形成调制波信号1；

步骤6、对关键负载电压信号进行dq坐标变换、低通滤波器、dq坐标反变换，得到关键负载电压的基波部分，并与关键负载电压信号作差，得到关键负载电压的谐波部分；

步骤7、将关键负载电压的谐波部分输入到比例控制器中，将比例控制器的输出值与调制波信号1相加，得到最终的调制波信号；

步骤8、将最终得到的调制波信号与载波信号比较，生成4路PWM信号，进行谐波抑制。

2.根据权利要求1所述的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，步骤1中，关键负载的电压参值设为220V。

3.根据权利要求1所述的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，步骤3中，比例积分控制器的传递函数G_pi(s)为：

比例积分控制器的输出S₁为：

式中，s代表传递函数模型，k_p为比例参数，取0.001，k_i为积分参数，取5，e为关键负载电压参考值与关键负载电压有效值的误差值。

4.根据权利要求1所述的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，步骤4中，用θ_nc表示锁相环模块锁定的非关键负载电流相位，用θ_es表示输入sin函数信号发生器的电流相位，则θ_es为：

式中，V_s-rms，V_s-ref分别为关键负载电压参考值、关键负载电压有效值。

5.根据权利要求1所述的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，步骤5中，调制波信号1为：

V₁＝m×sin(θ_es)

式中，V₁代表调制波信号1，m为比例积分控制器的输出值，即调制波信号1的幅值，sin(θ_es)为sin函数信号发生器输出的交流信号。

6.根据权利要求1所述的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，步骤6中，设U₁(t)为采集到的关键负载电压瞬时值，表示为：

式中，U_1α(t)代表dq坐标变换的一路输入，n代表谐波次数，U_n代表第n次谐波的幅值，ω₁代表基波的频率，取100π，t代表采集信号的任一时刻，代表第n次谐波的相位；

将U₁(t)展开，得到：

其中，为基波的有功部分，为基波有功电压的幅值；为基波的无功部分，为基波无功电压的幅值；为谐波部分；

设dq变换的另一路输入为U_1β(t)，表示为：

将U_1α(t)和U_1β(t)进行dq变换，变换公式如下：

式中，U_d、U_q为dq变换后d轴和q轴的输出，C为变换矩阵，表示为：

经dq变换后，U_d和U_q为：

将U_d和U_q分别输入到低通滤波器中，滤除交流部分，得到直流分量U_d1和U_q1，分别为：

低通滤波器设计直流分量增益为1，截止频率为10Hz，低通滤波器传递函数S₃(s)为：

U_d1为U_d的直流分量，U_q1为U_q的直流分量，将U_d1和U_q1进行dq反变换，变换公式如下：

式中，U_2α为关键负载电压瞬时值U₁(t)的基波部分，U_2β为虚拟电压U_1β(t)的基波部分，变换矩阵C^-1为：

设U_harm为关键负载电压的谐波部分，则U_harm为：

U_harm＝U₁(t)-U_2α。

7.根据权利要求1所述的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，步骤7中，比例控制器的传递函数为：

G_p(s)＝k_p1

式中，G_p(s)代表比例控制器的传递函数，k_p1为比例系数，取0.07；

比例控制器的输出S₂为：

S₂＝k_p1×U_harm

式中，U_harm为关键负载电压的谐波部分；

设最终的调制波信号为V₂，则V₂为：

V₂＝S₂+V₁

式中，V₁为调制波信号1。

8.根据权利要求1所述的基于dq谐波检测算法的电力弹簧控制方法，其特征在于，步骤8中，选取频率为5kHz、幅值为1的三角载波，进行单极性调制：

其中，T_a和T_b分别为单相全桥逆变电路a相和b相IGBT管的导通逻辑，在调制波的正半周期使得T_a＝1，将调制波与载波比较，当调制波大于载波时T_b＝1，调制波小于载波时T_b＝0；在调制波的负半周期使得T_a＝0，将调制波与载波比较，当调制波小于载波时T_b＝0，调制波大于载波时，T_b＝1。