一种基于三角正交的有源电力滤波器谐波参考电流提取方法与流程

[0001]
本发明涉及电力电子技术领域，具体是一种基于三角正交的有源电力滤波器谐波参考电流提取方法。


背景技术：

[0002]
电力电子技术的进步显著增加了在家庭、商业和工业应用中使用功率转换器以提高能源利用率，但是，他会通过从电源汲取非正弦电流和无功功率而使谐波污染电力系统。这种非线性现象会导致大量的功率损耗，这不仅会降低电源系统的效率和性能，还会带来其他问题，例如设备过热，敏感设备故障，以及共振问题，而谐波的提取是谐波治理的首要步骤，其重要性不言而喻。
[0003]
最初诸如带通滤波器和低通滤波器之类的模拟谐波已用于电流谐波提取，但是这些滤波器的输出并不精确，因为它们会引入相位的幅度误差，如今，谐波电流提取通常在时域或频域的两个域之一中实现，频域方法基于离散傅里叶变换(dft)。尽管这些方法是准确的，但他们带入系统的延迟使它们对于波动的负载不可行。此外，它们的慢响应和频谱泄露的缺点不能忽略，另外，基于傅里叶的谐波提取方法在实施中更加复杂，它需要仔细考虑抗混叠谐波器、较大的存储要求和计算能力，仔细应用加窗功能以及在基频和采样之间进行适当的同步，例如瞬时无功功率理论(irpt)和同步参考坐标等方法(srf)仍然是普遍的参考电流生成方法，这些经过良好测试的方法实现简单，降低了控制器的复杂性，适合实际实现，基于模糊控制，自适应，神经网络和基于pll的算法的谐波提取也提供了良好的性能，动态响应比傅里叶更好，但是实现的复杂性仍是一个问题。
[0004]
针对上述问题，现在提供一种基于三角正交的有源电力滤波器谐波参考电流提取方法。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种基于三角正交的有源电力滤波器谐波参考电流提取方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007]
一种基于三角正交的有源电力滤波器谐波参考电流提取方法，包括以下步骤：
[0008]
步骤一：定义电流：
[0009]
电网电流可以表示为负载电流和滤波电流的和：i
s
＝i
l
t+i
f
t；
[0010]
非线性负载电流由谐波分量和基波分量组成，由傅立叶级数表示为：
[0011][0012]
其中ω表示基波频率100πrad/s，而第二个等式中的第一项和第二项分别是负载基波电流的有功和无功分量，第三项则代表负载电流的谐波，提取的目标是使得电网中仅含基波有功电流：
[0013][0014]
步骤二：利用三角正交性原理，两个正交函数(y1,y2)的乘积的积分等于零，在数学上，两个三角函数在[-π，π]中正交，则它们的积分为零；
[0015]
两个正弦函数及其在[-π，π]中的内积积分：
[0016][0017]
上面的乘积导致一个奇数函数，该奇数函数在[-π，π]上对称，因此sin(wt)和cos(t)彼此正交，并且它们的积分积为零；
[0018][0019]
步骤三：
[0020]
将i
l
(t)乘以sin(ωt)得到：
[0021]
两边分别积分得到：
[0022]
根据正交原理，谐波成分的等于零，因此
[0023][0024]
由于二次项在一个周期内的积分也为0，因此：
[0025][0026]
类似地，将式2乘以两边的cos(ωt)，得到：
[0027][0028]
步骤四：合并上述a和b两个式子，我们可以得到负载电流i
l
(t)的基波分量：
[0029][0030]
因此，根据基于正交定理的谐波电流检测原理，瞬时基波电流可以写为：
[0031]
i1(t)＝a1sin(ωt)+b1cos(ωt)
[0032]
其中：
[0033][0034][0035]
在得到基波电流后与负载电流做差即可得到相应的谐波电流：
[0036]
i
n
＝i
l
t-i1t。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种时域谐波提取方法，利
用三角正交原理(top)解决了传统方法的上述问题。所提出的方法(top)为参考电流估计提供了更简单的数字实现，并具有较低的计算负担。因此，所提出的top算法形成了一种简单且计算负担低的谐波提取方案，该方案可以在低成本微控制器中轻松实现，因此，可以获得高性能和低成本的系统。
附图说明
[0038]
图1说明了两个具有不同频率的正弦函数的正交性原理。
[0039]
图2中为使用上述提取方法提取的负载电流基波分量图。
[0040]
图3为负载电流减去所得的基波电流得到相应的谐波图。
[0041]
图4为提取方法的原理图。
具体实施方式
[0042]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
[0043]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
本发明实施例中，一种基于三角正交的有源电力滤波器谐波参考电流提取方法，包括以下步骤：
[0046]
步骤一：定义电流：
[0047]
电网电流可以表示为负载电流和滤波电流的和：i
s
＝i
l
t+i
f
t；
[0048]
非线性负载电流由谐波分量和基波分量组成，由傅立叶级数表示为：
[0049][0050]
其中ω表示基波频率100πrad/s，而第二个等式中的第一项和第二项分别是负载基波电流的有功和无功分量，第三项则代表负载电流的谐波。提取的目标是使得电网中仅含基波有功电流：
[0051][0052]
步骤二：利用三角正交性原理，两个正交函数(y1,y2)的乘积的积分等于零，在数学上，两个三角函数在[-π，π]中正交，则它们的积分为零；
[0053]
两个正弦函数及其在[-π，π]中的内积积分：
[0054][0055]
上面的乘积导致一个奇数函数，该奇数函数在[-π，π]上对称，因此sin(wt)和cos(t)彼此正交，并且它们的积分积为零；
[0056][0057]
另外，只要n≠k，且两者均为整数，sin(nωt)就与和cos(nωt)正交。图1说明了两个具有不同频率的正弦函数的正交性原理；
[0058]
类似地，负载电流也由具有不同频率的电流分量组成，我们通常称之为谐波分量。因此，通过应用该原理，可以提取负载电流的任何分量。而在apf应用当中，我们可以用于提取基波分量的有功电流，然后从负载电流中减去基波有功电流以生成参考电流。因此，所获得的参考电流(包括谐波和无功电流分量)用作apf的参考电流；
[0059]
为了提取负载电流中的基波，将i
l
(t)乘以sin(ωt)得到：
[0060]
两边分别积分得到：
[0061]
根据正交原理，谐波成分的等于零，因此：
[0062][0063]
由于二次项在一个周期内的积分也为0，因此：
[0064][0065]
类似地，将式2乘以两边的cos(ωt)，得到：
[0066][0067]
合并上述a和b两个式子，我们可以得到负载电流i
l
(t)的基波分量：
[0068][0069]
因此，根据基于正交定理的谐波电流检测原理，瞬时基波电流可以写为：
[0070]
i1(t)＝a1sin(ωt)+b1cos(ωt)
[0071]
其中：
[0072]
[0073][0074]
在得到基波电流后与负载电流做差即可得到相应的谐波电流：
[0075]
i
n
＝i
l
t-i1t
[0076]
因此，通过上述方案即可计算得到负载电流中的基波电流和谐波电流。
[0077]
验证所提出方法的有效性，并验证所提出方法比传统方法具有更低的复杂度和处理时间。在实验室中开发了一个硬件原型，以验证提出的电流谐波提取算法，并将其与其他常规方法进行比较；
[0078]
图2中为使用上述提取方法提取的负载电流基波分量图；
[0079]
图3为负载电流减去所得的基波电流得到相应的谐波图；
[0080]
可以看到，负载的基波电流和谐波电流皆可以被完整的提取，二者对比验证了本提取方法的正确性。
[0081]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0082]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。