CN101051750A - 电力有源滤波器的电压外置式渐变控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力有源滤波器的电压外置渐变式控制方法，包括三相补偿电流、三相负载电流、直流电压、以及交流电压等变量数据的采集，采用瞬时p－q理论将瞬时三相电压、电流转换成两相α，β坐标系统，在控制结构和方式的选择上采用电压、电流变量形成的双闭环控制系统，电压为外环控制变量以稳定系统电压，电流变量为内环变量以提高谐波补偿电流的补偿速度，针对目前国内有源滤波装置对谐波抑制效果和补偿效果不够理想的现状，提出了对有源滤波器进行电压电流双闭环控制的策略。

Description

电力有源滤波器的电压外置式渐变控制方法

技术领域：

本发明涉及一种电力有源滤波器的电压外置渐变式控制方法，属于电力系统电能质量控制领域。

背景技术：

实际应用中，消除供电系统谐波主要采取两种滤波方法：无源LC滤波器和有源电力滤波器滤波。

目前工程上应用最多的是无源LC滤波器，它结构简单，投资少，可靠性高，运行费用也比较低，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定，这样无源滤波器就必然会存在众多的缺点，如只能对主要谐波进行滤波，滤波性能不稳定，可能使电网供电质量下降，滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调等。

而有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)与无源滤波器相比，理论来说有以下特点：

(1)不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；

(2)滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；

(3)具有控制参数自调整功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。

目前国内有很多对电力有源滤波器的研究。例如：耦合变压器型串联有源电力滤波器，但是这种有源电力滤波器只能补偿纹波电压的正半部分；基于神经网络控制以及非线性PID控制等控制方法的有源滤波器的理论研究和仿真试验很多，但大部分都停留在理论研究和实验室阶段，能够做出装置样机的很少，目前的实际应用价值还不能体现。在国内目前已有的有源滤波装置中，由于其检测精度，指令电流计算时延和输出滤波器的相移等因素以及普遍采用的传统PI控制方法在系统的动态和稳态性能之间取得最优存在矛盾，使得有源滤波器的效果不是很理想。因此，虽然有源滤波器能够克服无源滤波器的种种缺点，但也存在许多技术问题，其初始投资和运行费用在目前来说相对比较高，这些都影响了有源滤波器的大范围的实际应用。

发明内容：

为克服已有技术存在的上述缺陷，在现有的并联型有源滤波器基础上，本发明采用现代控制理论和PI控制相结合的复合控制方法，融合了自适应控制和滑动模控制等先进技术而设计出了适用于380V配电系统用有源滤波器的电压外置渐变式控制方法，即采用直流中间电压控制和谐波电流控制来实行双闭环控制，以电流调制波作为双闭环控制系统的内环，直流中间电压控制作为双闭环控制系统的外环控制。所述方法包括三相补偿电流、三相负载电流、直流电压、以及交流电压等变量数据的采集，采用瞬时p-q理论将瞬时三相电压、电流转换成两相α，β坐标系统，具体包括以下步骤：

(1)首先设定一个初始电压U_dset，并启动滤波装置；

(2)所述初始电压U_dset与滤波装置直流侧电压U_d比较后送到PI调节器进行调节，接着又将PI调节器的输出值与负载电流的α分量(同步旋转坐标系统)相加，得到反映直流电压与负载电流之和的一个给定

(3)进行低通滤波，取得基波分量；

(4)将同步旋转的α，β坐标系统再转换为随时间变化的三相坐标系统，它与负载电流的瞬时值进行比较后得到反映谐波电流瞬时值，之后与有源滤波器的补偿电流比较后再取反送到IPM中IGBT的门极驱动环节，至此便完成了所有的控制过程。

电压外置渐变式控制方法“外置”的主要思想是，在传统的有源滤波的理论基础上，在闭环控制器的外环增加了一个电压环，而内环则为经典的电流环。

控制方法中的所谓“渐变”是指直流给定电压的设定值U_dset在有源滤波装置从启动到稳定运行过程中有个渐变过程。

该控制方法的特点是：(1)硬件电路简单，容易实现；(2)有较好的动态特性，能够最大限度的快速稳定直流侧电压以及与之对应的节点电压，使之不会出现随机的发生累加或累减偏移；(3)较高的动、静态特性，控制精度高；(4)能满足负荷的无功功率动态补偿的要求。

采用本控制方法的有源滤波器相对目前国内已有的有源滤波装置具有如下显著优势：(1)能有效降低负载产生谐波对系统电能质量的影响。在模拟三相整流桥负载运行的条件下，系统电流总谐波畸变率从未投入有源滤波器前的29％降到投入后的10％以下，极大地改善了系统各次谐波含量的值，使得各主要高次谐波补偿效果基本满足国家关于配电系统谐波指标所规定的要求；(2)采用本控制方法的有源滤波装置还具有补偿无功功率、提高功率因数的作用，对电能质量的提高有着积极的影响；(3)硬件电路简单易行，控制参数可根据系统负载的实时变化和装置连接系统电感的变化而动态调整，能保证谐波补偿的实时优化控制，极大地降低了有源滤波装置的成本和操作的复杂性；(4)利用双CPU实现系统控制和人机对话/信息交换的协调工作，提高了补偿的速度和实时性；(5)目前所达到的电压等级已能用于380V系统。

采用该控制方法的有源滤波装置在我国应属首例，它是对现有无源滤波装置的更新换代，也是对现有有源滤波器装置的一次技术革命，它的发明应用必将带动该领域的产业进步。

附图说明

图1、有源滤波系统基本结构图

图2、并联型APF原理图

图3、电压外置渐变式电力有源滤波器的整体结构及控制方法框图

具体实施方式：

图1所示为有源滤波系统基本结构。如图所示，电力系统经长距离传输线后将电能送至非线性整流负载，对应的等效传输阻抗用L₁表示，而从接入点到负载之间的等效线路阻抗则用L₂表示。显然，负载电流i_L中含有丰富的谐波成分。一般而言，为了减少线路中的高频谐波污染，通常在公共节点PCC(Point ofCommon Coupling)处连接一个无源滤波装置PF。

线路中的谐波分量除了高次谐波外，一般还有大量的低次谐波分量，而它则很难用无源器件消除，否则，滤波装置的体积就变得非常庞大。为此，在公共联结点处并联上一个有源滤波装置，使滤波装置支路中的电流只有谐波分量，其幅值与负载中的谐波电流相同，但方向相反。即

i_L(t)＝i₁(t)+i_h(t)

i_com(t)＝-i_h(t)    (1)

i_s(t)＝i_L(t)+i_com(t)＝i₁(t)

式中，i_L(t)为负载电流，它可以分解为基波分量i₁(t)和谐波总和分量i_h(t)。在理想情况下，有源滤波支路中的电流i_com(t)与i_h(t)正好抵消，这样就可保证系统传输电流i_s(t)中不含有谐波分量。

并联型APF的基本原理可由图2说明。首先，数字控制器采集系统的三相电流，根据由Akagi在上世纪70年代提出的瞬时“p-q”理论，将三相电量转变成两相的α，β坐标系统，然后再与指令电流i_α ^* ，i_β ^*进行比较、经有关的控制方法后输出对应的控制量，最后在采用专门的调制技术输出相应的调制波到IGBT的门极，使之输出负载所需的谐波电流。当采用常规的空间矢量调制技术时，就可以通过适当的运算后输出谐波补偿所需的调制信号。这里应特别强调的是，指令电流i_α ^*，i_β ^*事实上是负载电流的谐波分量部分，若还要消除负载电流的无功分量，则指令电流中还应包含对应的无功电流部分。因此，在进行控制设计时，应进行综合考虑。

信号取样的准确性直接关系到补偿和控制的效果，因此，信号获取的手段和方法是装置设计中必须重点考虑解决的问题。补偿电流的高精度简便检测方法的实现是APF应用的瓶颈。

有源滤波器依据三相电路瞬时无功功率理论，通过控制瞬时有功功率、无功功率的高频分量来实现对系统谐波的抑制和补偿以达到滤波效果。其有很快的响应速度，对变化的谐波和无功功率都能实施动态补偿，并且补偿特性受电网阻抗参数影响较小。

为了在保证检测信号精度和实时性的同时尽可能的降低产品成本，如图3所示，装置中采用了普通的6个电磁式电流传感器和1个电压传感器对有源滤波支路三相电流、系统A相电压和负载三相电流分别进行检测。

有源滤波器的控制是至关重要的，作为闭环控制来讲，它一般都具有电压、电流信号的采集，参考信号的获取，以及触发脉冲的输出。在时域控制法中，最常使用的技术有：瞬时有功、无功(p-q)理论，滑模技术，和同步检测法等。此时，参考信号的获取一般都是基于补偿信号的瞬时偏差。瞬时p-q理论的基本概念是将瞬时三相电压、电流转换成两相α，β坐标系统，以此产生补偿信号。瞬时有功功率和无功功率是通过采集的电压、电流信号计算得到的。通过使用低通或高通滤波器，还可得到谐波的有功功率和无功功率。对于三相三线制系统而言，三相换成两相的转换方程为：

$\left[\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}\\ U_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{U}_a\\ U_b\\ U_c\end{array}\right]---\left(2\right)$

瞬时有功和无功分量的计算式为：

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{\α}}& U_{\mathrm{\β}}\\ -U_{\mathrm{\β}}& U_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

瞬时有功功率和无功功率经低通和高通滤波后可分解为三个分量：

p＝p₁+p_h

q＝q₁+q_h

式中，p₁和q₁对应基波分量，而p_h和q_h则对应经低通和高通滤波后的谐波分量。输出的谐波补偿电流则为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ha}}\\ i_{\mathrm{hb}}\\ i_{\mathrm{hc}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]\·{\left[\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{\α}}& U_{\mathrm{\β}}\\ -U_{\mathrm{\β}}& U_{\mathrm{\α}}\end{array}\right]}^{-1}\·\left[\begin{array}{c}{p}_h\\ q_h\end{array}\right]---\left(3\right)$

附图3包含了本发明所述的电压外置渐变式控制方法原理方框图。参见图3所示，电压外置渐变式控制方法“外置”的主要思想是，在传统的有源滤波的理论基础上，在闭环控制器的外环增加了一个电压环，而内环则为经典的电流环。它的工作原理是，首先设定一个初始电压U_dset，并启动滤波装置，该初始电压与滤波器直流侧电压U_d比较后送到PI调节器进行调节，接着又将调节器的输出值与负载电流的α分量(同步旋转坐标系统)相加，得到反映直流电压与负载电流之和的一个给定值。在稳定状态下，PI调节器的输出基本上是一个恒定值，此时，这个电压与电流之和的值基本上反映了负载电流的变化。但这种控制方法可以稳定有源滤波器的直流工作电压，即保证系统的稳定工作。试验过程表明，加了这个电压控制环后系统才能稳定工作。

至于电压外环之后电流内环控制过程与传统的有源滤波控制原理基本上相同，即先进行低通滤波，取得基波分量，并将同步旋转的α，β坐标系统再转换为随时间变化的三相坐标系统，它与负载电流的瞬时值进行比较后得到反映谐波电流瞬时值，它与有源滤波器的补偿电流比较后再取反就可送到IPM中IGBT的门极驱动环节，至此便完成了所有的控制过程。

控制方法中的所谓“渐变”是指直流给定电压的设定值U_dset在有源滤波装置从启动到稳定运行过程中有个渐变过程。这是因为当滤波装置启动时，若设定值一步到位时会对系统产生严重的扰动，线路电流上升的幅度超过稳定值的3倍以上，节点电压也会突然下降，产生一个明显的下凹变化，而且这个暂态过程还持续1秒以上的时间。显然，这样一个很大的启动过程将影响系统的稳定，或者降低系统的稳定裕量。因此，直流电压设定值按阶梯方式逐步递增时则会有效减小启动过程对系统的扰动。至于每个给定电压的持续时间则应视系统情况参数而定。

线电压固定在200V、按两个电压阶梯进行控制时所得到5种不同初始设定直流电压所测得的直流电压启动波形。“驼峰”幅值由最低到最高分别对应初始给定电压由低到高。当采用一步到位设定方式时，直流电压的瞬时峰值会达到初始值的180％以上，如果将该装置直接使用在交流380V系统中，直流电压的过冲将是非常危险的；若采用“渐变”设定方式、两级阶梯控制，并逐渐减小初始设定值，则在相同系统参数条件下，“驼峰”幅值也明显下降。如再进一步进行优化，还会进一步降低驼峰的幅值，而且还会缩短暂态过程的持续时间，这对于对电压敏感的IGBT元器件的安全是非常重要的。

经过参数优化后在380V线电压作用下滤波装置的启动工作动态波形，直流电压的过冲在150毫秒内由初始值的537V上升到645V，为初始值的120％。相对于直接启动的控制来讲，显然，采用渐变控制方法能够有效降低直流电压的波动，而且也大大减少线路电流的冲击，最大的冲击电流大约为稳态值的190％左右，暂态过程的持续时间有了明显的缩短。

由方程(1)-(3)和前面的有关分析过程可知，要完成电压外置渐变的控制方法，控制系统首先要完成三相补偿电流、三相负载电流、直流电压、以及交流电压等变量数据采集，所采集的这些变量的可靠性对于控制系统而言是至关重要的。同时还要完成PWM波的输出控制、坐标变化和控制运算，以及相应的人机接口等功能。显然，要保证控制系统的可靠性，除了在输入通道上考虑抗干扰技术外，还必须完成数字滤波的任务。从实时性的角度考虑，有些控制运算要求的实时性很高，而人机接口部分的随机性较大，而且该部分的操作不能影响正在进行的控制过程，但也必须快速响应。因此，采用一个CPU实现多方面的控制是非常困难的，而中断的嵌套设置很容易使程序变得混乱，实时性也得不到保证。本系统中采用了双CPU协调控制电路结构。由于控制用计算要完成数字滤波运算、坐标变换、PWM输出脉冲控制、输入信号的采集、以及功率元器件的保护等功能，实时性和运算速度要求非常高。本系统采用ADMC401负责这一部分的工作，它是AD公司的DSP单片机，指令周期为38.5ns，8通道12位A/D转换器，所有通道的转换时间小于2μs，专用的PWM控制，可以满足系统需求；人机接口部分对于速度的要求不高，系统中采用了MCS196/KC，它主要完成LCD显示、键盘程序、与主控机ADMC401的通讯、以及管理任务。此外，MCS196/KC也具有8通道10位的A/D输入端子，还可对其它外围变量实现监测，并完成远程控制。

Claims (2)

1、一种电力有源滤波器的电压外置式渐变控制方法，包括三相补偿电流、三相负载电流、直流电压、以及交流电压等变量数据的采集，采用瞬时p-q理论将瞬时三相电压、电流转换成两相α，β坐标系统，其特征在于：在控制结构和方式的选择上采用电压、电流变量形成的双闭环控制系统，电压为外环控制变量以稳定系统电压，电流变量为内环变量以提高谐波补偿电流的补偿速度，具体包括以下步骤：

(1)首先设定一个初始电压U_dset，并启动滤波装置；

(2)所述初始电压U_dset与滤波装置直流侧电压U_d比较后送到PI调节器进行调节，接着又将PI调节器的输出值与负载电流的α分量(同步旋转坐标系统)相加，得到反映直流电压与负载电流之和的一个给定

(3)进行低通滤波，取得基波分量；

(4)将同步旋转的α，β坐标系统再转换为随时间变化的三相坐标系统，它与负载电流的瞬时值进行比较后得到反映谐波电流瞬时值，之后与有源滤波器的补偿电流比较后再取反送到IPM中IGBT的门极驱动环节，至此便完成了所有的控制过程。

2、如权利要求1所述的一种电力有源滤波器的电压外置式渐变控制方法，其特征在于：所述初始电压U_dset设定值按阶梯方式逐步递增。

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