CN101630842A

CN101630842A - 有源电力滤波器的逆系统控制器的实现方法

Info

Publication number: CN101630842A
Application number: CN200910184310A
Authority: CN
Inventors: 刘国海; 黄从月; 刘颖; 廖志凌; 陈兆岭; 刘慧�
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2010-01-20

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器的逆系统控制器的实现方法，先建立在d－q坐标系下并联的有源电力滤波器主电路的数学模型，再对补偿电流在d－q坐标系下的电流分量这两变量进行解耦，构建解耦后的伪线性系统，使伪线性系统加入最佳控制信号，得到最优逆系统控制矩阵，最后将检测到的谐波电流经过坐标变换得到补偿电流的参考值。本发明改变了传统的有源电力滤波器的控制策略，将非线性、耦合系统进行伪线性化处理；直接计算出主电路工作时的开关系数，直接推算出主电路器件工作模式，物理概念直观、数学推导简单、运算量小且控制精度较高，当负载突变时可保证直流侧和交流侧的能量交换。

Description

有源电力滤波器的逆系统控制器的实现方法技术领域本发明涉及一种有源滤波器反馈线性化控制，具体是一种有源电力滤波器的逆系统控制器的实现方法。背景技术随着电力电子技术的发展，电力系统中的非线性负载越来越多，由非线性负载所产生的电压和电流谐波严重影响了电力传输系统中的电能质量。有源电力滤波器(APF,下同）作为治理电网谐波的新型电力电子装置，得到了快速的发展。其基本原理就是根据所检测到的负荷谐波电流分量来控制APF，使其发出一个相反的谐波电流进行抵消，从而起到实时补偿谐波的目的。有源电力滤波器的输出电流包含高次谐波和暂态电流，要求其实际输出电流对指令电流有很高的跟踪能力，当有源电力滤波器的主回路和控制对象都已经确定的情况下，其输出电流的控制方法对有源电力滤波器性能和效率都有十分重要的影响。因此，APF的关键技术之一就是逆变器的脉冲宽度调制(PWM)技术，目前常用于APF 的PWM技术主要有两类，即滞环跟踪控制和三角波比较控制的PWM的技术。滞环跟踪控制精度较高且响应快，但开关频率不稳定，容易引起脉冲电流和开关噪声；三角波比较控制开关频率恒定，装置安全性高，但响应较慢，精度较低。此外，无差拍控制策略具有数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好等优点，但是在负荷扰动和非线性负荷下控制效果不好。单周控制作为一种非线性控制方法，它同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的，但需要快速复位的积分电路，且对负载扰动的抑制能力差。逆系统方法作为非线性系统控制的新理论，近来得到了显著的发展，该方法具有物理概念清晰、适用面广、应用简便等特点，并已成功应用于一些系统的控制。葛友等人在《中国电机工程学报》，21巻4号，2001年发表的"逆系统方法在电力系统综合控制中的应用"，该文将多变量的逆系统方法用于大型汽轮发电机组的综合控制，综合考虑了励磁控制和汽门开度控制。基于逆系统思想选取功角S和发电机输出电压vj乍为电力系统的输出，获得了电力系统的a阶积分逆系统，由此设计了非线性解耦最优控制律，以同时提高系统的综合性能。魏文辉等人在《中国电机工程学报》，25巻3号，2005年发表的"基于逆系统方法有功-无功解耦PWM控制的链式STATCOM动态控制策略研究"，建立了链式STATCOM的有功-无功暂态模型，通过引入多变量非线性控制逆系统方法，设计了基于逆系统方法和有功-无功解耦的非线性动态无功控制策略。这些实例证明逆系统方法运用到控制策略中的可行性。基于此，考虑将逆系统方法运用到并联电力有源滤波器的控制策略中，采用线性二次型最优调节器（LQR)设计满足指标的控制器，从而弥补多种控制策略的不足。发明内容本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种有源电力滤波器的逆系统控制器的实现方法，对传统并联有源电力滤波器主电路的数学模型信号，采用逆系统方法解耦为伪线性系统后，利用线性二次型最优调节器（LQR)设计了满足一定性能指标的控制器，通过基于瞬时无功功率理论的/,/9检测方法检测出负载电流中的谐波分量作为补偿电流的参考值，使补偿电流快速精确地跟踪指令电流，使电网电流被补偿为稳定平衡的三相正弦电流，且直流侧电压也能够很快的达到稳定值。本发明是通过以下歩骤实现的：1)建立在d-《坐标系下并联的有源电力滤波器主电路的数学模型为：=肌& w ea 丄 a 丄气 . D . "rfc * 丄〜I 7、+ 72)对补偿电流在d-g坐标系下的电流分量这两变量进行解耦，利用逆系统的理论构Y1 o建解耦后的伪线性系统为：7 =o r13)使伪线性系统加入最佳控制信号"'« =-她(0，其中M-;r力rp，使二次型性能指标选取最小值，p为下式所示解黎卡提方程的非负定解：尸j+y尸-尸朋D+CrQC = 0其中：加权阵Q = diag(6,6) , R = diag(O.l，O.l)，采用Matlab中的lqry函数实现求解，其调用格式为：4[K,S,E] = lqry(sys,Q,R,N)得到最优逆系统控制矩阵M为：〖.7460 0 0 7.74604)将检测到的谐波电流经过坐标变换得到在所述d-g坐标系下的补偿电流的参考值和，吣"和"二分别为""的反馈值和给定值，两者之差经PI调节器后得到调节信号A/p,叠加到瞬时有功电流的直流分量5上，使有源电力滤波器的补偿量中包含基波有功电流分量，使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将"&调节至给定值。本发明的有益效果是：1) 改变了传统的有源电力滤波器的控制策略，将非线性、耦合系统进行伪线性化处理；直接计算出主电路工作时的开关系数，从而可直接推算出主电路器件工作模式。2) 以逆系统方法为理论基础，与其他非线性系统的线性化方法（如微分几何法）相比，逆系统方法具有物理概念直观、数学推导简单、使用方便的优点。3) 采用线性二次型最优控制方法设计了满足一定性能指标的控制器，方法简单，运算量小，易于实现且控制精度较高。4) 采用三相电路瞬时无功功率理论进行补偿电流参考值检测，当负载突变时，保证直流侧和交流侧的能量交换。附图说明图1本发明逆系统控制APF的等效框图。图2本发明的APF闭环最优控制系统框图。图3本发明的APF控制系统总体框图。图4本发明的软件主程序流程图。图5本发明的ADC中断子程序流程图。图6本发明的fp-^法检测原理图。图7本发明的谐波电流计算子程序流程图。具体实施方式本发明以逆系统方法为理论基础，与其他非线性系统的线性化方法（如微分几何法）相比，逆系统方法具有物理概念直观、数学推导简单、使用方便等一系列特点，软件环节由TMS320F2812芯片实现，具体步骤如下： (1)建立并联有源电力滤波器主电路模型^是直流侧电压，C为直流测电容，Z为交流侧输入电感，i?为其等效电阻，"。、Ma、"c为三相电网电压，4。、 ^、 ^为电网电流，L、 L、 ^为补偿电流，^、 fiA、 ^为负载电流。假设三相电源电压之和",。+&+^=0，并根据该电路有L+^+L二0，主电路开关元件为理想元件，其通断可用开关系数描述：£_^ =""一附4"^一"及 ^"^ = MK—^及 j"血 • • •式中，m。,/^，^是开关系数。表1给出主电路各工作模式对应开关系数的值。其中对于每一相，上管开通对应状态"l"，下管开通对应状态"O"。表l主电路工作模式与开关系数关系表<table>table see original document page 6</column></row> <table>根据坐标变换理论可得到在d _g坐标系下的并联APF主电路的数学模型为：

f炎

<formula>formula see original document page 7</formula>

(2)采用逆系统方法将其解耦为伪线性系统选取系统的状态量为A-^， jc2="， x3="&，系统输入为1/1=/^， M2=w9，则系统

的输出为M-A，这样数学模型改写为：

<formula>formula see original document page 7</formula>

根据求逆算法，可以得出上式的逆系统:

<formula>formula see original document page 7</formula>

因此通过逆系统方法获得的伪线性系统为：^=

<formula>formula see original document page 7</formula>(3)采用线性二次型最优调节器（LQR)设计满足一定指标的控制器线性二次型最优控制器由于其不仅能够克服测量噪声，并且能处理非线性干扰，己成为反馈系统设计的一种重要工具。容易验证式伪线性系统的能控性，并定义如下的目标函数：«/ = "(/2^ + //??^，其中2，及分别是输出变量和输入变量的加权矩阵：《=2^0，

f-及.由最优控制理论可知，最优控制规律为：y 她，其中M为最优反馈矩阵。选取加权阵Q-diag(6，6), R = diag(0.1,0.1)，使系统具有期望的动态响应和鲁棒特性。

(4)补偿电流参考值的检测基于瞬时无功功率理论的/p、检测法原理是，三相负载电流减去三相基波电流即可得

到谐波电流。若需要检测谐波和无功电流之和时，只需要断开计算^的通道即可。将检测到的谐波电流经过坐标变换可得到在c/i坐标系下的补偿电流的参考值/;和4 。 "^和"1 分别为"&的反馈值和给定值，两者之差经PI调节器后得到调节信号AZp，它叠加到瞬时有功电流的直流分量5上，这样使得APF的补偿量中包含一定的基波有功电流分量，从而使

APF的直流侧与交流侧交换能量，将"&调节至给定值。

如图1所示，由传统并联有源电力滤波器主电路模型可以看出，并联APF是一个多输入、多输出的非线性系统，补偿电流在d-《坐标系下的电流分量间存在着耦合关系，为了得到良好的控制效果需要对这两变量进行解耦，利用逆系统的理论构建出解耦后的伪线性

系统，得出伪线性系统为：y =

f1 0 0 s一1

如图2所示，对所得到的伪线性系统，采用线性二次型最优控制理论设计控制器，通过适当选择性能指标中的各权矩阵，可以兼顾系统的各种控制性能要求（如快速性、准确性、稳定性和灵敏性）等。将并联有源电力滤波器系统串联逆系统后组成的伪线性系统的

微分方程转化为状态空间表达式如下：

0 0 1 0

X +

0 0 0 1

1 0—

少= 0 1

其中^ =[芹凡]7为状态变量，"[^y/为输出变量，^D^2f为输入变量。用二次型理论进行系统的优化设计，就是使系统加入最佳控制信号"'(,)=-Mc(O，其中M-及—》7,使得二次型性能指标选取最小值。其中P为下式所示解黎卡提方程的非负定解。

iM + f尸-尸5i?"^尸+ CrgC = 0

为了使系统具有期望的动态响应，必须选择合适的加权矩阵g(O、及(O。加权阵g(O、

及(O的选择在很大程度上依靠经验和试探。在反复试验后，选取加权阵为C^diag(6,6), R = diag(O.l，O.l)，并采用Matlab中的lqry函数来实现上述控制器的求解，其调用格式为：

[K,S,E]-lqiy(sys，Q,R,N)，

从而可得到最优控制矩阵M为：

「7.7460 0 _

M =

L 0 7.7460_

如图3所示，负载采用三相全控整流桥，整流器的直流侧为阻感负载，T为整流变压器，谐波电流检测电路即指令电流运算电路，作用是根据补偿目的得出补偿电流的指令信号，电流跟踪控制电路采用逆系统控制方法，保证补偿电流跟踪其指令信号的变化，有源电力滤波器控制系统采用全数字化控制方案设计，以TI公司TM320LF2812 DSP芯片为核心，辅以相应的外部采样调理电路、逆系统方法跟踪控制电路及驱动电路等，实现了电压电流信号的采集、调理，谐波和无功电流计算，电流跟踪控制等功能。APF对互感器的要求比较高，本发明中采用LEM公司的LAP-58P电流互感器和LV100电压互感器，对电流和电压进行实时测量。互感器将主电路中的电流信号变换成小电流信号送入A/D采样调理板，信号进入调理板后先经过电阻将电流信号转变为电压信号，再经过低通滤波器。驱动芯片选择三菱公司的专用厚膜芯片M57926L。该芯片是N沟道大功率IGBT模块的驱动芯片，能驱动600V/400A和1400V/200A的IGBT。

控制系统主要完成以下功能：

1) 检测三相负载电流^、 ^>、 ^，并通过信号调理电路送至TMS320F2812的AD 采样口；

2) 通过a相过零同步信号检测电路定位电源电压a相过零点，以便于正弦表和余弦表的复位；将过零点检测信号送入倍频器，产生256倍频，启动ADC采样。

93) 由三相负载电流、主电路直流侧电容电压的反馈值以及经过a相过零同步信号复位的正余弦表，采用基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法，利用 TMS320F2812软件编程计算出谐波和无功电流的指令值，通过数据总线将计算结果送出，并利用DA转换芯片将基准电流数字信号转变为模拟信号；

4) 根据指令电流与有源电力滤波器输出的实际补偿电流进行比较产生基本的PWM信号，并将该PWM信号经过驱动电路产生控制开关通断的驱动信号，从而使得有源滤波器输出电流跟踪指令电流变化并使直流侧电压达到稳定值。

由于本系统采用全数字化控制方案，软件设计比较复杂，其中负载电流和直流侧电压采样、谐波和无功电流计算、直流电压控制都要利用软件来实现。而硬件系统中的控制板采用合众达的SEED—DEC2812系统，它集成了 DSP、 SRAM、 A/D、 PWM、 UART、 CAN、 USB、 D/A和串行EEPROM+RTC实时时钟等外设，大大方便了硬件系统的设计。

如图4所示，首先主程序开始，关闭所有外部中断，对系统外设及变量进行初始化，并使能外部中断EXINT1，开放全局中断，等待中断，本发明中控制系统软件主程序完成系统控制模块、外设模块初始化以及一些全局变量定义。系统模块初始化主要包括：

1) 通过对PLL时钟预定标位的设置，决定PLL的倍频系数，本文设计DSP系统频率为150MHz;

2) 对控制系统需要用到的各个外设时钟进行设置，包括ADC模块、EVA模块等；

3) 看门狗控制器的设置，当系统发生混乱时，产生看门狗复位；

4) 设置I/0口复用控制寄存器；

5) 设置中断屏蔽寄存器，使能将要用到的中断级别。

外设模块初始化设置主要包括：外部中断EXINT1、 ADC模数转化模块以及EVA模块的初始化。全局变量主要包含一些标志位设置，如控制电源启动信号标志位15V—SW—Flag; 启动DAC转换标志位DAC—EN—Flag。

如图5所示，首先进入ADC一ISR入口，读取ADCRESULT值并转化为实际电流值， TMS320F2812的模数转换模块带有一个内置采样和保持的12位的转换器，并具有16个模拟输入通道（ADCIN0〜ADCIN15)。只要让系统信号经过信号预处理装置后接入ADC的模拟量输入通道，A/D转换启动后该模块即可自动完成模拟量到数字量的转换，程序剩下要做的工作只是访问ADC用来存储转换结果的结果寄存器（ADCRESULT0〜 ADCRESULT15)即可，然后依次调用计算谐波指令电流子程序和逆系统控制子程序等，

在逆系统控制子程序中，首先计算出开关系数附。、附6、 we，在定时器中断时，根据m。、

m6、附e的值调用表l,推断出开关器件的导通状态，如果其值大于O，说明上管导通，如果其值小于O，说明下管导通，以此作为驱动信号。

如图6和图7所示，利用瞬时无功功率理论的/,/,检测法，由一个锁相环（PLL)和一个正、余弦信号发生电路等到与a相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号，根

据定义计算出/p和/g，经低通滤波器（LPF)滤波得到其直流分量];和5，再通过坐标变换

可得出/y、 /6/、 ^，三相负载电流减去三相基波电流即可得到谐波电流。将检测到的谐波电流经过坐标变换可得到在d-《坐标系下的补偿电流的参考值/;和C 。和"二分别为的反馈值和给定值，两者之差经PI调节器后得到调节信号A/p，它叠加到瞬时有功电流的直流分量5上，这样使得APF的补偿量中包含一定的基波有功电流分量，从而使APF的直

流侧与交流侧交换能量，将"^调节至给定值。谐波电流指令值计算出以后，经过逆系统方

法实现的跟踪控制电路产生PWM信号，具体实现谐波电流的补偿功能。程序实现时，读取ADC转换结果，通过坐标变换得到fp和々，并经低通滤波器得到其直流分量，将通过PI

调节器取值的A/。叠加到r。上，然后通过坐标变换，其值与待检测电流值相减，得到结果。

11

Claims

1、一种有源电力滤波器的逆系统控制器的实现方法，其特征是按如下步骤： 1)建立在d-q坐标系下并联的有源电力滤波器主电路的数学模型为： <maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mfenced open='{' close=''> <mtable> <mtr> <mtd> <mfrac> <msub> <mi>di</mi> <mi>cd</mi> </msub> <mi>dt</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>ωi</mi> <mi>cq</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Ri</mi> <mi>cd</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>u</mi> <mi>dc</mi> </msub> <mi>L</mi> </mfrac> <mo>*</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>u</mi> <mi>sd</mi> </msub> <mi>L</mi> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mfrac> <msub> <mi>di</mi> <mi>cq</mi> </msub> <mi>dt</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <msub> <mi>ωi</mi> <mi>cd</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Ri</mi> <mi>cq</mi> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>u</mi> <mi>dc</mi> </msub> <mi>L</mi> </mfrac> <mo>*</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <msub> <mi>u</mi> <mi>sq</mi> </msub> <mi>L</mi> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mfrac> <msub> <mi>du</mi> <mi>dc</mi> </msub> <mi>dt</mi> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>C</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>cd</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>q</mi> </msub> <mo>*</mo> <msub> <mi>i</mi> <mi>cq</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>]]></math></maths> 2)对补偿电流在d-q坐标系下的电流分量这两变量进行解耦，利用逆系统的理论构建解耦后的伪线性系统为：<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow> <mi>y</mi> <mo>=</mo> <mfenced open='[' close=']'> <mtable> <mtr> <mtd> <msup> <mi>s</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msup> <mi>s</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>γ</mi> <mo>;</mo> </mrow>]]></math> id="icf0002" file="A2009101843100002C2.tif" wi="29" he="12" top= "96" left = "71" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths> 3)使伪线性系统加入最佳控制信号u*(t)＝-Mx(t)，其中M＝R-1BTP，使二次型性能指标选取最小值，P为下式所示解黎卡提方程的非负定解： PA+ATP-PBR-1BTP+CTQC＝0 其中：加权阵Q＝diag(6，6)，R＝diag(0.1，0.1)，采用Matlab中的lqry函数实现求解，其调用格式为： [K，S，E]＝lqry(sys，Q，R，N)，得到最优逆系统控制矩阵M为： <maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow> <mi>M</mi> <mo>=</mo> <mfenced open='[' close=']'> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>7.7460</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>7.7460</mn> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>]]></math></maths> 4)将检测到的谐波电流经过坐标变换得到在所述d-q坐标系下的补偿电流的参考值icp*和icq*，udcf和udc*分别为udc的反馈值和给定值，两者之差经PI调节器后得到调节信号Δip，叠加到瞬时有功电流的直流分量<overscore>ip</overscore>上，使有源电力滤波器的补偿量中包含基波有功电流分量，使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将udc调节至给定值。