專利名稱：基于加窗全相位fft的apf諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電能質(zhì)量控制領(lǐng)域,尤其是一種基于加窗全相位FFT (Fast Fourier
Transform--決速傅里葉變換)的APF (Active Power Filter-有源電力濾波器)諧波
檢測(cè)與控制系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)隨著電力電子裝置和非線性負(fù)載的日益廣泛，電能質(zhì)量得到了有效的提高。但是，隨之而來(lái)的在配電網(wǎng)中諸如換流器、變頻調(diào)速、電弧爐、電氣化鐵路、家用電子電器等各種設(shè)備不斷增加，這些負(fù)荷的用電特性(非線性、沖擊性和不對(duì)稱性)使電力系統(tǒng)中電壓和電流的波形發(fā)生較嚴(yán)重的畸變，形成嚴(yán)重的諧波問(wèn)題。
傳統(tǒng)的諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償方法是采用基于諧振原理的無(wú)源濾波器，但這樣只能濾除設(shè)定次數(shù)的諧波，且易與電網(wǎng)產(chǎn)生串、并聯(lián)諧振，濾波器參數(shù)的漂移導(dǎo)致濾波性能變差。從目前的國(guó)內(nèi)外研究與使用情況來(lái)看，有源電力濾波器是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)的電力電子補(bǔ)償裝置，一般采用并聯(lián)的方式并聯(lián)于電源和負(fù)荷之間，能夠彌補(bǔ)無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。具有很好的動(dòng)態(tài)性能和諧波補(bǔ)償特性。能否準(zhǔn)確和快速的檢測(cè)出諧波電流是有源濾波技術(shù)的關(guān)鍵。所以APF的準(zhǔn)確檢測(cè)方法的研究顯得尤為重要。有電力源濾波器的主要原理是檢測(cè)負(fù)載電流，向電網(wǎng)注入與諧波電流大小相等方向相反的電流，進(jìn)而達(dá)到濾除諧波的目的。傳統(tǒng)的FFT檢測(cè)方法存在柵欄效應(yīng)和泄漏現(xiàn)象，使算出的信號(hào)參數(shù)即頻率、幅值和相位不準(zhǔn)，尤其是相位誤差很大，無(wú)法滿足準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)諧波測(cè)量要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)及方法，它可以克服上述現(xiàn)有的快速傅里葉檢測(cè)算法的不足，是一種計(jì)算精度高、檢測(cè)準(zhǔn)確性高、速度快的控制系統(tǒng)，且其方法簡(jiǎn)單易行。本發(fā)明的技術(shù)方案一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，包括帶非線性負(fù)載和有源電流濾波器的交流電網(wǎng)，其特征在于它是包括控制模塊和檢測(cè)模塊，其中，所述檢測(cè)模塊包括指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元；所述控制模塊包括主電路單元、PWM驅(qū)動(dòng)單元和電流跟蹤控制單元；所述指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元的輸入端檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載端的電流信號(hào)，其輸出端與電流跟蹤控制單元的輸入端連接；所述PWM驅(qū)動(dòng)單元的輸入端連接電流跟蹤控制單元的輸出端，其輸出端連接主電路單元的輸入端；所述主電路單元的輸出端輸出補(bǔ)償電流信號(hào)反饋給電網(wǎng)。所述指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元是由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、光電隔離模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、DSP中央控制模塊、顯示電路模塊、過(guò)零檢測(cè)模塊和電壓傳感器模塊構(gòu)成；其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載端的三相電流信號(hào)和有源電流濾波器發(fā)出的三相補(bǔ)償電流信號(hào)，其輸出端與信號(hào)調(diào)理電路模塊的輸入端連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊的輸入端分別連接信號(hào)調(diào)理電路模塊的輸入端和電壓傳感器模塊的輸入端，同時(shí)還與DSP中央控制模塊呈雙向連接；所述光電隔離模塊的輸入端連接DSP中央控制模塊的輸出端，其輸出端連接驅(qū)動(dòng)電路模塊的輸入端；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與DSP中央控制模塊呈雙向連接；所述過(guò)零檢測(cè)模塊的輸入端連接電壓傳感器模塊的輸出端，其輸出端與DSP中央控制模塊的輸入端連接；所述DSP中央控制模塊的輸出端還與顯示電路模塊的輸入端連接；所述電壓傳感器模塊的輸入端采集直流側(cè)的母線電壓信號(hào)和交流電網(wǎng)中的A、B、C三相相電壓信號(hào)。所述電壓傳感器模塊由四個(gè)霍爾電壓傳感器構(gòu)成，分別采集母線電壓信號(hào)和交流電網(wǎng)中的A、B、C三相相電壓信號(hào)。

所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊是A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7356。所述DSP中央控制模塊是由包含大容量快速閃存、多個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)事件管理器和SPI、SCI、CAN多種接口，可提供多達(dá)16路的PWM控制脈沖信號(hào)的美國(guó)德州儀器公司的DSP 芯片 TMS230F2812。所述電流跟蹤控制單兀由LADRC (Linear Auto Disturbance RejectionControl)——線性自抗擾控制)控制器構(gòu)成；所述LADRC控制器是由非線性跟蹤微分器TD (Tracking Differentiator非線性跟蹤微分器)單元、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO (Extended
State Observer-擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器)單元、非線性誤差反饋控制律NLSEF (Non-linear
State Error Feedback Law-非線性誤差反饋控制律)單元以及控制對(duì)象單元構(gòu)成；所述
非線性跟蹤微分器TD單元采集指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元輸出的電壓信號(hào)，其輸出端與非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸入端連接；所述非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸入端接收非線性跟蹤微分器TD單元的輸出端和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元的輸出端發(fā)出的信號(hào)之和；所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元的輸入端采集控制對(duì)象的輸出端信號(hào)，其輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)Ι/b倍變換后與非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸出信號(hào)疊加后輸送給控制對(duì)象，同時(shí)疊加信號(hào)還經(jīng)倍數(shù)b變換輸送給擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元。所述主電路單元由電壓型PWM變流器電路構(gòu)成；其中，它是由3個(gè)由電力電子開關(guān)器件構(gòu)成的橋臂、電容C以及儲(chǔ)能裝置構(gòu)成；所述每個(gè)橋臂均有一個(gè)IGBT開關(guān)管和一個(gè)二極管反并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂的一端分別連接電網(wǎng)的3相線路，另一端連接電容C以及儲(chǔ)能裝置；所述每個(gè)IGBT開關(guān)管的門極接收PWM驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于包括以下步驟(I)指令電流檢測(cè)運(yùn)算系統(tǒng)單元檢測(cè)并計(jì)算電網(wǎng)中負(fù)載側(cè)的電流，補(bǔ)償電流的指令信號(hào)發(fā)送給電流跟蹤控制單元；(2)電流跟蹤控制單元根據(jù)步驟(I)的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，給PWM驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出需要發(fā)出觸發(fā)信號(hào)的指令，并讓其按照電流間的相互關(guān)系發(fā)出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；(3)PWM驅(qū)動(dòng)單元是PWM信號(hào)生成模塊，用于觸發(fā)產(chǎn)生控制有源電力濾波器的功率單元的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，使其發(fā)出控制補(bǔ)償電流發(fā)生的主電路單元中的6個(gè)IGBT開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)；
(4)主電路單元中的各橋臂根據(jù)接收到的PWM信號(hào)決定各橋臂的通斷以產(chǎn)生期望的補(bǔ)償電流。所述步驟(I)中的電流檢測(cè)計(jì)算由以下步驟構(gòu)成①通過(guò)數(shù)據(jù)采集信號(hào)模塊采集N個(gè)點(diǎn)的采樣頻率f S，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路模塊將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)調(diào)至A/D轉(zhuǎn)換器模塊，得到N個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；②構(gòu)造N個(gè)點(diǎn)長(zhǎng)度的多卷積窗函數(shù)，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行加多卷積窗FFT進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而得到FFT的譜線X(k)，k=0, I,…，N，其中FFT的運(yùn)算數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N ；③根據(jù)搜索FFT的譜線的最高峰和相鄰次高峰，計(jì)算相鄰譜線的峰的幅值之比，根據(jù)幅值之比計(jì)算基波的插值系數(shù)；④根據(jù)基波的插值系數(shù)計(jì)算各次諧波的插值系數(shù)；⑤計(jì)算基波頻譜對(duì)鄰近諧波譜線的頻譜進(jìn)行干涉，從原譜線中消除該頻譜干涉， 得到諧波的真實(shí)譜線；⑥通過(guò)全相位插值計(jì)算得到準(zhǔn)確的基波和各次諧波的頻率、幅值和相位；⑦運(yùn)用全相位修正算法思想對(duì)相位進(jìn)行修正，最終得到更準(zhǔn)確的基波各次諧波的頻率、幅值和相位；⑧對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行跟蹤微分計(jì)算得到光滑的輸入信號(hào)，并將其輸入給電流跟蹤控制單元的LADRC控制器中的非線性跟蹤微分器TD單元進(jìn)行非線性誤差反饋計(jì)算；⑨步驟⑧得到的計(jì)算結(jié)果在擴(kuò)張狀態(tài)器ESO輸出的一個(gè)擾動(dòng)Zn+1共同作用下得到狀態(tài)誤差量，同時(shí)擴(kuò)張狀態(tài)器ESO通過(guò)狀態(tài)誤差重構(gòu)得到一個(gè)補(bǔ)償項(xiàng)，它作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)模型和外擾實(shí)時(shí)作用并予以補(bǔ)償?shù)姆至浚罱K對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行精確控制；⑩在DSP中央控制模塊完成對(duì)負(fù)載電流的采集后，通過(guò)ADRC控制器控制補(bǔ)償電流發(fā)生的主電路單元中的6個(gè)IGBT開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)APF諧波的精確檢測(cè)與準(zhǔn)確控制。本發(fā)明的工作原理基于加窗全相位快速傅里葉變換，根據(jù)本發(fā)明提出的加窗全相位快速傅里葉變換電流檢測(cè)原理，利用加窗(hamming窗)函數(shù)對(duì)快速傅里葉變換進(jìn)行改進(jìn)適合于電力系統(tǒng)諧波的高精度測(cè)量，進(jìn)而有利用了全相位修正算法思想進(jìn)行修證，使得相位檢測(cè)無(wú)誤差，在電力系統(tǒng)的諧波檢測(cè)中較大地提高了計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性，也很好地解決了加窗插值FFT算法中對(duì)相位檢測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題。在分析比較現(xiàn)有的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)理論和方法基礎(chǔ)上本發(fā)明提出采用加窗全相位算法思想運(yùn)用于有源電力濾波器諧波檢測(cè)中，通過(guò)對(duì)常用窗組合的卷積窗的比較，構(gòu)造出新的卷積窗比原窗具有更大的旁瓣衰減速度，可以進(jìn)一步減少諧波間的能量泄漏，從而得到減小幅值誤差較好的效果，并加三次樣條函數(shù)的有效形式計(jì)算插值FFT函數(shù)，計(jì)算公式簡(jiǎn)單，程序?qū)崿F(xiàn)方便，用128個(gè)采樣點(diǎn)更加加強(qiáng)了實(shí)時(shí)性，在分段處連續(xù)，且為精確值，不存在極限值問(wèn)題，適合于電力系統(tǒng)諧波的高精度測(cè)量。通過(guò)全相位修正算法思想進(jìn)行修證，使得相位檢測(cè)無(wú)誤差，在電力系統(tǒng)的諧波檢測(cè)中較大地提高了計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性，也很好地解決了加窗插值FFT算法中對(duì)相位檢測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算表明該方法有較高的精度。此算法還可用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)，繼電保護(hù)測(cè)量裝置或電量表計(jì)中，也可以用于其他領(lǐng)域中，具有實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明的優(yōu)越性在于①硬件裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本適中、易于實(shí)現(xiàn)；②采用加窗全相位FFT電流檢測(cè)法能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波電流的諧波的頻率、幅值和相位，保障了 APF的補(bǔ)償性能通過(guò)全相位修正算法思想進(jìn)行修證，使得相位檢測(cè)無(wú)誤差，在電力系統(tǒng)的諧波檢測(cè)中較大地提高了計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性；④將ADRC控制策略應(yīng)用于控制APF中，大大提高了 APF的電流跟蹤控制效果。


圖I為本發(fā)明所涉基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明所涉基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)中檢測(cè)模塊中指令電流檢測(cè)計(jì)算單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所涉基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)中電流跟蹤控制模塊的LADRC控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明所涉基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制裝置中的主電路單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明所涉基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)中的加窗全相位FFT檢測(cè)方法流程框圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)(見圖1)，包括帶非線性負(fù)載和有源電流濾波器的交流電網(wǎng)，其特征在于它是包括控制模塊和檢測(cè)模塊，其中，所述檢測(cè)模塊包括指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元；所述控制模塊包括主電路單元、PWM驅(qū)動(dòng)單元和電流跟蹤控制單元；所述指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元的輸入端檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載端的電流信號(hào)，其輸出端與電流跟蹤控制單元的輸入端連接；所述PWM驅(qū)動(dòng)單元的輸入端連接電流跟蹤控制單元的輸出端，其輸出端連接主電路單元的輸入端；所述主電路單元的輸出端輸出補(bǔ)償電流信號(hào)反饋給電網(wǎng)。所述指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元(見圖2)是由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、光電隔離模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、DSP中央控制模塊、顯示電路模塊、過(guò)零檢測(cè)模塊和電壓傳感器模塊構(gòu)成；其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載端的三相電流信號(hào)和有源電流濾波器發(fā)出的三相補(bǔ)償電流信號(hào)，其輸出端與信號(hào)調(diào)理電路模塊的輸入端連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊的輸入端分別連接信號(hào)調(diào)理電路模塊的輸入端和電壓傳感器模塊的輸入端，同時(shí)還與DSP中央控制模塊呈雙向連接；所述光電隔離模塊的輸入端連接DSP中央控制模塊的輸出端，其輸出端連接驅(qū)動(dòng)電路模塊的輸入端；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與DSP中央控制模塊呈雙向連接；所述過(guò)零檢測(cè)模塊的輸入端連接電壓傳感器模塊的輸出端，其輸出端與DSP中央控制模塊的輸入端連接；所述DSP中央控制模塊的輸出端還與顯示電路模塊的輸入端連接；所述電壓傳感器模塊的輸入端采集直流側(cè)的母線電壓信號(hào)和交流電網(wǎng)中的A、B、C三相相電壓信號(hào)。所述電壓傳感器模塊(見圖2)由四個(gè)霍爾電壓傳感器構(gòu)成，分別采集母線電壓信號(hào)和交流電網(wǎng)中的A、B、C三相相電壓信號(hào)。所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊(見圖2)是A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7356。所述DSP中央控制模塊(見圖2)是由包含大容量快速閃存、多個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)事件管理器和SPI、SCI、CAN多種接口，可提供多達(dá)16路的PWM控制脈沖信號(hào)的美國(guó)德州儀器公司的DSP芯片TMS230F2812。所述電流跟蹤控制單兀由LADRC (Linear Auto Disturbance RejectionControl)——線性自抗擾控制)控制器(見圖3)構(gòu)成；所述LADRC控制器是由非線性跟蹤微分器TD (Tracking Differentiator非線性跟蹤微分器)單元、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO
(Extended State Observer-擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器)單元、非線性誤差反饋控制律NLSEF
(Non-linear State Error Feedback Law-非線性誤差反饋控制律)單元以及控制對(duì)
象單元構(gòu)成；所述非線性跟蹤微分器TD單元采集指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元輸出的電壓信號(hào)，其輸出端與非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸入端連接；所述非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸入端接收非線性跟蹤微分器TD單元的輸出端和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元的輸出端發(fā)出的信號(hào)之和；所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元的輸入端采集控制對(duì)象的輸出端信號(hào)，其輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)Ι/b倍變換后與非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸出信號(hào)疊加后輸送給控制對(duì)象，同時(shí)疊加信號(hào)還經(jīng)倍數(shù)b變換輸送給擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元。所述主電路單元(見圖4)由電壓型PWM變流器電路構(gòu)成；其中，它是由3個(gè)由電力電子開關(guān)器件構(gòu)成的橋臂、電容C以及儲(chǔ)能裝置構(gòu)成；所述每個(gè)橋臂均有一個(gè)IGBT開關(guān)管和一個(gè)二極管反并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂的一端分別連接電網(wǎng)的3相線路，另一端連接電容C以及儲(chǔ)能裝置；所述每個(gè)IGBT開關(guān)管的門極接收PWM驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于包括以下步驟(I)指令電流檢測(cè)運(yùn)算系統(tǒng)單元檢測(cè)并計(jì)算電網(wǎng)中負(fù)載側(cè)的電流，補(bǔ)償電流的指令信號(hào)發(fā)送給電流跟蹤控制單元；(2)電流跟蹤控制單元根據(jù)步驟(I)的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，給PWM驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出需要發(fā)出觸發(fā)信號(hào)的指令，并讓其按照電流間的相互關(guān)系發(fā)出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；(3)PWM驅(qū)動(dòng)單元是PWM信號(hào)生成模塊，用于觸發(fā)產(chǎn)生控制有源電力濾波器的功率單元的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，使其發(fā)出控制補(bǔ)償電流發(fā)生的主電路單元中的6個(gè)IGBT開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)；(4)主電路單元中的各橋臂根據(jù)接收到的PWM信號(hào)決定各橋臂的通斷以產(chǎn)生期望的補(bǔ)償電流。所述步驟(I)中的電流檢測(cè)計(jì)算由以下步驟構(gòu)成(見圖5)①通過(guò)數(shù)據(jù)采集信號(hào)模塊采集N個(gè)點(diǎn)的采樣頻率f S，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路模塊將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)調(diào)至A/D轉(zhuǎn)換器模塊，得到N個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；②構(gòu)造N個(gè)點(diǎn)長(zhǎng)度的多卷積窗函數(shù)，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行加多卷積窗FFT進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而得到FFT的譜線X(k)，k=0, I,…，N，其中FFT的運(yùn)算數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N ；③根據(jù)搜索FFT的譜線的最高峰和相鄰次高峰，計(jì)算相鄰譜線的峰的幅值之比，根據(jù)幅值之比計(jì)算基波的插值系數(shù)；
④根據(jù)基波的插值系數(shù)計(jì)算各次諧波的插值系數(shù)；⑤計(jì)算基波頻譜對(duì)鄰近諧波譜線的頻譜進(jìn)行干涉，從原譜線中消除該頻譜干涉，得到諧波的真實(shí)譜線；⑥通過(guò)全相位插值計(jì)算得到準(zhǔn)確的基波和各次諧波的頻率、幅值和相位；⑦運(yùn)用全相位修正算法思想對(duì)相位進(jìn)行修正，最終得到更準(zhǔn)確的基波各次諧波的頻率、幅值和相位；⑧對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行跟蹤微分計(jì)算得到光滑的輸入信號(hào)，并將其輸入給電流跟蹤控制單元的LADRC控制器中的非線性跟蹤微分器TD單元進(jìn)行非線性誤差反饋計(jì)算；⑨步驟⑧得到的計(jì)算結(jié)果在擴(kuò)張狀態(tài)器ESO輸出的一個(gè)擾動(dòng)Zn+1共同作用下得到狀態(tài)誤差量，同時(shí)擴(kuò)張狀態(tài)器ESO通過(guò)狀態(tài)誤差重構(gòu)得到一個(gè)補(bǔ)償項(xiàng)，它作為自動(dòng)檢測(cè) 系統(tǒng)模型和外擾實(shí)時(shí)作用并予以補(bǔ)償?shù)姆至浚罱K對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行精確控制；⑩在DSP中央控制模塊完成對(duì)負(fù)載電流的采集后，通過(guò)ADRC控制器控制補(bǔ)償電流發(fā)生的主電路單元中的6個(gè)IGBT開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)APF諧波的精確檢測(cè)與準(zhǔn)確控制。
權(quán)利要求
1.一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，包括帶非線性負(fù)載和有源電流濾波器的交流電網(wǎng)，其特征在于它包括控制模塊和檢測(cè)模塊，其中，所述檢測(cè)模塊包括指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元；所述控制模塊包括主電路單元、PWM驅(qū)動(dòng)單元和電流跟蹤控制單元；所述指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元的輸入端檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載端的電流信號(hào)，其輸出端與電流跟蹤控制單元的輸入端連接；所述PWM驅(qū)動(dòng)單元的輸入端連接電流跟蹤控制單元的輸出端，其輸出端連接主電路單元的輸入端；所述主電路單元的輸出端輸出補(bǔ)償電流信號(hào)反饋給電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于所述指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元是由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理電路模塊、A/D轉(zhuǎn)換器模塊、光電隔離模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、DSP中央控制模塊、顯示電路模塊、過(guò)零檢測(cè)模塊和電壓傳感器模塊構(gòu)成；其中，所述數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)電網(wǎng)中負(fù)載端的三相電流信號(hào)和有源電流濾波器發(fā)出的三相補(bǔ)償電流信號(hào)，其輸出端與信號(hào)調(diào)理電路模塊的輸入端連接；所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊的輸入端分別連接信號(hào)調(diào)理電路模塊的輸入端和電壓傳感器模塊的輸入端，同時(shí)還與DSP中央控制模塊呈雙向連接；所述光電隔離模塊的輸入端連接DSP中央控制模塊的輸出端，其輸出端連接驅(qū)動(dòng)電路模塊的輸入端；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與DSP中央控制模塊呈雙向連接；所述過(guò)零檢測(cè)模塊的輸入端連接電壓傳感器模塊的輸出端，其輸出端與DSP中央控制模塊的輸入端連接；所述DSP中央控制模塊的輸出端還與顯示電路模塊的輸入端連接；所述電壓傳感器模塊的輸入端采集直流側(cè)的母線電壓信號(hào)和交流電網(wǎng)中的A、B、C三相相電壓信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于所述電壓傳感器模塊由四個(gè)霍爾電壓傳感器構(gòu)成，分別采集母線電壓信號(hào)和交流電網(wǎng)中的A、B、C三相相電壓信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊是A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7356。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于所述DSP中央控制模塊是由包含大容量快速閃存、多個(gè)32位定時(shí)器、2個(gè)事件管理器和SPI、SCI、CAN多種接口，可提供多達(dá)16路的PWM控制脈沖信號(hào)的美國(guó)德州儀器公司的DSP芯片 TMS230F2812。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于所述電流跟蹤控制單元由LADRC控制器構(gòu)成；所述LADRC控制器是由非線性跟蹤微分器TD單元、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元、非線性誤差反饋控制律NLSEF單元以及控制對(duì)象單元構(gòu)成；所述非線性跟蹤微分器TD單元采集指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元輸出的電壓信號(hào)，其輸出端與非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸入端連接；所述非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸入端接收非線性跟蹤微分器TD單元的輸出端和擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元的輸出端發(fā)出的信號(hào)之和；所述擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元的輸入端采集控制對(duì)象的輸出端信號(hào)，其輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)Ι/b倍變換后與非線性誤差反饋控制律NLSEF單元的輸出信號(hào)疊加后輸送給控制對(duì)象，同時(shí)疊加信號(hào)還經(jīng)倍數(shù)b變換輸送給擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于所述主電路單元由電壓型PWM變流器電路構(gòu)成；其中，它是由3個(gè)由電力電子開關(guān)器件構(gòu)成的橋臂、電容C以及儲(chǔ)能裝置構(gòu)成；所述每個(gè)橋臂均有一個(gè)IGBT開關(guān)管和一個(gè)二極管反并聯(lián)而成，每個(gè)橋臂的一端分別連接電網(wǎng)的3相線路，另一端連接電容C以及儲(chǔ)能裝置；所述每個(gè)IGBT開關(guān)管的門極接收PWM驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
8.一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于包括以下步驟 (1)指令電流檢測(cè)運(yùn)算系統(tǒng)單元檢測(cè)并計(jì)算電網(wǎng)中負(fù)載側(cè)的電流，補(bǔ)償電流的指令信號(hào)發(fā)送給電流跟蹤控制單元； (2)電流跟蹤控制單元根據(jù)步驟(I)的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，給PWM驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出需要發(fā)出觸發(fā)信號(hào)的指令，并讓其按照電流間的相互關(guān)系發(fā)出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)； (3)PWM驅(qū)動(dòng)單元是PWM信號(hào)生成模塊，用于觸發(fā)產(chǎn)生控制有源電力濾波器的功率單元的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，使其發(fā)出控制補(bǔ)償電流發(fā)生的主電路單元中的6個(gè)IGBT開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)； (4)主電路單元中的各橋臂根據(jù)接收到的PWM信號(hào)決定各橋臂的通斷以產(chǎn)生期望的補(bǔ)償電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)的工作方法，其特征在于所述步驟(I)中的電流檢測(cè)計(jì)算由以下步驟構(gòu)成 ①通過(guò)數(shù)據(jù)采集信號(hào)模塊采集N個(gè)點(diǎn)的采樣頻率fS，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路模塊將模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大環(huán)節(jié)調(diào)至A/D轉(zhuǎn)換器模塊，得到N個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度； ②構(gòu)造N個(gè)點(diǎn)長(zhǎng)度的多卷積窗函數(shù)，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行加多卷積窗FFT進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而得到FFT的譜線X(k)，k=0, I,…，N，其中FFT的運(yùn)算數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N ； ③根據(jù)搜索FFT的譜線的最高峰和相鄰次高峰，計(jì)算相鄰譜線的峰的幅值之比，根據(jù)幅值之比計(jì)算基波的插值系數(shù)； ④根據(jù)基波的插值系數(shù)計(jì)算各次諧波的插值系數(shù)； ⑤計(jì)算基波頻譜對(duì)鄰近諧波譜線的頻譜進(jìn)行干涉，從原譜線中消除該頻譜干涉，得到諧波的真實(shí)譜線； ⑥通過(guò)全相位插值計(jì)算得到準(zhǔn)確的基波和各次諧波的頻率、幅值和相位； ⑦運(yùn)用全相位修正算法思想對(duì)相位進(jìn)行修正，最終得到更準(zhǔn)確的基波各次諧波的頻率、幅值和相位； ⑧對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)進(jìn)行跟蹤微分計(jì)算得到光滑的輸入信號(hào)，并將其輸入給電流跟蹤控制單元的LADRC控制器中的非線性跟蹤微分器TD單元進(jìn)行非線性誤差反饋計(jì)算； ⑨步驟⑧得到的計(jì)算結(jié)果在擴(kuò)張狀態(tài)器ESO輸出的一個(gè)擾動(dòng)Zn+1共同作用下得到狀態(tài)誤差量，同時(shí)擴(kuò)張狀態(tài)器ESO通過(guò)狀態(tài)誤差重構(gòu)得到一個(gè)補(bǔ)償項(xiàng)，它作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)模型和外擾實(shí)時(shí)作用并予以補(bǔ)償?shù)姆至浚罱K對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行精確控制； ⑩在DSP中央控制模塊完成對(duì)負(fù)載電流的采集后，通過(guò)ADRC控制器控制補(bǔ)償電流發(fā)生的主電路單元中的6個(gè)IGBT開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)APF諧波的精確檢測(cè)與準(zhǔn)確控制。
全文摘要
一種基于加窗全相位FFT的APF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，包括帶非線性負(fù)載和有源電流濾波器的交流電網(wǎng)，其特征在于它是包括控制模塊和檢測(cè)模塊；其工作方法包括信號(hào)檢測(cè)、觸發(fā)指令、發(fā)出脈沖、產(chǎn)生補(bǔ)償電流；其優(yōu)越性在于①簡(jiǎn)單、成本適中；②準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)諧波電流的頻率、幅值和相位，保障了APF的補(bǔ)償性能；③提高了計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性；④提高了APF的電流跟蹤控制效果。
文檔編號(hào)H02J3/01GK102832620SQ20121031689
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者周雪松, 陳廣柱, 馬幼捷 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)