一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端与流程

1.本发明属于电解电容控制技术领域，尤其涉及一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端。


背景技术：

2.目前，电解电容具有容量大，单位容值价格低等优势，作为关键器件被广泛应用于许多领域。然而其寿命短、环境适应性差，系统故障率高成为制约电能变换装置性能提升的重要短板。为克服电解电容寿命短、环境适应性差的缺陷，各国学者在电机驱动、led照明、光伏并网等领域进行了去电解电容化研究，并提出了一系列无电解电容主电路拓扑与控制方案。主要包括改进控制策略、增加附属电路、改变主电路结构等方法达到了去电解电容的目的。
3.有学者提出将高次谐波注入系统，从而降低输入电流峰值抑制直流侧电压波动，还有方案利用多个开关的组合投切电容达到吸收功率的目的，然而电容投切是一种非连续控制，造成电压跳动，许多方案中采用电感作为储能元件，将直流侧的波动功率予以吸收，但是使用电感作为储能元件体积大、效率低。因此在文献《active power decoupling for high
‑
power single
‑
phase pwm rectifier》中利用电容作为功率吸收原件，在h桥电路中增加一个桥臂，将直流侧功率波动转移至电容，实现了功率解耦。文献《power decoupling method for single
‑
phase h
‑
bridge inverters with no additional power electronics》利用h桥构造了共模电流的回路，形成差模buck电路，并在共模回路中注入两倍频电流，在未增加器件数量的情况下达到了功率解耦的目的。还有学者提出利用电力电子电路模拟电解电容外特性，并直接替代电解电容的构想。
4.以上方案中实现无功功率补偿均是采用无源器件，但无源器件体积会限制有源电容的容量。因此，亟需一种新的有源电容控制方法、系统。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)电解电容寿命短、环境适应性差，系统故障率高成为制约电能变换装置性能提升的重要短板。
7.(2)电容投切是一种非连续控制，会造成电压跳动；现有方案中多采用电感作为储能元件，将直流侧的波动功率予以吸收，但是使用电感作为储能元件体积大、效率低。
8.(3)现有技术方案中实现无功功率补偿均是采用无源器件，但无源器件体积会限制有源电容的容量。
9.解决以上问题及缺陷的难度为：
10.只需利用高频信号控制，即可输出低频无功功率，控制较为简单。
11.解决以上问题及缺陷的意义为：
12.能够使用较小的无源元件，可使得整个系统功率密度提高。


技术实现要素：

13.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端，尤其涉及一种基于差频无功理论的有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端。
14.本发明是这样实现的，一种有源电容控制方法，所述有源电容控制方法包括以下步骤：
15.步骤一，基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；
16.步骤二，进行并联谐振型阻抗网络的构建；
17.步骤三，基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
18.进一步，步骤一中，所述差频无功理论机制，包括：
19.假设无源器件在系统中承受的电压为u，电流为i，则产生的无功功率q的表示为：
[0020][0021]
其中，ω为系统频率，c为无源电容，l为无源电感，补偿的无功功率与系统频率存在正比关系，提高系统频率即可提高补偿的无功功率，利用该原理，在输出等量无功情况下，提高频率的同时，减小无源元件的量，从而可实现高频功率合成低频功率。
[0022]
假设存在两个角速度分别为ω1、ω2的电压矢量v1、v2在dq坐标系上同向旋转，i1、i2分别为电压矢量v1、v2所产生的电流，也分别以角速度ω1、ω2同向旋转。由于两矢量之间存在频率差，则两矢量角速度之差为ω1差ω2。
[0023]
电压矢量v1与电流矢量i2相互作用产生的瞬时功率表示为：
[0024]
q1(t)＝|v1|
·
|i2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0025]
其中，角速度为ω1电压矢量与角速度为ω2电流矢量相互作用产生频率为(ω1‑
ω2)/2π的波动功率，该频率为矢量v1与i2频率之差。同时，该功率为周期性交换功率，故称之为差频无功，同理电压矢量v2与电流矢量i1同样产生差频无功，如式(3)所示：
[0026]
q2(t)＝|v2|
·
|i1|
·
cos
·
(ω1‑
ω2)
·
t θ2]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
结合式(2)和式(3)得到在电压矢量v1、v2及其产生的电流矢量i1、i2作用下产生的低频波动功率为：
[0028]
q(t)＝|v1|
·
|i2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1] |v2|
·
|i1|
·
[(ω1‑
ω2)
·
t θ2]
ꢀꢀꢀ
(4)
[0029]
选择一组合适的高频且频率相近的电压矢量v1、v2，频率分别为ω1/2π、ω2/2π作用于阻抗网络可产生差频波动的无功；采取h桥作为有源电容主电路拓扑，通过桥臂输出互差90
°
的合成电压矢量以获得高频矢量功率源。
[0030]
两个桥臂分别输出电压v
d
、v
q
合成电压矢量输出电压作用于同一阻抗网络，由于需多组矢量功率源相互作用，因此电压矢量中最少包含两个矢量源因此有：
[0031][0032]
由两组电压矢量组成如式(6)所示：
[0033][0034]
通过两组桥臂的调制输出幅值、频率可控的电压矢量，并将该电压矢量作用于同一组阻抗网络。
[0035]
进一步，步骤二中，所述并联谐振型阻抗网络的构建，包括：
[0036]
选择阻抗网络呈纯容性或纯感性，则电压矢量v1、v2与其产生的电流矢量i1、i2之间的夹角均为π/2，则阻抗网络呈纯感性状态下的矢量θ1、θ2的关系为：
[0037]
θ2＝π
‑
θ1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0038]
根据式(6)～(8)得到两组矢量合成后的功率表达式为：
[0039]
q(t)＝(|v1|
·
|i2|
‑
|v2|
·
|i1|)
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0040]
采用并联谐振型网络作为阻抗网络，并联谐振点之后，阻抗迅速降低。
[0041]
所设计的阻抗网络在频率ω1/2π点处于并联谐振状态，呈高阻抗特性，当频率大于ω1/2π阻抗急剧下降；幅值较大的电压矢量v1仅可产生较小的电流矢量i1，而电压矢量v2能产生较大的电流i2，从而电压矢量v1与电流矢量i2相互作用产生的无功可忽略不计，于是产生的无功波动为：
[0042]
q(t)≈
‑
|v1|
·
|i2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0043]
根据式(9)可知，在固定电压矢量v1的作用下，调整电流矢量i2幅值与频率大小就可调整输出无功的大小。
[0044]
进一步，步骤三中，所述基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定，包括：
[0045]
采用基于高频同步旋转坐标系的控制策略消除直流侧波动，基本思想是在旋转坐标系下，选择电压矢量v1作为坐标系参考；在旋转坐标系下电压矢量v1为一恒定直流量，通过调整电流矢量的大小和方向即可实现低频功率的输出，进而实现基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
[0046]
有源电容以平抑直流侧波动作为目标，可将直流侧电压作为控制目标。当监测出直流侧电压出现波动，将直流侧电压波动分量进行提取，经过pi调节器计算出所需电流矢量i2的大小，通过控制电压矢量v2实现控制电流的目的。
[0047]
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的有源电容控制方法的有源电容控制系统，所述有源电容控制系统包括：
[0048]
低频功率合成模块，用于基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；
[0049]
阻抗网络构建模块，用于进行并联谐振型阻抗网络的构建；
[0050]
控制策略确定模块，用于基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
[0051]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0052]
基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；进行并联谐振型阻抗网络的构建；基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
[0053]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述
计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0054]
基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；进行并联谐振型阻抗网络的构建；基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
[0055]
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以应用所述的有源电容控制系统。
[0056]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机应用所述的有源电容控制系统。
[0057]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的有源电容控制系统。
[0058]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的有源电容控制方法，通过异频功率转换机制，将高频合成低频，提高无功功率的补偿量，可以利用较小的无源器件实现大容量等效容值的有源电容。
[0059]
为更好的证明理论与分析，本发明在matlab环境下搭建仿真模型，从仿真波形图中可知采用的电压信号为高频信号，通过差频无功功率机制得到低频无功功率，功率为100hz的低频信号，从而验证理论。
[0060]
本发明避免了使用大体积无源器件，有效的节约成本，同时提高系统功率密度。
附图说明
[0061]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0062]
图1是本发明实施例提供的有源电容控制方法流程图。
[0063]
图2是本发明实施例提供的有源电容控制方法原理图。
[0064]
图3是本发明实施例提供的有源电容控制系统结构框图；
[0065]
图中：1、低频功率合成模块；2、阻抗网络构建模块；3、控制策略确定模块。
[0066]
图4是本发明实施例提供的差频矢量图。图4a是两高频输入分量的矢量坐标图，图4b是矢量v1旋转产生的等效波形图。
[0067]
图5是本发明实施例提供的高频矢量功率源示意图。
[0068]
图6是本发明实施例提供的阻抗网络呈纯感性时各矢量关系示意图。
[0069]
图7是本发明实施例提供的并联谐振阻抗网络波特图。
[0070]
图8是本发明实施例提供的高频输出电压和输出功率仿真波形示意图。
具体实施方式
[0071]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0072]
现有技术中针对系统存在低频无功功率缺额问题，普遍使用较大的无源元件补偿
系统无功，因此本方案中为获得等同的低频无功，使用较高的频率输入信号，可产生如式(4)的差频无功功率，通过调节两种高频信号的匹配情况，产生所需的低频无功。
[0073]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种有源电容控制方法、系统、设备、介质及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0074]
如图1所示，本发明实施例提供的有源电容控制方法包括以下步骤：
[0075]
s101，基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；
[0076]
s102，进行并联谐振型阻抗网络的构建；
[0077]
s103，基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
[0078]
本发明实施例提供的有源电容控制方法原理图如图2所示。
[0079]
如图3所示，本发明实施例提供的有源电容控制系统包括：
[0080]
低频功率合成模块1，用于基于差频无功理论机制，实现高频功率合成低频功率；
[0081]
阻抗网络构建模块2，用于进行并联谐振型阻抗网络的构建；
[0082]
控制策略确定模块3，用于基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略的确定。
[0083]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
[0084]
1、发明概述
[0085]
本发明提出一种异频功率转换机制，将高频合成低频，提高无功功率的补偿量，可以利用较小的无源器件实现大容量等效容值的有源电容。
[0086]
2、发明内容
[0087]
2.1差频无功理论
[0088]
假设无源器件在系统中承受的电压为u，电流为i，则产生的无功功率q可表示为：
[0089][0090]
式(1)中ω为系统频率，c为无源电容，l为无源电感，可知补偿的无功功率与系统频率存在正比关系，从式(1)中可知，提高系统频率即可提高补偿的无功功率，利用该原理，在输出等量无功情况下，提高频率的同时，可减小无源元件的量，从而可实现高频功率合成低频功率。为进一步说明差频无功理论机制，以dq坐标系中的旋转矢量为例对其进行描述。假设存在两个角速度分别为ω1、ω2的电压矢量v1、v2在dq坐标系上同向旋转。如图4(a)所示，图中i1、i2分别为电压矢量v1、v2所产生的电流，也分别以角速度ω1、ω2同向旋转。如将坐标系d轴与电压矢量v1重合，电压矢量v1与电流矢量i2的关系如图4(b)所示。由于两矢量之间存在频率差，则图4(b)两矢量角速度之差为ω1差ω2。
[0091]
于是电压矢量v1与电流矢量i2相互作用产生的瞬时功率可表示为：
[0092]
q1(t)＝|v1|
·
|i2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0093]
可以看到角速度为ω1电压矢量与角速度为ω2电流矢量相互作用可以产生频率为(ω1‑
ω2)/2π的波动功率，该频率为矢量v1与i2频率之差。同时，该功率为周期性交换功率，故称之为差频无功，同理电压矢量v2与电流矢量i1也同样可以产生差频无功，如式(3)所示：
[0094]
q2(t)＝|v2|
·
|i1|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ2]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0095]
结合式(2)和式(3)可得在电压矢量v1、v2及其产生的电流矢量i1、i2作用下产生的低频波动功率为：
[0096]
q(t)＝|v1|
·
|i2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1] |v2|
·
|i1|
·
[(ω1‑
ω2)
·
t θ2]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0097]
可选择一组合适的高频且频率相近的电压矢量v1、v2(频率分别为ω1/2π、ω2/2π)作用于阻抗网络可产生差频波动的无功。为获得频率相近的高频矢量功率，本发明采取h桥作为有源电容主电路拓扑，通过桥臂输出互差90
°
的合成电压矢量以获得高频矢量功率源，以两组电压矢量为例，如图5所示。
[0098]
两个桥臂分别输出电压v
d
、v
q
合成电压矢量输出电压作用于同一阻抗网络，由于需多组矢量功率源相互作用，因此电压矢量中最少包含两个矢量源因此有：
[0099][0100]
由两组电压矢量组成如式(6)：
[0101][0102]
通过两组桥臂的调制输出幅值、频率可控的电压矢量，并将该电压矢量作用于同一组阻抗网络。
[0103]
2.2并联谐振型阻抗网络
[0104]
为避免系统的功率损耗，一般情况下选择阻抗网络呈纯容性或纯感性，则电压矢量v1、v2与其产生的电流矢量i1、i2之间的夹角均为π/2。以阻抗网络呈纯感性状态为例，各矢量之间的关系如图6所示。
[0105]
图中θ1、θ2的关系为：
[0106]
θ2＝π
‑
θ1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0107]
根据式(6)～(8)可得两组矢量合成后的功率表达式为：
[0108]
q(t)＝(|v1|
·
|i2|
‑
|v2|
·
|i1|)
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0109]
从式(8)可以看出，纯感性或纯容性阻抗网络将导致两部分无功波动产生相互抵消的效果，大大降低系统产生低频无功的能力。本发明采用并联谐振型网络作为阻抗网络，并联谐振点之后，阻抗迅速降低，其阻抗幅频特性z(s)＝v(s)/i(s)为如图7所示。
[0110]
图7中所设计的阻抗网络在频率ω1/2π点处于并联谐振状态，呈高阻抗特性，当频率大于ω1/2π阻抗急剧下降。幅值较大的电压矢量v1仅可产生较小的电流矢量i1，而电压矢量v2能产生较大的电流i2。从而电压矢量v1与电流矢量i2相互作用产生的无功可忽略不计，于是产生的无功波动为：
[0111]
q(t)≈
‑
|v1|
·
|i2|
·
cos[(ω1‑
ω2)
·
t θ1]
ꢀꢀꢀ
(9)
[0112]
根据式(9)可知，在固定电压矢量v1的作用下，调整电流矢量i2幅值与频率大小就可调整输出无功的大小。
[0113]
2.3基于高频同步旋转坐标系的有源电容控制策略
[0114]
为消除直流侧波动本发明采用了基于高频同步旋转坐标系的控制策略，其基本思想是在旋转坐标系下，选择电压矢量v1作为坐标系参考，电压矢量v1与电流矢量i2的关系如图4(b)所示。在旋转坐标系下电压矢量v1为一恒定直流量，通过调整电流矢量的大小、方向
即可实现低频功率的输出。基于以上分析，可以将控制系统设计为如图2所示。
[0115]
有源电容以平抑直流侧波动作为目标，可将直流侧电压作为控制目标。当监测出直流侧电压出现波动，可以将直流侧电压波动分量提取出来，经过pi调节器计算出所需电流矢量i2的大小，通过控制电压矢量v2实现控制电流的目的。
[0116]
3、仿真结果
[0117]
为更好的证明上述理论与分析，在matlab环境下搭建仿真模型，仿真波形如图8所示，从图8中可知采用的电压信号为高频信号，通过上述差频无功功率机制得到如图所示低频无功功率，功率为100hz的低频信号，从而验证理论。
[0118]
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；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0119]
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(dsl)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如固态硬盘solid state disk(ssd))等。
[0120]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。