CN101026302A - 混合型有源滤波器的分频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合型有源滤波器的分频控制方法。包括以下步骤：检测电网谐波电流I_Sh；计算电网谐波电流I_Sh与给定电流的电网谐波电流偏差e，对偏差e进行微分得到偏差变化率e_c；将偏差e和偏差变化率e_c输入模糊参数调节器，通过模糊参数调节器输出模糊控制量到广义积分PI控制器；广义积分PI控制器根据电网谐波电流偏差e以及模糊控制量计算控制信号；将广义积分PI控制器的输出控制信号经过PWM调制，得到有源电力滤波器的控制信号。本发明应用模糊控制方法进行PI参数的调整，再由广义积分实施对交流周期量的分频积分运算，得到有源电力滤波器的PWM控制信号。这种控制方法与有源电力滤波传统控制方法相比电流的跟踪精度更高，补偿效果更理想。

Description

混合型有源滤波器的分频控制方法

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器，特别涉及一种混合型有源滤波器的分频控制方法。

背景技术

随着电网中非线性负载的日益增多，电网中的谐波含量急剧上升，致使供电电压波形发生严重的畸变，严重影响了电网和电气设备的安全、经济运行，并危及广大用户的正常用电和生产。解决电网谐波污染的主要方法是加装谐波抑制装置。谐波抑制装置主要有无源电力滤波器或有源电力滤波器。

无源电力滤波器(PPF)一直是传统补偿谐波的主要手段，其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。但无源电力滤波器的滤波性能受电网频率、阻抗的影响较大。有源电力滤波器(APF)作为一种能动态抑制谐波的电力电子装置更是广受关注。单独使用的有源电力滤波器虽然有很好的滤波性能，但是造价较高，特别是在高压大功率场合，难以得到应用。

因此，小容量有源电力滤波器与大容量无源电力滤波器相结合的混合型有源电力滤波器成为当今实际应用的热点和必然选择，也是未来有源滤波技术的发展方向。它既可克服APF容量要求大、成本高的缺点，又可弥补PPF的不足，使整个滤波系统获得良好的性能。

由于结构上的差异，混合型有源电力滤波器与APF特性不同，控制方法的选择上完全套用适合于单独APF的算法是不太合适的。如无源阻抗网络对有源部分的分流，一方面可能抵消PF的滤波效果，另一方面还可能导致PF过流而造成事故；而且有源部分最终输出的补偿谐波电流幅值与相位都受到无源部分的影响。这些影响都与频率有关，因此对于混合型有源电力滤波器需要采取分频控制，即根据不同的频率选择不同的控制器。

发明内容

为解决混合型有源电力滤波器需要采用分频控制的技术问题，本发明提供一种混合型有源滤波器的分频控制方法。

1)检测电网谐波电流I_Sh；

2)计算电网谐波电流I_Sh与给定电流的电网谐波电流偏差e，对偏差e进行微分得到偏差变化率e_c；

3)将偏差e和偏差变化率e_c输入模糊参数调节器，通过模糊参数调节器输出模糊控制量到广义积分PI控制器；

4)广义积分PI控制器根据电网谐波电流偏差e以及模糊控制量计算控制信号；

5)将广义积分PI控制器的输出控制信号经过PWM调制，得到有源电力滤波器的控制信号。

上述混合型有源滤波器的分频控制方法中，步骤3)包括以下步骤：

对偏差e和偏差变化率e_c进行模糊化；

控制查询表；

解模糊，得出调节系数Kp、Ki的修正模糊量ΔKp，ΔKi。

本发明的技术效果在于：本发明将电网谐波电流偏差及偏差变化率输入模糊参数调节器，计算调节系数的模糊量，再用广义积分对交流周期量进行分频积分运算得到控制信号，从而实现对混合型有源滤波器的分频控制。这种分频控制方法充分考虑了无源部分对有源部分的影响，采用分频控制从而实现了无源和有源部分的协调控制，具有更高的控制精度。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为混合型有源电力滤波器的结构图。

图2为基于分频的混合型有源电力滤波器控制框图。

图3为模糊参数调节器原理框图。

图4为广义积分PI控制器原理框图。

具体实施方式

参见图1，混合型有源电力滤波器主要由有源部分、输出滤波器、隔离变压器、基波串联谐振电路和无源部分组成。参见图1，CT是电流互感器，它监测电网谐波电流，并把信号传送给APF用于产生参考补偿信号。L₂、C₂串联连接，并且选取适当的L₂、C₂使其在基波频率处产生串联谐振，因此C₁将承担大部分电网电压，有源电力滤波器承受较小的谐波电压；有源电力滤波器通过隔离变压器与基波谐振电路并联，电容C₁和上述并联支路串联后再与无源电力滤波器PPF、非线性负载并联后接到电网中。有源电力滤波器选用的是电压源型的有源电力滤波器，其直流侧储能元件为大电容。电压源型的有源滤波器输出的PWM电压波经电感L₃和电容C₃滤除后接至隔离变压器的原边，隔离变压器的原副边的匝数比为1∶2。采用注入支路的主要作用是：给谐波提供一条低阻抗的通道，阻隔电网电压和补偿一定的无功。本发明可根据实际谐波输出和补偿无功的情况选择注入支路为N次单调谐滤波器。由于注入支路中的串联谐振LC网络谐振调谐于基波频率，其基波阻抗近似为0，相当于基波电流的短路通道，所以流过注入支路的基波电流都将流入该网络，而不会流入隔离变压器和逆变器。有源电力滤波器的作用主要有：改善整个滤波系统的滤波性能和滤波效果，抑制电网背景谐波电压对负载供电电压的影响，抑制无源电力滤波器和电网电感形成的串并联谐振，弥补无源电力滤波器存在的缺陷和不足等。

参见图2，图2为基于广义积分的模糊自整定PI分频控制总体框图。有源电力滤波器工作在谐波域，本身逆变器也是非线性的，谐波输出经过无源部分也会产生相位移动，因此考虑采用分频控制。应用模糊算法进行PI参数的调整，由广义积分实施对交流周期量的分频积分运算。

(1)模糊参数调节器

模糊参数调节器采用二维结构，根据不同的输入e、e_c计算出ΔK_P、ΔK_I，从而实现PI参数的调整，即

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P=K_P^{*}+\mathrm{\Δ}{K}_P\\ K_I=K_I^{*}+\mathrm{\Δ}{K}_I\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中K_P ^*、K_I ^*为当前控制器整定值，其预整定值采用Ziegler-Nichols方法求解。

为求取最终精确量及计算输出控制量，解模糊采用重心法。即由式(1)可得

$\left\{\begin{array}{c}{K}_P=K_P^{*}+\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_j(e,e_c)\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{Pj}}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_j(e,e_c)}\\ K_I=K_I^{*}+\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_j(e,e_c)\mathrm{\Δ}{K}_{\mathrm{Ij}}}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_j(e,e_c)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

ΔK_P、ΔK_I论域设为[-3，-2，-1，0，1，2，3]，对输入的偏差e和偏差变化e_c，在取得相应的语言值后，根据整定规则表，经过公式法模糊决策，可分别得出2个修正参数ΔKp，ΔKi的模糊量，μ_j(e，e_c)为模糊集隶属度函数值。

(2)广义积分PI控制器

广义积分PI控制器主要用于实现周期量的分频PI控制。定义广义积分仅对周期量的幅值进行积分，而对其频率和相角不起作用，则正弦信号x(t)＝Asin[(ω+Δω)t+]的广义积分可设为y(t)＝Atsin[(ω+Δω)t+]，另构造辅助信号z(t)＝Acos[(ω+Δω)t+]，式中A为幅值，ω为角频率，为相位，Δω为频率偏差，则对上述三信号进行拉普拉斯变换，有

式中L(*)表示信号*的拉普拉斯变换。

当频率偏差Δω较小时，有 $\sin \frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2}t\≈\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2}t$

也即

$Y\left(s\right)=\frac{s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}$ $\left(s\right)$ $\frac{\mathrm{\ω}}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}$ $\left(s\right)$ $---\left(4\right)$

仍然近似成立。

当Δω远远大于1时，有 $\sin \frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2}t/\frac{\mathrm{\Δ\ω}}{2}\≈0,$ 也即

$\frac{s}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}X\left(s\right)+\frac{\mathrm{\ω}}{s^2+{\mathrm{\ω}}^2}Z\left(s\right)\≈0---\left(5\right)$

这表明式(4)具有频率选择性。当不考虑x(t)和z(t)信号中的频率偏差Δω时，有

所以联立式(4)和(6)，可得

相对于y(t)，Asinsinωt/ω是可以忽略的，于是可得具有分频积分功能的则广义积分器传递函数为

$G_n\left(s\right)=\frac{2s}{s^2+{{\mathrm{\ω}}_n}^2}---\left(8\right)$

根据以上分析，由广义积分的性质可得广义积分PI控制器原理框图，如图3所示。

为减少计算量提高实时性，图3所示的广义积分PI控制器采用增量式迭代算法，将式(8)离散化，根据上两个控制周期的广义积分控制量可得广义积分输出的表达式为：

$u_{\mathrm{In}}\left(k\right)=\frac{2K_I{e}_C\left(k\right)+2u_{\mathrm{In}}(k-1)-u_{\mathrm{In}}(k-2)}{1+{\left(n{\mathrm{\ω}}_S\right)}^2}---\left(9\right)$

这样，可得如式(10)的广义积分PI控制器算式。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{U}_C\left(k\right)=K_P{e}_C\left(k\right)+\underset{n\⋐H}{\mathrm{\Σ}}{u}_{\mathrm{In}}\left(k\right)\\ U_C\left(k\right)=U_C(k-1)+\mathrm{\Δ}{U}_C\left(k\right)\end{array}---\left(10\right)\right.$

式中k表示当前采样时刻，k-1为上周期采样时刻，K_P、K_I分别为PI控制器的比例系数和积分系数，H为需要控制滤除的谐波次数的集合。为有效消除干扰，式中的离散微分e_c(k)采用式(11)获得。

$e_c\left(k\right)=\frac{e\left(k\right)+3e(k-1)-3e(k-2)-e(k-3)}{6}---\left(11\right)$

本有源电力滤波器的分频控制过程如下：

检测电网谐波电流I_Sh；

将监测的电网谐波电流与给定的差值送给模糊参数调节器进行控制参数的参数在线整定，即根据系统的采样信息，将得到的偏差e和对e进行d/dt计算得到的偏差变化率e_c输入控制器，通过模糊参数调节器，在PI参数预整定的基础上实时在线整定PI参数，以达到最佳控制效果，其输出送给广义积分PI控制器；

广义积分PI控制器根据电网谐波电流与给定的差值以及模糊参数调节器的输出值实现周期量的分频PI控制；

将广义积分PI控制器的输出经过PWM调制，得到有源电力滤波器的控制信号。

Claims (3)

1、一种基于广义积分的模糊自整定有源滤波器控制方法，包括以下步骤：

1)检测电网谐波电流I_Sh；

2)计算电网谐波电流I_Sh与给定电流的电网谐波电流偏差e，对偏差e进行微分得到偏差变化率e_c；

3)将偏差e和偏差变化率e_c输入模糊参数调节器，通过模糊参数调节器输出模糊控制量到广义积分PI控制器；

4)广义积分PI控制器根据电网谐波电流偏差e以及模糊控制量计算控制信号；

5)将广义积分PI控制器的输出控制信号经过PWM调制，得到有源电力滤波器的控制信号。

2、根据权利要求1所述的基于广义积分的模糊自整定有源滤波器控制方法，所述步骤3)包括以下步骤：

对偏差e和偏差变化率e_c进行模糊化；

查查询表；

解模糊，得出调节系数Kp、Ki的修正模糊量ΔKp，ΔKi。

3、根据权利要求1所述的基于广义积分的模糊自整定有源滤波器控制方法，所述步骤4)中广义积分PI控制器的控制量计算如下：

$u_{\mathrm{In}}\left(k\right)=\frac{2K_I{e}_C\left(k\right)+2u_{\mathrm{In}}(k-1)-u_{\mathrm{In}}(k-2)}{1+{\left(n{\mathrm{\ω}}_S\right)}^2}$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{U}_C\left(k\right)=K_P{e}_c\left(k\right)+\underset{n\⋐H}{\mathrm{\Σ}}{u}_{\mathrm{In}}\left(k\right)\\ U_C\left(k\right)=U_C(k-1)+\mathrm{\Δ}{U}_C\left(k\right)\end{array}.\right.$

其中，K_P、K_I为调节系数，u_In为广义积分控制器输出，U_C为PWM开关信号。

Images