專利名稱：一種諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電網(wǎng)中的諧波治理問題，具體是一種諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，無功補(bǔ)償不足及諧波污染問題日益嚴(yán)重，注入式混合型有源電力濾波器因其有源部分不承受基波分量而得到較為廣泛的應(yīng)用。其有源部分的基本工作原理是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象的諧波電流后，通過控制作為主電路的PWM逆變器發(fā)出大小相同方向相反的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。由于PWM逆變器主電路中的功率開關(guān)元件本身并不是理想開關(guān)器件，為防止逆變器發(fā)生直通故障，必須在其驅(qū)動(dòng)信號(hào)中設(shè)置一段死區(qū)時(shí)間Td，以保證同一橋臂上、下兩功率管先關(guān)斷后開通。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，輸出信號(hào)波形不受邏輯信號(hào)的控制，在開關(guān)頻率較高的情況下，死區(qū)的疊加值也較大，這將對(duì)PWM逆變器的輸出產(chǎn)生一定的消極影響。
死區(qū)效應(yīng)的存在，使得精確調(diào)制的PWM控制信號(hào)不能準(zhǔn)確無誤地加到逆變器開關(guān)器件的控制極，導(dǎo)致APF逆變器的實(shí)際輸出諧波電壓波形偏離期望諧波電壓波形，其原因是有的PWM脈沖寬度被拉長(zhǎng)，有的PWM脈沖寬度被縮短，而且，這種拉長(zhǎng)和縮短既與死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，又與APF輸出電流大小和電網(wǎng)電壓與電流的相位差以及PWM調(diào)制的載波頻率和調(diào)制比有關(guān)。死區(qū)效應(yīng)產(chǎn)生的誤差電壓中含有大量理想輸出諧波補(bǔ)償電流中主要存在的諧波成分，將對(duì)有源濾波器中逆變器輸出諧波電流的幅值和相位都會(huì)產(chǎn)生消極影響，從而降低APF裝置的諧波補(bǔ)償效果。
目前消除死區(qū)不良影響的方法主要為PWM逆變器死區(qū)解耦控制，空間電壓矢量補(bǔ)償PWM逆變器死區(qū)效應(yīng)以及基于重復(fù)控制的死區(qū)補(bǔ)償策略等方法，這些方法都能有效地改善了輸出基波電壓的波形畸變。但是，國內(nèi)外的研究大都集中在PWM逆變器只輸出基波的情況下，控制死區(qū)效應(yīng)的不良影響和補(bǔ)償死區(qū)效應(yīng)的方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。但對(duì)于APF而言，我們要求PWM逆變器輸出期望的諧波。研究死區(qū)效應(yīng)對(duì)APF治理諧波的影響，以及如何在諧波域補(bǔ)償死區(qū)，使逆變器的輸出更加接近期望的諧波，是APF研究的重要問題之一。


發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有諧波域補(bǔ)償死區(qū)的上述缺陷，本發(fā)明提供一種諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法，能夠簡(jiǎn)單有效，達(dá)到完全消除死區(qū)影響的目的，且易于工程實(shí)現(xiàn)。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法，步驟如下 1)假定逆變器的的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率，逆變器輸出電流為正弦波，檢測(cè)逆變器輸出諧波電流ia、ib、ic； 2)利用α-β坐標(biāo)變換獲得逆變器輸出諧波電流ia、ib、ic的6倍頻諧波分量id6k，其中k＝2，3，5，7；d代表坐標(biāo)變換后的d軸。
3)根據(jù)d軸6倍頻諧波分量id6k以及當(dāng)前時(shí)刻的控制系數(shù)knk獲得下一周期的控制系數(shù)kn+1k的值，2次、3次、5次和7次諧波的控制系數(shù)相加后獲得系統(tǒng)控制系數(shù)kn+1，kn+1＝k2n+1+k3n+1+k5n+1+k7n+1，其中k次諧波的控制系數(shù)表達(dá)式為dknk為knk的變化率，其調(diào)整規(guī)則為其中，λn為id6k當(dāng)前的變化趨勢(shì)，λn-1為上一周期id6k的變化趨勢(shì)。
4)系統(tǒng)控制系數(shù)kn+1與標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)相乘得到需要補(bǔ)償?shù)挠伤绤^(qū)引起的低頻誤差信號(hào)i′c， 5)低頻誤差信號(hào)i′c與逆變器輸出反饋信號(hào)ic相加獲得綜合節(jié)能系統(tǒng)逆變器的反饋信號(hào)。
6)上述所得到的系統(tǒng)反饋信號(hào)與給定信號(hào)iref相減，獲得誤差信號(hào)e，e為逆變器控制器的輸出量，經(jīng)過控制器發(fā)出控制信號(hào)控制逆變器的通斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，以消除死區(qū)不良影響。
本發(fā)明首先假定逆變器開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率，輸出電流為正弦波，死區(qū)引起的誤差相同，逆變器死區(qū)效應(yīng)引起的輸出電流誤差經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后可以表示為直流分量和6倍頻和12倍頻諧波的疊加。由于12倍頻的幅值很低，可通過輸出濾波器濾除；直流分量通過閉環(huán)控制；而關(guān)鍵在于對(duì)于6倍頻諧波，本發(fā)明通過在逆變器控制信號(hào)中引入相應(yīng)頻次的控制量e，修正控制信號(hào)的給定值iref，從而達(dá)到抑制死區(qū)效應(yīng)不良影響的目的。
上述諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法的技術(shù)效果在于 (1)針對(duì)綜合節(jié)能系統(tǒng)，為使PWM逆變器輸出期望的諧波，提出了諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法，使逆變器的輸出更加接近期望的諧波。
(2)本發(fā)明不需要增加硬件資源及控制的復(fù)雜性，針對(duì)工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)起來較為方便，從而達(dá)到有效消除死區(qū)不良影響的目的。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。



圖1是本發(fā)明所應(yīng)用的綜合節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明所述逆變器的主電路結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明的控制原理框圖。

具體實(shí)施例方式 參見圖1，所述綜合節(jié)能系統(tǒng)由單獨(dú)注入式混合型有源電力濾波器和晶閘管控制電抗器組成。單獨(dú)注入式混合型有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波和晶閘管控制電抗器引起的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)治理的目的；晶閘管控制電抗器組成實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；單獨(dú)注入式混合型有源電力濾波器與晶閘管控制電抗器聯(lián)合運(yùn)行實(shí)現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)和諧波的動(dòng)態(tài)治理，達(dá)到了綜合節(jié)能的目的。其中，單獨(dú)注入式混合型有源電力濾波器有大功率逆變模塊，輸出濾波器，注入支路(含基波諧振支路和注入電容)組成，大功率逆變器模塊經(jīng)耦合變壓器后與基波諧振支路并聯(lián)，再通過注入電容并入電網(wǎng)；晶閘管控制電抗器由可控晶閘管和電抗器組成，并聯(lián)接入電網(wǎng)。
參見圖2，假定逆變器開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率，輸出電流為正弦波，死區(qū)引起的誤差相同，在這些條件下，死區(qū)時(shí)間對(duì)基波電壓的影響可用電流正負(fù)半周的平均電壓誤差ΔUan來表示。以a相為例，利用平均電壓的概念，在一個(gè)基波周期內(nèi)，由死區(qū)時(shí)間Td引起的a相輸出電壓相對(duì)于直流側(cè)電壓中性點(diǎn)的誤差ΔUa0可表示為 式中T為基波周期，Udc為直流側(cè)電容電壓，N為一個(gè)基波周期T內(nèi)的開關(guān)數(shù)，死區(qū)時(shí)間Td＝Td0+ton-toff，其中，Td為等效死區(qū)時(shí)間(實(shí)際的死區(qū)時(shí)間)、Td0是系統(tǒng)設(shè)定的死區(qū)時(shí)間、ton逆變器開通延時(shí)時(shí)間、toff為逆變器關(guān)斷延時(shí)時(shí)間；其中sign(ia)代表符號(hào)函數(shù)，定義為 誤差電壓系數(shù)為Ue 同樣，在b、c兩相輸出電壓相對(duì)于直流側(cè)電壓中性點(diǎn)的誤差可以表示為 根據(jù)電路方程及基爾霍夫電流定律可得如下方程 其中Z為輸出濾波器和注入支路的等效阻抗，ΔUn0為輸出濾波器中性點(diǎn)對(duì)直流側(cè)電壓中性點(diǎn)的電壓。
由上式可得a相電壓誤差為 ΔUan＝(2ΔUa0-ΔUb0-ΔUc0)/3 因此，為了獲得理想的輸出電壓，逆變器實(shí)際輸出中應(yīng)該補(bǔ)償?shù)碾妷赫{(diào)整量為 由傅立葉分析可得 其中，n＝1，3，5，7，11，13…，ω為逆變器輸出電壓的角頻率。
對(duì)上式經(jīng)過傅立葉變換得到的對(duì)應(yīng)步長(zhǎng)的電壓調(diào)整量Uac、Ubc和Ucc進(jìn)行α-β坐標(biāo)變換，可得α-β坐標(biāo)系下逆變器輸出電壓誤差Uαc、Uβc，表達(dá)式如下式所示 則由死區(qū)效應(yīng)引起的逆變器輸出電流誤差α-β坐標(biāo)系下可表示為
其中，Z是輸出濾波器和注入支路的等效阻抗，

是阻抗角。
輸出電流誤差iαc、iβc在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下表示可得
由上式可以看出，逆變器死區(qū)效應(yīng)引起的輸出電流誤差iαc、iβc，經(jīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換后可以表示為直流分量、6倍頻和12倍頻諧波的疊加。由于12倍頻的幅值很低，同時(shí)通過輸出濾波器可以濾除，因此只考慮直流分量和6倍頻即可。直流分量造成大功率逆變器輸出頻率為ω的幅值降低，通過閉環(huán)控制，可以達(dá)到抑制其不良影響的目的；而對(duì)于6倍頻諧波，可以通過在逆變器控制信號(hào)中引入相應(yīng)頻次的控制量，修正控制信號(hào)的給定值，從而達(dá)到抑制死區(qū)效應(yīng)不良影響的目的。
根據(jù)上述推理，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化諧波檢測(cè)部分的計(jì)算量，本發(fā)明并未通過檢測(cè)死區(qū)引起的低頻諧波進(jìn)行反饋來消除死區(qū)的影響，而是通過坐標(biāo)變換，檢測(cè)逆變器輸出的6倍頻諧波d軸分量，通過在逆變器控制信號(hào)中引入相應(yīng)頻次的控制量e，修正控制信號(hào)的給定值iref，從而達(dá)到抑制死區(qū)效應(yīng)不良影響的目的。詳細(xì)步驟參見圖3， 1)假定逆變器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率，逆變器輸出電流為正弦波，檢測(cè)逆變器輸出諧波電流ia、ib、ic； 2)利用α-β坐標(biāo)變換獲得逆變器輸出諧波電流ia、ib、ic的6倍頻諧波分量id6k，其中k＝2，3，5，7；d代表a，b，c軸，電網(wǎng)基波角頻率為ω0。
3)根據(jù)d軸6倍頻諧波分量id6k以及當(dāng)前時(shí)刻的控制系數(shù)knk獲得下一周期的控制系數(shù)kn+1k的值，2次、3次、5次和7次諧波的控制系數(shù)相加后獲得系統(tǒng)控制系數(shù)kn+1，kn+1＝k2n+1+k3n+1+k5n+1+k7n+1。其中k次諧波的控制系數(shù)表達(dá)式為dknk為根據(jù)逆變器輸出變化情況獲得的knk的變化率，其調(diào)整規(guī)則為 4)系統(tǒng)控制系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)相乘即可得到需要補(bǔ)償?shù)挠伤绤^(qū)引起的低頻誤差信號(hào)i′c， 5)低頻誤差信號(hào)i′c與逆變器輸出反饋信號(hào)ic相加獲得系統(tǒng)反饋信號(hào)。
6)上述所得到的系統(tǒng)反饋信號(hào)與給定信號(hào)iref相減，獲得誤差信號(hào)e，e為逆變器控制器的輸出量，經(jīng)過控制器發(fā)出控制信號(hào)控制逆變器的通斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，以消除死區(qū)不良影響。
權(quán)利要求
1、一種諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法，其特征是，包括如下步驟
1)假定逆變器的的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)基波頻率，逆變器輸出電流為正弦波，檢測(cè)逆變器輸出諧波電流ia、ib、ic；
2)利用α-β坐標(biāo)變換獲得逆變器輸出諧波電流ia、ib、ic的6倍頻諧波分量id6k，其中k＝2，3，5，7；d代表坐標(biāo)變換后的軸；
3)根據(jù)d軸6倍頻諧波分量id6k以及當(dāng)前時(shí)刻的控制系數(shù)knk獲得下一周期的控制系數(shù)kn+1k的值，2次、3次、5次和7次諧波的控制系數(shù)相加后獲得系統(tǒng)控制系數(shù)kn+1，kn+1＝k2n+1+k3n+1+k5n+1+k7n+1，其中k次諧波的控制系數(shù)表達(dá)式為dknk為knk的變化率，其調(diào)整規(guī)則為
4)系統(tǒng)控制系數(shù)kn+1與標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)相乘得到需要補(bǔ)償?shù)挠伤绤^(qū)引起的低頻誤差信號(hào)i′c，
5)低頻誤差信號(hào)i′c與逆變器輸出反饋信號(hào)ic相加獲得綜合節(jié)能系統(tǒng)逆變器的反饋信號(hào)；
6)上述所得到的系統(tǒng)反饋信號(hào)與給定信號(hào)iref相減，獲得誤差信號(hào)e，e為逆變器控制器的輸出量，經(jīng)過控制器發(fā)出控制信號(hào)控制逆變器的通斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種諧波域死區(qū)實(shí)時(shí)預(yù)補(bǔ)償方法，通過坐標(biāo)變換檢測(cè)出死區(qū)引起的6倍頻諧波分量，并據(jù)此修正逆變器控制器的控制信號(hào)，達(dá)到完全消除死區(qū)影響的目的。本發(fā)明簡(jiǎn)單有效，能夠達(dá)到完全消除死區(qū)影響的目的，且易于工程實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H02J3/01GK101304172SQ20081003092
公開日2008年11月12日 申請(qǐng)日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月26日
發(fā)明者安 羅, 帥智康, 瑩 程, 吳傳平, 威 浣, 曉 楊 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)