[发明专利]一种基于延时补偿的数字单周期方法控制有源电力滤波器

摘要

一种基于延时补偿的数字单周期方法控制有源电力滤波器，属于数字控制领域，包括：(1)检测负载电流，使用谐波计算方法计算出谐波电流i_lha、i_lhb、i_lhc；(2)检测三相电源电压e_a、e_b、e_c和直流侧电容电压U_dc，将三相电源电压和直流侧电压输入到DSP(数字信号处理器)中进行采样；(3)将上述采样值输入到单周期控制模块中计算出开关管的占空比。(4)将计算出的占空比与DSP中定时器的周期寄存器值相乘，将结果作为比较寄存器的值，控制DSP产生PWM信号，控制变流器中开关的导通和关断，PWM信号为高电平时，开关器件导通，PWM信号为低电平时，开关器件关断，从而产生补偿电流。本发明能够有效减小有源电力滤波器的延时效应。

主权项

一种基于延时补偿的数字单周期方法控制有源电力滤波器，包括下述步骤：(1)检测负载电流，使用谐波计算方法计算出谐波电流i_lha、i_lhb、i_lhc；所述谐波电流计算是：将电流霍尔输出的小电流信号经过第一电阻转变为电压信号iain，将电压信号经过第二电阻和高频滤波电路滤除其中的高频信号，再经过电压跟随器OPA1将信号输入到电压抬升OPA2和比例放大电路OPA3中，将双极性信号转变为单极性信号，最后经过由第一二极管和第二二极管构成的0～3.3V的限幅电路，将限幅后的信号输入到数字信号处理器中；使用数字信号处理器中的AD采样模块对负载电流采样，分别使用采样通道0和采样通道1对A相负载电流和B相负载电流进行采样；首先将三相负载电流i_la、i_lb、i_lc经过三相到两相的变换得到两相坐标系下的电流i_α、i_β，$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=C_{32}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$式中，$C_{32}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right];$$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right]---\left(2\right)$由于i_la、i_lb、i_lc对称，即i_la+i_lb+i_lc＝0，所以i_lc＝‑i_la‑i_lb；式(2)可以表示为$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}=1.225i_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{\β}}=0.707i_{\mathrm{la}}+1.414i_{\mathrm{lb}}\end{array}\right.---\left(3\right)$i_α、i_β再经过同步旋转坐标变换得到有功电流i_p和无功电流i_q，即：$\left[\begin{array}{c}{i}_p\\ i_q\end{array}\right]=C_{i_p{i}_q}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(4\right)$式中，$C_{i_p{i}_q}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right];$$\left\{\begin{array}{c}{i}_p=\sin \mathrm{\ωt}*i_{\mathrm{\α}}-\cos \mathrm{\ωt}*i_{\mathrm{\β}}\\ i_q=-\cos \mathrm{\ωt}*i_{\mathrm{\α}}-\sin \mathrm{\ωt}*i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(5\right)$经过低通滤波器后得到有功电流和无功电流的直流分量和即：$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{i_p}=a_0*i_p\left(k\right)+a_1*i_p(k-1)+a_2*i_p(k-2)+b_1*\stackrel{\‾}{i_p}(k-1)-b_2*\stackrel{\‾}{i_p}(k-2)\\ \stackrel{\‾}{i_p}=a_0*i_q\left(k\right)+a_1*i_q(k-1)+a_2*i_q(k-2)+b_1*\stackrel{\‾}{i_q}(k-1)-b_2*\stackrel{\‾}{i_q}(k-2)\end{array}\right.---\left(6\right)$将直流分量经过旋转坐标反变换得到两相坐标系下的基波电流，即：$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{f\α}}\\ i_{\mathrm{f\β}}\end{array}\right]=C_{i_p{i}_q}^{-1}\left[\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{i_p}\\ \stackrel{\‾}{i_q}\end{array}\right]---\left(7\right)$式中，$C_{i_p{i}_q}^{-1}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right];$$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{f\α}}=\sin \mathrm{\ωt}*\stackrel{\‾}{i_p}-\cos \mathrm{\ωt}*\stackrel{\‾}{i_q}\\ i_{\mathrm{f\β}}=-\cos \mathrm{\ωt}*\stackrel{\‾}{i_p}-\sin \mathrm{\ωt}*\stackrel{\‾}{i_q}\end{array}\right.---\left(8\right)$再经过两相到三相的变换得到三相基波电流i_lfa、i_lfb、i_lfc，即：$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lfa}}\\ i_{\mathrm{lfb}}\\ i_{\mathrm{lfc}}\end{array}\right]=C_{23}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{f\α}}\\ i_{\mathrm{f\β}}\end{array}\right]---\left(9\right)$式中，$C_{23}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right];$$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lfa}}=0.816*i_{\mathrm{f\α}}\\ i_{\mathrm{lfb}}=-0.408*i_{\mathrm{f\α}}+0.707*i_{\mathrm{f\β}}\\ i_{\mathrm{lfc}}=-0.408*i_{\mathrm{f\α}}-0.707*i_{\mathrm{f\β}}\end{array}\right.---\left(10\right)$最后使用负载电流减去基波分量就可以得到谐波分量i_lha、i_lhb、i_lhc，即：$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lha}}\\ i_{\mathrm{lhb}}\\ i_{\mathrm{lhc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{la}}\\ i_{\mathrm{lb}}\\ i_{\mathrm{lc}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{lfa}}\\ i_{\mathrm{lfb}}\\ i_{\mathrm{lfc}}\end{array}\right]---\left(11\right)$(2)检测三相电源电压e_a、e_b、e_c和直流侧电容电压U_dc，将三相电源电压和直流侧电压输入到数字信号处理器DSP中进行采样；(3)将上述采样值输入到单周期控制模块中，即：$\left\{\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{ap}}=0.5+\frac{1}{U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}\{L\frac{-2i_{\mathrm{lha}}\left(k\right)+3i_{\mathrm{lha}}(k-1)-i_{\mathrm{lha}}(k-2)}{\mathrm{\Δt}}+R[-2i_{\mathrm{lha}}\left(k\right)+i_{\mathrm{lha}}(k-1)]+e_a\left(k\right)\}\\ d_{\mathrm{bp}}=0.5+\frac{1}{U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}\{L\frac{-2i_{\mathrm{lhb}}\left(k\right)+3i_{\mathrm{lhb}}(k-1)-i_{\mathrm{lhb}}(k-2)}{\mathrm{\Δt}}+R[-2i_{\mathrm{lhb}}\left(k\right)+i_{\mathrm{lhb}}(k-1)]+e_b\left(k\right)\}\\ d_{\mathrm{cp}}=0.5+\frac{1}{U_{\mathrm{dc}}\left(k\right)}\{L\frac{-2i_{\mathrm{lhc}}\left(k\right)+3i_{\mathrm{lhc}}(k-1)-i_{\mathrm{lhc}}(k-2)}{\mathrm{\Δt}}+R[-2i_{\mathrm{lhc}}\left(k\right)+i_{\mathrm{lhc}}(k-1)]+e_c\left(k\right)\}\end{array}\right.---\left(12\right)$计算出开关管的占空比；式中：R表示滤波电感的电阻，k表示第k个采样点，k‑1表示第k‑1个采样点，k‑2表示第k‑2个采样点；(4)将计算出的占空比与数字信号处理器DSP中定时器的周期寄存器值相乘，将结果作为比较寄存器的值，控制数字信号处理器DSP产生脉冲宽度调制PWM信号，控制变流器中开关的导通和关断，当PWM信号为高电平的时候开关器件导通，当PWM信号为低电平的时候开关器件关断，从而产生补偿电流。