潘昭棟，柴琳，劉惠康

（武漢科技大學(xué)信息與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）

基于諧波載波海浪發(fā)電技術(shù)的設(shè)計(jì)

潘昭棟，柴琳，劉惠康

（武漢科技大學(xué)信息與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）

海浪發(fā)電系統(tǒng)中的電網(wǎng)為海島孤網(wǎng)，電網(wǎng)負(fù)載多為非線性負(fù)載且負(fù)載經(jīng)常變化，會(huì)產(chǎn)生多次諧波污染電網(wǎng)并引起電網(wǎng)不平衡。傳統(tǒng)有源電力濾波器進(jìn)行諧波處理只能對(duì)電網(wǎng)負(fù)載諧波源引起的諧波進(jìn)行處理，忽略了模型器件本身和計(jì)算誤差引起的諧波，諧波治理效果差。在傳統(tǒng)的有源濾波的基礎(chǔ)上，基于瞬時(shí)無功功率理論和模糊控制理論，采用了模糊控制策略和諧波載波的方式，加入了諧波誤差控制環(huán)節(jié)，能更好地消除諧波，并用Matlab進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的正確性和可行性。

海浪發(fā)電；非線性負(fù)載；諧波載波；模糊控制；諧波治理

海浪發(fā)電多在偏遠(yuǎn)的孤島，電網(wǎng)所連接的電網(wǎng)大多為海島孤網(wǎng)，且電網(wǎng)所接負(fù)載多為節(jié)能燈、變頻空調(diào)等家用電器，這些負(fù)載都是非線性負(fù)載。在海浪發(fā)電系統(tǒng)中，不僅有諧波源電網(wǎng)負(fù)載端引起諧波，還有系統(tǒng)模型和電子器件本身以及計(jì)算誤差都會(huì)產(chǎn)生諧波也會(huì)影響電網(wǎng)電流波形，其中，系統(tǒng)模型器件本身和計(jì)算誤差引起的諧波不能計(jì)算出來，也不能定量的進(jìn)行分析，難以消除。

針對(duì)海浪發(fā)電系統(tǒng)里面的諧波問題，本文提出在發(fā)電的過程中進(jìn)行諧波處理，能夠提高整個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性和有效性。本文的創(chuàng)新點(diǎn)：1）采用了諧波載波的方式；2）在傳統(tǒng)有源濾波的基礎(chǔ)上，采用模糊控制策略，加入了諧波補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

1　海浪發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

海浪發(fā)電系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成。主電路包括海浪發(fā)電環(huán)節(jié)（波浪共振器，液壓傳動(dòng)，電機(jī)），整流器，逆變器，電網(wǎng)?？刂齐娐凡糠钟芍C波指令電流模塊、諧波電流偏差控制模塊、發(fā)電基波電流模塊組成。海浪發(fā)電原理：波浪共振器能發(fā)出各種頻率的波，這些不同頻率的波作用于不同的物體就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的共振波，當(dāng)這種波到達(dá)相應(yīng)的程度就能夠帶動(dòng)液壓杠桿上下擺動(dòng)，從而帶動(dòng)電機(jī)工作，發(fā)出三相交流電，經(jīng)過整流器整流和逆變器逆變，流向電網(wǎng)，給負(fù)載供電［1］。本文基于瞬時(shí)無功功率理論和模糊控制理論，提出集發(fā)電和諧波處理于一體的海浪發(fā)電系統(tǒng)。諧波處理在傳統(tǒng)的有源濾波的基礎(chǔ)上，采用諧波載波的方式，加入了模糊控制器并引入了諧波偏差控制環(huán)節(jié)，能夠有效地改善電網(wǎng)電流波形。采用諧波載波的方式即將諧波指令電流、諧波偏差電流加載在發(fā)電基波電流上的方式，通過PWM進(jìn)行脈寬調(diào)制，控制逆變輸出，這樣既能發(fā)電又能消除諧波。其中發(fā)電基波電流是大電流，諧波指令電流是小電流（幅值是基波電流的20%以下）即消除諧波電流的主力，諧波電流偏差是小電流（幅值是諧波指令電流的10%以下）即實(shí)際諧波電流和逆變輸出諧波電流的偏差量，采用這種諧波載波的方式，具有快速性好、節(jié)約投資、精度好控制的優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)框圖如圖1（文章都以a相為例）所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　System structure diagram

在圖1中，i*a是發(fā)電基波模塊產(chǎn)生的發(fā)電基波電流，i*ah是諧波指令電流模塊產(chǎn)生的諧波指令電流，Δi*ah是諧波補(bǔ)償模塊產(chǎn)生的諧波補(bǔ)償電流。ia是從電網(wǎng)采樣的三相電流，i′a是從逆變輸出采樣的三相電流，T（ms）是采樣周期，θ=ωt是功率因數(shù)變換角。iα，iβ，ip，iq是電網(wǎng)三相電流基于瞬時(shí)無功理論計(jì)算三相諧波電流iah，ibh， ich的中間量等也類似。Udc是直流母線電壓是電壓給定，i*q=0是無功電流給定。

1.1發(fā)電基波電流模塊

發(fā)電基波電流產(chǎn)生模塊采用的是最大功率跟蹤技術(shù)，通過海浪能捕獲模型以最大功率捕獲海浪能，經(jīng)過功率逆變得到發(fā)電基波電流如圖2所示。其中海浪能捕獲模型是研究的另一個(gè)子方向，本文就不詳細(xì)敘述了。

圖2　發(fā)電基波電流產(chǎn)生原理圖Fig.2　Fundamental wave current generation module schematic diagram

1.2基于瞬時(shí)無功理論的諧波電流檢測(cè)

采用基于瞬時(shí)無功理論的諧波檢測(cè)方法［2］，諧波電流產(chǎn)生原理圖如圖3所示。

圖3　諧波信號(hào)檢測(cè)原理圖Fig.3　Harmonic current signal detection schematic diagram

海浪發(fā)電系統(tǒng)一般是三相4線制系統(tǒng)，經(jīng)過采樣開關(guān)，采集電網(wǎng)的三相電流ia，ib，ic，其中含有正序、負(fù)序、零序分量依次用0，1，2表示。

式中：C32為3/2坐標(biāo)變換矩陣；iα，iβ為兩相靜止電流。

對(duì)三相電流的零序分量進(jìn)行分析：

而三相電流中的零序分量都相等，即

我們將其轉(zhuǎn)換成兩相靜止的電流，則有：

由式（4）計(jì)算可以得到結(jié)論：兩相靜止電流iα和iβ中不再含有難以測(cè)得的零序電流分量，而只含有產(chǎn)生基波電流信號(hào)和諧波電流信號(hào)，同樣，在經(jīng)過功率因數(shù)變換的有功電流分量和無功電流分量也不會(huì)再含有零序分量，因此，直流電流中不會(huì)含有零序分量。

式中：ip0，iq0為含有高次諧波的有功電流和無功電流，且都不再含有零序電流分量；φ為功率因數(shù)變換矩陣。

ip0和iq0再經(jīng)過低通濾波器LPF，濾掉高次諧波信號(hào)，得到不含高次諧波的有功電流ip和無功電流iq，經(jīng)過功率因數(shù)反變換（φ-1），得到不含諧波信號(hào)的電流i'

α和i'β，經(jīng)過2/3變換得到不含高次諧波的三相電流ia0，ib0，ic0，由電網(wǎng)三相電流ia，ib，ic和不含諧波信號(hào)的三相電流ia0，ib0，ic0比較輸出，得到從電網(wǎng)測(cè)得的實(shí)際參考諧波電流iah，ibh，ich。

同理，逆變輸出的諧波電流的獲取也采用相同的理論，最終可以得到逆變輸出的諧波電流i′ah，i′bh，i′ch。

通過諧波檢測(cè)模塊，可以得到諧波指令電流和諧波偏差電流，由于上述2個(gè)電流都是小電流通過PWM控制精度不好控制，容易出現(xiàn)誤差，故將這2個(gè)小電流信號(hào)采用諧波載波的方式加載在大的發(fā)電基波電流信號(hào)上，不僅節(jié)約投資并且快速性好、精度好控制。

1.3諧波電流誤差分析

在海浪發(fā)電系統(tǒng)中，采用有源電力濾波的方式進(jìn)行諧波治理，其實(shí)是從電網(wǎng)電流中采樣，計(jì)算得到諧波指令電流，理想情況是諧波指令電流能夠時(shí)刻跟隨實(shí)際諧波電流，諧波指令電流經(jīng)過反向后，通過PWM進(jìn)行脈寬調(diào)制［3］，控制逆變器輸出一個(gè)大小與實(shí)際電流相等、方向相反的諧波電流，注入電網(wǎng)與電網(wǎng)中的諧波電流湮滅。通過采樣開關(guān)進(jìn)行采樣得到的實(shí)際參考諧波電流iah，ibh，ich都是離散信號(hào)，假設(shè)采樣的是k時(shí)刻的電流iah（k），則有：

式中：iah（k+1）為下個(gè)周期的諧波電流；T為采樣周期，ms。

在傳統(tǒng)的有源濾波的過程中，將k+1時(shí)刻的諧波電流反向后得到諧波指令電流i*h，通過PWM控制逆變器輸出一個(gè)反方向的諧波電流，與電網(wǎng)中的諧波電流湮滅，達(dá)到消除諧波的目的。對(duì)諧波電流信號(hào)局部放大進(jìn)行分析，如圖4所示。

從圖4中可以看出，傳統(tǒng)的有源濾波未加誤差控制環(huán)節(jié)，產(chǎn)生的諧波指令電流對(duì)實(shí)際諧波電流的跟隨效果并不好，偏差較大，這是因?yàn)橄到y(tǒng)模型、計(jì)算誤差等非線性因素的影響導(dǎo)致的，為了達(dá)到較好的跟隨效果，必須加入諧波電流誤差控制環(huán)節(jié)，又由于一些非線性因素的影響，所以本文在諧波電流補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用的是模糊控制策略。

圖4　諧波電流局部放大圖Fig.4　Local large haimonic current figure

1.4模糊控制器設(shè)計(jì)

在諧波電流的補(bǔ)償環(huán)節(jié)中，需要采用模糊控制策略，為此設(shè)計(jì)了一個(gè)擁有2個(gè)輸入1個(gè)輸出模糊控制器。此模糊控制器以實(shí)際參考諧波電流iah，ibh，ich和逆變輸出諧波電流i′ah，i′bh，i′ch比較輸出得到的偏差e=Δih（一般是0.5～1 A）和諧波電流偏差的變化率ec=dΔih/dt（一般取0.1～0.6 A/ms）作為輸入變量，定義e=iah-i′ah。將輸入變量模糊化后乘以適當(dāng)?shù)谋壤蜃愚D(zhuǎn)換成論域中的數(shù)值E和EC，再經(jīng)過模糊推理得到模糊控制器的輸出變量U，輸出變量U再經(jīng)過解模糊得到模糊控制器的實(shí)際輸出Δi*h，即諧波補(bǔ)償電流。

首先，將諧波量的偏差E，偏差變化率EC和輸出變量U轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬度函數(shù)，為了保證控制精度，選用精度較高的三角函數(shù)。設(shè)E論域?yàn)椋?6，-4，-2，0，2，4，6｝，模糊子集為｛負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)?。∟S），零（ZO），正?。≒S），正中（PM），正大（PB）｝，分別表示實(shí)際諧波電流iah相對(duì)于反饋諧波電流i′ah為：“極小”、“很小”、“偏小”、“相等”、“偏大”、“很大”、“極大”。EC的論域?yàn)椋?6，-4，-2，0，2，4，6｝，模糊子集為｛負(fù)大（NB），負(fù)?。∟S），零（ZO），正小（PS），正大（PB）｝，表示實(shí)際諧波變化的趨勢(shì)：“反向較大”、“反向較小”、“為零”、“正向較小”、“正向較大”。輸出量U的論域?yàn)椋?6，-4，-2，0，2，4，6｝，模糊子集為｛負(fù)大（NB），負(fù)中（NM），負(fù)小（NS），零（ZO），正小（PS），正中（PM），正大（PB）｝，表示“實(shí)際諧波電流極小諧波電流偏差最大”、“實(shí)際諧波電流很小諧波電流偏差加大”、“實(shí)際諧波電流偏小諧波電流偏差減小”、“實(shí)際諧波電流適中諧波電流偏差為零”、“實(shí)際諧波電流偏大諧波電流偏差反向減小”、“實(shí)際諧波電流很大諧波電流偏差反向加大”、“實(shí)際諧波電流極大諧波電流偏差反向最大”。E，EC，U的隸屬度函數(shù)如圖5所示，其中圖5a為E的隸屬度函數(shù)；圖5b為EC的隸屬度函數(shù)；圖5c為U的隸屬度函數(shù)。

圖5　模糊子集的隸屬度函數(shù)Fig.5　The membership function of fuzzy subset

其次是模糊規(guī)則的建立，根據(jù)專家知識(shí)和熟練操作人員經(jīng)驗(yàn)積累，可知：

1）if E=PB and EC=PB then U=NB，

2）if E=NB and EC=NB then U=PB，

3）if E=PB and EC=NB then U=PS，

4）if E=NB and EC=PB then U=PS，

?

最后，根據(jù)模糊關(guān)系進(jìn)行模糊推理得到控制器的輸出變量U，采用加權(quán)平均法解模糊，將模糊值轉(zhuǎn)換成明確的補(bǔ)償諧波電流信號(hào)。

2　系統(tǒng)仿真

在Matlab軟件上搭建系統(tǒng)仿真圖，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真條件為：1）諧波電流檢測(cè)：ip，iq檢測(cè)法；2）非線性負(fù)載：三相全橋不控整流，直流側(cè)接7 ?；3）電源相電壓：30/；4）電源頻率：50 Hz；5）直流母線電壓Udc=100 V；6）逆變器電感：1 mH；7）采樣周期T=20 ms。

經(jīng)過相同的采樣周期，負(fù)載電流、未加諧波電流偏差控制環(huán)節(jié)的電網(wǎng)電流、加了諧波電流偏差控制環(huán)節(jié)的電網(wǎng)電流的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6中，圖6a為負(fù)載的波形圖及FFT分析，圖6b為未加諧波電流偏差控制環(huán)節(jié)的電網(wǎng)電流波形及FFT分析，圖6c為加了諧波電流偏差控制環(huán)節(jié)電網(wǎng)電流波形及FFT分析。仿真結(jié)果表明：未加諧波電流偏差控制環(huán)節(jié)的電網(wǎng)電流畸變率THD= 7.15%，且電網(wǎng)電流波形不光滑有毛刺；加了諧波電流偏差控制環(huán)節(jié)的電網(wǎng)電流THD=4.38%達(dá)到國(guó)家要求標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)電流波形光滑。

圖6 仿真結(jié)果圖Fig.6　Simulation results

3　結(jié)論

在傳統(tǒng)有源濾波的基礎(chǔ)上，加上一個(gè)諧波電流偏差控制環(huán)節(jié)使用模糊控制策略，并采用諧波載波的方式進(jìn)行發(fā)電和諧波消除，因?yàn)榭紤]了模型器件本身和計(jì)算誤差等不可測(cè)因素引起的諧波電流，所以能夠更好地消除電網(wǎng)里面的諧波電流，優(yōu)化電網(wǎng)電流波形。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的正確性和可行性。

［1］ 蔡元奇.共振波力發(fā)電裝置：中國(guó)，CN201110233308.7［P］. 2011-08-16.

［2］ 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］. 第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］ 張華強(qiáng)，羅世軍，劉陵順.雙三相永磁同步電機(jī)多矢量控制技術(shù)研究［J］.電氣傳動(dòng)，2014，44（9）：3-8.

Design Based on Harmonic Carrier Wave Power Technology

PAN Zhaodong，CHAI Lin，LIU Huikang
（Information and Engineering Institute，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，China）

Power grid is island isolated net in wave power system，and power grid load is nonlinear loads and changed frequently，which can produce multiple grid harmonic pollution and lead to an imbalance of power grid.The harmonic treatment effect of traditional active power filter is bad，because the traditional active power filter could govern harmonic caused by power grid load harmonic source but ignore harmonics that caused by device itself and model calculation error.On the basis of the traditional active filter，and based on the instantaneous reactive power theory and fuzzy control theory，then fuzzy control strategy and harmonic carrier way were used，and joined the harmonic error control link，which could better eliminate harmonics.Using Matlab simulation，the simulation results verify the correctness and feasibility of the scheme.

wave power generation；nonlinear load；harmonic carrier；fuzzy control；harmonic governance

TM464

A

2015-05-22

修改稿日期：2015-11-15

潘昭棟（1989-），男，碩士研究生，Email：562915529@qq.com