基于小波和fft的shapf諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，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)、比較、觸發(fā)、調(diào)制、處理和輸出；其優(yōu)越性在于：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本適中、易于實(shí)現(xiàn)；②能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)諧波電流頻率、幅值和相位及暫態(tài)諧波電流，保障了SHAPF的補(bǔ)償性能且提高了計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性；③提高了SHAPF的電流跟蹤控制效果。
【專利說明】基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)及方法(-)【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001]本發(fā)明屬于電能質(zhì)量控制領(lǐng)域，尤其是一種基于小波和FFT (Fast Fourier
Transform--決速傅里葉變換）的 SHAPF (Shunt Hybrid Active Power Filter-并聯(lián)
混合型有源電力濾波器）諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)及方法。
(二）【背景技術(shù)】：
[0002]近年來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)重的諧波問題。
[0003]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)無源濾波器只能濾除設(shè)定次數(shù)的諧波，且易與電網(wǎng)產(chǎn)生串、并聯(lián)諧振的缺點(diǎn)。具有很好的動(dòng)態(tài)性能和諧波補(bǔ)償特性。但其結(jié)構(gòu)及元件特性決定其只能并聯(lián)于低電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中，對(duì)中高壓系統(tǒng)其無能為力。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。所以適合于中高壓系統(tǒng)的SHAPF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出及基于小波和FFT的SHAPF檢測(cè)方法的研究顯得尤為重要。
[0004]SHAPF結(jié)構(gòu)中，參見圖I, APF (Active Power Filter-有源電力濾波器)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；而基波串聯(lián)諧振電路是指在基波頻率處產(chǎn)生諧振，使得APF只承擔(dān)諧波電壓，即提高了 APF的電壓等級(jí)。傳統(tǒng)的FFT對(duì)穩(wěn)態(tài)信號(hào)有強(qiáng)大的處理能力，但其對(duì)于局部突變的暫態(tài)諧波信號(hào)有其局限性；小波變換具有時(shí)頻分析能力，尤其對(duì)局部突變的諧波信號(hào)有其強(qiáng)大的分能力。兩者單獨(dú)控制均無法滿足準(zhǔn)確的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)要求。
(三）
【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于小波和FFT的SHAPF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)算法以及小波變換算法的不足，是一種計(jì)算精度高、檢測(cè)準(zhǔn)確性高、速度快的檢測(cè)及控制系統(tǒng)，且其方法簡(jiǎn)單易行。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案：一種基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，包括帶非線性負(fù)載的交流電網(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)。
[0007]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)理電路模塊的輸出端和電壓傳感器模塊的輸出端，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與DSP中央控制模塊的輸出端連接，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不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)。
[0008]所述數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)到的電網(wǎng)中負(fù)載端的電流信號(hào)為3路電流信號(hào)，即電網(wǎng)中負(fù)載端的三相電流信號(hào)。
[0009]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)。
[0010]所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊是A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7356。
[0011]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 構(gòu)成。
[0012]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, TD)單兀、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器 ESO (Extended StateObserver, ES0)單兀、非線性誤差反饋控制律 NLSEF (Non-linear State Error FeedbackLaw, 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)1/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變換后再輸送給擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元。
[0013]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)。
[0014]一種基于小波和FFT的SHAPF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：
[0015](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；
[0016](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，即：指令電流運(yùn)算檢測(cè)單元所檢測(cè)出的指令信號(hào)與實(shí)際補(bǔ)償電流大小相等方向相反，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)系即發(fā)出與原有諧波信號(hào)大小相等方向相反的相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；[0017](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)；
[0018](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。
[0019]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6)：
[0020]①將原始的電流信號(hào)進(jìn)行離散小波變換得到低頻穩(wěn)態(tài)部分和高頻非穩(wěn)態(tài)部分；
[0021]②對(duì)低頻穩(wěn)態(tài)部分通過FFT進(jìn)行分析處理；通過數(shù)據(jù)采集信號(hào)模塊采集N點(diǎn)的采樣頻率fs，并通過信號(hào)調(diào)理電路模塊將模擬信號(hào)經(jīng)過放大環(huán)節(jié)調(diào)至A/D轉(zhuǎn)換器模塊，從而得到N點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；
[0022]③構(gòu)造步驟②中得到的N點(diǎn)數(shù)據(jù)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運(yùn)算，進(jìn)而得到FFT的譜線：
[0023]X(k), k=0, 1，…，N，
[0024]其中FFT的運(yùn)算數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N ；
[0025]④取步驟③得到的FFT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)幅值比計(jì)算基波的插值系數(shù)；進(jìn)而可以根據(jù)基波的插值系數(shù)計(jì)算各次諧波的插值系數(shù)；
[0026]⑤通過插值計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)部分的基波和各次諧波的頻率、幅值和相位；
[0027]⑥對(duì)高頻非穩(wěn)態(tài)部分信號(hào)通過離散小波變換進(jìn)行分析處理；通過小波變換把信號(hào)映射到小波空間，得到小波系數(shù)矢量；
[0028]⑦通過對(duì)小波系數(shù)矢量的分析得到原始信號(hào)的暫態(tài)部分和細(xì)節(jié)部分，然后通過小波逆變換得到暫態(tài)諧波電流；
[0029]⑧對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)V (t)進(jìn)行跟蹤微分計(jì)算得到光滑的輸入信號(hào)Vl、V2,…、Vn，與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)到的擾動(dòng)項(xiàng)Z進(jìn)行綜合運(yùn)算后得到的ε并輸出給LADRC的非線性誤差反饋控制單元（見圖4)；
[0030]⑨非線性反饋的輸出端輸出信號(hào)Utl⑴與擴(kuò)張狀態(tài)器輸出的一個(gè)擾動(dòng)Ζη+1的1/b倍共同作用得到狀態(tài)誤差量u(t)。ESO通過狀態(tài)誤差重構(gòu)得到補(bǔ)償項(xiàng)，它是自動(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；
[0031]⑩在DSP中央控制模塊完成對(duì)負(fù)載電流的采集后，通過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)SHAPF諧波的精確檢測(cè)與準(zhǔn)確控制。
[0032]本發(fā)明的工作原理：
[0033]基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)及方法，根據(jù)本發(fā)明提出的基于小波和FFT的SHAPF諧波電流檢測(cè)原理，首先將原始的電流信號(hào)進(jìn)行離散小波變換得到低頻穩(wěn)態(tài)部分和高頻非穩(wěn)態(tài)。利用FFT對(duì)低頻穩(wěn)態(tài)部分進(jìn)行分析處理，對(duì)高頻非穩(wěn)態(tài)信號(hào)通過離散小波變換進(jìn)行分析處理。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，也很好地結(jié)合了兩種理論的優(yōu)缺點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的不足。此方法的提出，可以對(duì)其他領(lǐng)域有借鑒意義，具有實(shí)用價(jià)值。
[0034]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提出適合于中高壓等級(jí)下的有源濾波裝置SHAPF的結(jié)構(gòu)；③采用基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)方法能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電網(wǎng)中穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)變化的諧波電流的頻率、幅值和相位及暫態(tài)諧波電流，保障了 SHAPF的補(bǔ)償性能且提高了計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性；④將ADRC控制策略應(yīng)用于控制SHAPF中，大大提高了 SHAPF的電流跟蹤控制效果。
(四)【專利附圖】

【附圖說明】:
[0035]圖1為【背景技術(shù)】中SHAPF結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖2為本發(fā)明所涉基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖3為本發(fā)明所涉基于小波和FFT的SHAPF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。
[0038]圖4為本發(fā)明所涉基于小波和FFT的SHAPF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。
[0039]圖5為本發(fā)明所涉基于小波和FFT的SHAPF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。
[0040]圖6為本發(fā)明所涉基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)中的檢測(cè)方法流程框圖。
(五)【具體實(shí)施方式】:
[0041]實(shí)施例:一種基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)(見圖2)，包括帶非線性負(fù)載的交流電網(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)。
[0042]所述指令電流檢測(cè)運(yùn)算單元(見圖3)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)理電路模塊的輸出端和電壓傳感器模塊的輸出端，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與DSP中央控制模塊的輸出端連接，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)。
[0043]所述數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)到的電網(wǎng)中負(fù)載端的電流信號(hào)為3路電流信號(hào)，即電網(wǎng)中負(fù)載端的三相電流信號(hào)。
[0044]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)。
[0045]所述A/D轉(zhuǎn)換器模塊是A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7356。
[0046]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SP1、SC1、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 構(gòu)成。
[0047]所述電流跟蹤控制單元由LADRC控制器(見圖4)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變換后再輸送給擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元。
[0048]所述主電路單元(見圖5 )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)。
[0049]一種基于小波和FFT的SHAPF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:
[0050](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；
[0051](2)電流跟蹤控制單元根據(jù)步驟(1)的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，即:指令電流運(yùn)算檢測(cè)單元所檢測(cè)出的指令信號(hào)與實(shí)際補(bǔ)償電流大小相等方向相反，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)系即發(fā)出與原有諧波信號(hào)大小相等方向相反的相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)；
[0052](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)；
[0053](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。
[0054]所述步驟(1)中的電流檢測(cè)計(jì)算由以下步驟構(gòu)成(見圖6):
[0055]①將原始的電流信號(hào)進(jìn)行離散小波變換得到低頻穩(wěn)態(tài)部分和高頻非穩(wěn)態(tài)部分；
[0056]②對(duì)低頻穩(wěn)態(tài)部分通過FFT進(jìn)行分析處理；通過數(shù)據(jù)采集信號(hào)模塊采集N點(diǎn)的采樣頻率fs，并通過信號(hào)調(diào)理電路模塊將模擬信號(hào)經(jīng)過放大環(huán)節(jié)調(diào)至A/D轉(zhuǎn)換器模塊，從而得到N點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；
[0057]③構(gòu)造步驟②中得到的N點(diǎn)數(shù)據(jù)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運(yùn)算，進(jìn)而得到FFT的譜線:
[0058]X(k), k=0, 1，…，N，[0059]其中FFT的運(yùn)算數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N ；
[0060]④取步驟③得到的FFT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t匕，根據(jù)幅值比計(jì)算基波的插值系數(shù)；進(jìn)而可以根據(jù)基波的插值系數(shù)計(jì)算各次諧波的插值系數(shù)；
[0061]⑤通過插值計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)部分的基波和各次諧波的頻率、幅值和相位；
[0062]⑥對(duì)高頻非穩(wěn)態(tài)部分信號(hào)通過離散小波變換進(jìn)行分析處理；通過小波變換把信號(hào)映射到小波空間，得到小波系數(shù)矢量；
[0063]⑦通過對(duì)小波系數(shù)矢量的分析得到原始信號(hào)的暫態(tài)部分和細(xì)節(jié)部分，然后通過小波逆變換得到暫態(tài)諧波電流；
[0064]⑧對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)V (t)進(jìn)行跟蹤微分計(jì)算得到光滑的輸入信號(hào)Vl、V2,…、Vn，與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)到的擾動(dòng)項(xiàng)Z進(jìn)行綜合運(yùn)算后得到的ε并輸出給LADRC的非線性誤差反饋控制單元(見圖4)；
[0065]⑨非線性反饋的輸出端輸出信號(hào)Utl⑴與擴(kuò)張狀態(tài)器輸出的一個(gè)擾動(dòng)Ζη+1的1/b倍共同作用得到狀態(tài)誤差量u(t)。ESO通過狀態(tài)誤差重構(gòu)得到補(bǔ)償項(xiàng)，它是自動(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?，最終對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行精確控制；
[0066] ⑩在DSP中央控制模塊完成對(duì)負(fù)載電流的采集后，通過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)SHAPF諧波的精確檢測(cè)與準(zhǔn)確控制。
【權(quán)利要求】
1.一種基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，包括帶非線性負(fù)載的交流電網(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)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于小波和FFT的SHAPF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)理電路模塊的輸出端和電壓傳感器模塊的輸出端，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與DSP中央控制模塊的輸出端連接，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所述一種基于小波和FFT的SHAPF諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集模塊檢測(cè)到的電網(wǎng)中負(fù)載端的電流信號(hào)為3路電流信號(hào)，即電網(wǎng)中負(fù)載端的二相電流號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于小波和FFT的SHAPF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)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于小波和FFT的SHAPF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。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種基于小波和FFT的SHAPF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P麗控制脈沖信號(hào)的美國(guó)德州儀器公司的DSP芯片TMS230F2812構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于小波和FFT的SHAPF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變換后再輸送給擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器ESO單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于小波和FFT的SHAPF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)。
9.一種基于小波和FFT的SHAPF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，即：指令電流運(yùn)算檢測(cè)單元所檢測(cè)出的指令信號(hào)與實(shí)際補(bǔ)償電流大小相等方向相反，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)系即發(fā)出與原有諧波信號(hào)大小相等方向相反的相應(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P麗信號(hào)決定各橋臂的通斷以產(chǎn)生期望的補(bǔ)償電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述一種基于小波和FFT的SHAPF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將原始的電流信號(hào)進(jìn)行離散小波變換得到低頻穩(wěn)態(tài)部分和高頻非穩(wěn)態(tài)部分； ②對(duì)低頻穩(wěn)態(tài)部分通過FFT進(jìn)行分析處理；通過數(shù)據(jù)采集信號(hào)模塊采集N點(diǎn)的采樣頻率fS，并通過信號(hào)調(diào)理電路模塊將模擬信號(hào)經(jīng)過放大環(huán)節(jié)調(diào)至A/D轉(zhuǎn)換器模塊，從而得到N點(diǎn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度； ③構(gòu)造步驟②中得到的N點(diǎn)數(shù)據(jù)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 ； ④取步驟③得到的FFT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)幅值比計(jì)算基波的插值系數(shù)；進(jìn)而可以根據(jù)基波的插值系數(shù)計(jì)算各次諧波的插值系數(shù)； ⑤通過插值計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)部分的基波和各次諧波的頻率、幅值和相位； ⑥對(duì)高頻非穩(wěn)態(tài)部分信號(hào)通過離散小波變換進(jìn)行分析處理；通過小波變換把信號(hào)映射到小波空間，得到小波系數(shù)矢量； ⑦通過對(duì)小波系數(shù)矢量的分析得到原始信號(hào)的暫態(tài)部分和細(xì)節(jié)部分，然后通過小波逆變換得到暫態(tài)諧波電流； ⑧對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)v(t)進(jìn)行跟蹤微分計(jì)算得到光滑的輸入信號(hào)Vl、V2、…、vn，與擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器觀測(cè)到的擾動(dòng)項(xiàng)Z進(jìn)行綜合運(yùn)算后得到的e并輸出給LADRC的非線性誤差反饋控制單元（見圖4) ； ⑨非線性反饋的輸出端輸出信號(hào)Uci(^t)與擴(kuò)張狀態(tài)器輸出的一個(gè)擾動(dòng)Zn+1的1/b倍共同作用得到狀態(tài)誤差量U (t)。ESO通過狀態(tài)誤差重構(gòu)得到補(bǔ)償項(xiàng)，它是自動(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?，最終對(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)SHAPF諧波的精確檢測(cè)與準(zhǔn)確控制。
【文檔編號(hào)】G01R23/16GK103490417SQ201310462025
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】周雪松, 陳廣柱, 馬幼捷, 徐曉寧, 谷海清, 尹金良, 侯兆豪, 石雪琦, 梁歡 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)