具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面对结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。根据本发明的一个实施例，提供了一种同相供电装置的基波控制和谐波补偿方法，该同相供电装置一次系统的电路结构示意图如图1所示，包括与牵引电网连接的牵引匹配变压器T，以及与牵引匹配变压器T的副边连接的多个输入侧并联输出侧级联的功率模块。例如可以从牵引匹配变压器低压侧引出18个绕组，即变流部分由18个功率模块串并联组成。该变压器的原边与牵引电网之间还连接有并联高压侧断路器QF1，在并联侧高压线路上设置有并联高压侧电压互感器PT，并联高压侧电流互感器CT，同时在负载线路上设置有负载电流互感器CT。每个功率模块包括通过直流母线连接的并联侧功率单元和级联侧功率单元，在并联侧功率单元的输入线路上连接电流霍尔元件，以获取交流桥口电流。与之配套的二次系统主要包括中央控制器、模块控制器(其中包括并联侧功率单元控制器和级联侧功率单元控制器)等，中央控制器可以采集变压器高压侧电压和电流，实现系统级逻辑、保护以及谐波控制功能；并联侧功率单元控制器可以采集功率单元直流母线电压、并联侧功率单元的交流桥口电流，实现功率单元并联侧基波电流的控制。不同控制器之间可以通过光纤连接。同相供电装置在启动阶段，中央控制器的重复控制器保持退出状态，无功指令保持为0，并联侧功率单元控制器实现对直流母线电压的控制，待系统转为运行状态后，重复控制器切为投入状态，根据负载电流的中低频谐波去控制同相供电装置并联高压侧谐波电流，从而达到使流向电网的谐波电流减小的目的。本方法的控制策略示意图如图2所示，图2中，各个并联侧功率单元控制器独立控制对应模块单元的直流母线电压和并联侧交流电流，交流桥口电流采样方式为载波同步采样，确保基波信号的准确性和采样的实时性。并联侧功率单元控制器根据直流母线电压指令控制直流母线电压，得到有功电流指令，无功电流指令由中央控制器下发，电流指令在使用前首先经过有功电流指令优先原则进行电流指令的限幅，然后根据控制系统延时对锁相角进行补偿，再根据补偿后的锁相角度计算出交流电流指令瞬时值，作为PR控制器的控制目标。本方法的流程图如图3所示，以下结合图1-图3对该方法进行说明。该同相供电装置的基波控制和谐波补偿方法包括以下步骤：

S1、获取各并联侧功率单元的直流母线电压U_dc和交流桥口电流i_{Par_L}，根据该电压和电流量以及控制指令，经控制处理得到各并联侧功率单元的基波调制波m_Fund。各功率模块并联侧功率单元控制器检测各自对应的交流桥口电流i_{Par_L}、直流母线电压U_dc，采用准PR调节器根据直流母线电压指令U_{dc_ref}和无功电流指令控制模块交流桥口电流的工频基波部分，得到基波调制波m_Fund。交流桥口电流的采样方式可以为载波同步采样，确保在每次开关周期中有相对固定的采样时机，避免开关动作时采样带来的毛刺，保证基波信号的准确性和采样的实时性。该基波调制波m_Fund可以通过以下步骤得到：

S11、将直流母线电压指令U_{dc_ref}和直流母线电压U_dc的差值经过PI调节器后得到有功电流指令

S12、利用该有功电流指令和预设的无功电流指令经过限幅和交流电流指令计算处理后得到交流电流指令i_ref；

S13、将交流电流指令i_ref和交流桥口电流i_{Par_L}的差值经过准PR调节器后得到基波调制波m_Fund。

在该步骤所涉及的电流指令中，有功电流指令由直流母线电压指令和实际直流母线电压值经过PI调节后得到，无功电流指令为中央控制器下发的直流量。首先经过有功电流指令优先原则进行电流指令的限幅，然后根据补偿后的锁相角度θ_PLL计算出交流电流指令，作为PR控制器的控制目标。其中，有功电流指令优先原则进行电流指令的限幅步骤包括：

S131、判断是否有其中I^*为预设的基波总电流指令限幅值；若是，则执行步骤S132；若否，则执行步骤S133。

S132、判断是否有若是，则执行步骤S1321，若否，则执行步骤S1322。

S1321、

S1322、

S133、其中，I_d为限幅处理后的有功电流指令，I_q为限幅处理后的无功电流指令。

其中，交流电流指令可以按照以下公式计算：

i_ref＝I_d×sinθ_PLL+I_q×cosθ_PLL。

S2、获取电力机车变流器等负载的负载电流i_Load、变压器原边的高压侧电流i_{Par_H}和电压u_{Par_H}，并根据该电流和电压量得到谐波调制波m_Harm。中央控制器检测负载电流i_Load、并联高压侧电压u_{Par_H}和电流i_{Par_H}，从负载电流i_Load提取负载各次谐波电流经限幅处理后作为谐波指令，用并联高压侧电流减去从并联高压侧电流提取的基波电流分量作为电流反馈，采用重复控制策略根据谐波电流指令控制并联高压侧的谐波电流，得到谐波调制波m_Harm。重复控制策略例如可以采用基于比例控制环节G_P1(z)与重复控制环节G_RC(z)并联的复合控制结构，再经过比例补偿环节G_P2(z)处理后作为控制器的最终输出结果。稳态时，谐波控制主要由重复控制环节调节，暂态过程中由比例控制环节和重复控制环节实现复合调节，从而优化谐波控制暂态过程调节速度；而比例补偿环节用来改善系统的稳定性。该步骤S2中检测高压侧电压和电流采样方式可以为高频异步采样，以提高中低频信号的保真度。因并联侧功率单元采用载波移相控制，所以并联高压侧的等效开关频率为：

f_{Par_H}＝N×f_{Par_L}

其中，f_{Par_H}为并联高压侧的等效开关频率，f_{Par_L}为单个并联侧功率单元等效开关频率，N为模块并联重数，因此高压侧等效开关频率比单个并联侧功率单元等效开关频率显著提高，谐波控制能力得到加强。利用总电流减去基波电流分量作为重复控制器的电流反馈，避免了电流处理环节对谐波信号相位的影响。

该谐波调制波m_Harm可以通过以下步骤得到：

S21、从负载电流i_Load中提取各次谐波电流i_{n_load_harm}，其中，n＝2，3，4……，经过限幅处理后得到谐波电流指令i_{harm_ref}。可以根据当前电网电压和功率模块直流母线电压计算出基波调制度，再根据调制度限幅值、模块并联侧并网电抗、模块直流母线电压、高低压侧电流标幺基准值等参数计算出单独补偿各次谐波的谐波电流限幅值。限幅处理具体可以包括如下步骤：

计算单独补偿各次谐波的谐波电流限幅值I_{n_limit}，例如可以根据以下公式计算：

其中，I_{n_limit}为并联侧功率单元第n次谐波单独补偿时的谐波电流限幅值；U_{dc_i}为第i个并联侧功率单元的直流电压，i＝1，2，3……N，N为功率模块数；ωL为功率模块基波并网电抗，M_limit为预设的功率模块调制度限幅值，通常取值为0.98左右，U_Par为高压侧电压有效值，k为变压器变比，I_{rate_L}为并联侧功率单元电流标幺基准值，I_{rate_H}为高压侧电流标幺基准值；基波调制度为：

根据该谐波电流限幅值I_{n_limit}和需要补偿的各次谐波电流的幅值I_{n_load_harm}，计算综合限幅系数x，该综合限幅系数x可以根据下式计算：

其中，I_{n_load_harm}为负载各次谐波电流幅值。

根据该限幅系数x得到谐波电流指令i_{harm_ref}：

若x>1，则

若x≤1，则

i_{harm_ref}＝∑i_{n_load_harm}。

S22、用高压侧电流i_{Par_H}减去从该高压侧电流i_{Par_H}中提取的基波电流分量得到高压侧电流谐波成分i_{Par_harm}。

S23、将谐波电流指令i_{harm_ref}和高压侧电流谐波成分i_{Par_harm}的差值经过重复控制器后得到谐波调制波m_Harm。

S3、将该谐波调制波m_Harm叠加至各基波调制波m_Fund上作为总调制波，在得到总调制波后，还可以对该总调制波进行滤波处理，然后经过各功率模块间载波移相控制，得到用于驱动各并联侧功率单元的开关管的PWM信号。中央控制器将谐波调制波发送给并联侧功率单元控制器，并叠加至各功率单元计算出的基波调制波上作为总调制波，经过限幅和滤波处理后作为最终的调制波，再经过模块间载波移相控制进行调制，得到最终的PWM波用于驱动模块并联侧功率单元的IGBT。在该步骤中，计算出总调制波后增加了低通滤波处理，则在步骤S2的重复控制策略中可以取消低通滤波环节，从而避免重复控制器输出经过两次滤波，影响重复控制器的相位裕度。对总调制波进行滤波是为了保证中低频段具有高增益零偏移特征，以保证系统的精度，在高频段具有较强的衰减，避免相位偏差导致的对中高次谐波形成反调导致系统谐振，提高系统稳定性。考虑到截止频率与阻尼比之间的关系，滤波器的截止频率取赫兹以上，其中m为装置谐波补偿最大次数。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种同相供电装置的谐波补偿装置，该装置的构成框图如图4所示，所述同相供电装置包括多个输入侧并联输出侧级联的功率模块，各功率模块的输入侧连接变压器；每个功率模块包括通过直流母线连接的并联侧功率单元和级联侧功率单元，包括基波调制波生成模块、谐波调制波生成模块、以及PWM信号生成模块。

所述基波调制波生成模块，获取各并联侧功率单元的直流母线电压U_dc和交流桥口电流i_{Par_L}，根据该电压和电流量以及控制指令，经控制处理得到各并联侧功率单元的基波调制波m_Fund；

所述谐波调制波生成模块，获取负载电流i_Load、变压器原边的高压侧电流i_{Par_H}和电压u_{Par_H}，并根据该电流和电压量经控制处理得到谐波调制波m_Harm；

所述PWM信号生成模块，将谐波调制波m_Harm叠加至各基波调制波m_Fund上作为总调制波，并经过低通滤波处理以及各功率模块间载波移相控制，得到用于驱动各并联侧功率单元开关管的PWM信号。

该装置中各模块实现对应功能的具体步骤与本发明第一个实施例中所提供的方法相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明涉及一种同相供电装置的基波控制和谐波补偿方法及装置，利用各功率模块生成的基波调制波叠加中央控制器生成的谐波调制波形成总调制波以实现基波控制、谐波控制和补偿；在谐波调制波的生成过程中采用了并联侧谐波电流指令动态限幅处理，可以根据当前电网电压和模块直流母线电压动态调整电流限幅值，在保证调制度不饱和的前提下最大限度地提供谐波补偿能力；对生成的总调制波进行滤波处理，使中低频段具有高增益零偏移特征，以保证系统的精度，在高频段具有较强的衰减，避免相位偏差导致的对中高次谐波形成反调导致系统谐振，提高系统稳定性。本发明的技术方案，相比于仅在模块控制器进行基波和谐波控制，具有更高次的谐波控制能力，相比于仅在中央控制器进行基波和谐波控制，具有更快速更可靠的基波控制特性，从而能够实现基波控制的无静差和快速响应特性，同时可以实现对中低频谐波的有效控制。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。