CN102044874A - 基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器，该滤波器包括基于周期离散控制的直流侧电压环控制模块、基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块，所述的基于周期离散控制的新型直流侧电压环控制模块包括周期离散控制模块、数字锁相环模块，所述的周期离散控制模块直接对直流侧电容电压进行控制，所述的数字锁相环模块对电源电压进行调节控制，所述的基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块包括控制器、非线性平均电流模型、PWM、逆变器。与现有技术相比，本发明具有提高了有源滤波器补偿谐波的速度、提高了补偿电流的补偿速度和精度等优点。

Description

基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器

技术领域

本发明涉及有源滤波器，尤其是涉及一种基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器。

背景技术

电力有源滤波器(Active Power Filter，缩写为APF)是治理电力系统谐波、改善电能质量的有效措施。与传统的无源滤波器(Passive Filter，缩写为PF)相比，电力有源滤波器具有能补偿各次谐波、抑制闪变、补偿无功，自动跟踪补偿变化的谐波等技术优势。随着电力电子技术的快速发展，电力电子器件的导通容量、开关频率等性能大大提高，PWM控制技术也日趋成熟，采用现代电力电子技术、数字信号处理技术和先进控制理论的电力有源滤波器技术对电网谐波进行动态实时补偿，可视为现在解决谐波污染问题的最有效和最具潜力的途径。目前，电力有源滤波器已成为电力电子技术领域中的研究热点，许多国家已将有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术和措施，在我国也具有非常广阔的应用前景。

非线性负荷产生的谐波和无功电流对电网产生污染，将对电网系统、供电部门和电力用户带来严重的危害。目前普遍采用的并联型无源滤波器存在着滤波效果差、对电网参数敏感、元件体积庞大，严重时导致串并联谐振事故等缺陷。采用现代电力电子技术、数字信号处理技术和先进控制理论的电力有源滤波器技术对电网谐波进行动态实时补偿，可视为现在解决谐波污染问题的最有效和最具潜力的途径。与传统的无源滤波器相比，电力有源滤波器具有能补偿各次谐波、抑制闪变、补偿无功，自动跟踪补偿变化的谐波等技术优势。

电力有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成)。

指令电流运算电路的功能主要是从负载电流i_L(t)中分离出谐波和无功电流i_Lq(t)和基波有功电流i_Lp(t)，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号i_C(t)＝i_Lq(t)。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流i_C，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路，产生补偿电流i_c(t)，

i_s(t)＝i_L(t)-i_C(t)＝i_Lp(t)+i_lq(t)-i_C(t)＝i_LP(t)

即电源电流i_s(t)中只含有基波的有功分量i_Lp(t)，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。附图1中C₁和L₁构成一无源滤波电路，可以滤除PWM输出的高频开关纹波，L₁同时起着将直流侧PWM电压信号转换成补偿电流i_C的作用。C为直流侧储能元件，串联电阻R代表有源滤波器损耗。开关器件S1～S4采用IGBT和二极管反并联构成。

电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型APF(储能元件为电容)和电流型APF(储能元件为电感)。电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。电压型APF的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数APF采用的方式。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器，其特征在于，该滤波器包括基于周期离散控制的直流侧电压环控制模块、基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块，所述的基于周期离散控制的新型直流侧电压环控制模块包括周期离散控制模块、数字锁相环模块，所述的周期离散控制模块直接对直流侧电容电压进行控制，所述的数字锁相环模块对电源电压进行调节控制，所述的基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块包括控制器、非线性平均电流模型、PWM、逆变器。

所述的基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块利用直流侧电压与电源电压的测量值。

所述的非线性平均电流模型可得到的下一周期补偿电流的校正值，该校正值与滤波器输出电流测量值之和作为输出电流的反馈值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、基于周期离散控制的直流侧电压环控制模块显著提高了有源滤波器补偿谐波的速度，能够有效地避免负荷变化时出现电流畸变现象，并减轻负荷突变对电网的冲击。

2、基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块充分利用了直流侧电压与电源电压的信息，提高了补偿电流的补偿速度和精度。

附图说明

图1为电压型单相并联有源滤波器结构原理图；

图2为APF系统控制框图；

图3为为电压型单相并联有源滤波器功率传递图；

图4为电压环控制简图；

图5为负荷电流变化时电源输出电流出现畸变结果图；

图6为前沿跟踪PWM波形图；

图7为基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块的框图；

图8为基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块的电流跟踪结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本有源滤波器直接对直流侧电容电压控制，避开了传统的检测有功和无功电流分量的繁琐过程，使得谐波检测的过程十分简单，从而有利于降低有源滤波器的控制成本，大大提高相应速度。电压控制环所采用的周期离散控制计算简单，响应迅速，维持直流侧电压稳定的同时，得到负荷基波有功电流参考值。该控制方法能消除负荷电流突变和电网电压畸变的影响。APF系统控制原理如附图2。

有源滤波器用于补偿负荷产生的谐波电流和基波无功电流。电压型单项并联有源滤波器功率传递如附图3，经有源滤波器的补偿后，电源只向负荷输出功率有功功率p_L和APF的损耗功率p_A。负荷需要的无功功率q_L由APF输出。认为电源电压为正弦波形，设u_s(t)＝U_s sin(ωt)，负荷瞬时电流为：

$i_L\left(t\right)=I_{\mathrm{pL}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)+I_q\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)---\left(1\right)$

负荷瞬时功率为：

$w_L\left(t\right)=u_s\left(t\right)i_L\left(t\right)=p_L+q_L$

$=I_{\mathrm{pL}}{U}_s{\sin }^2\left(\mathrm{\ωt}\right)+I_q{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)I_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)---\left(2\right)$

电源输出功率为：

w_S(t)＝p_L+p_A＝I_pLU_ssin²(ωt)+I_pAU_ssin²(ωt)＝(I_pL+I_pA)sin(ωt)u_s(t)       (3)

有源滤波器输出功率为：

$w_A\left(t\right)=q_L-p_A=I_q{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)I_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)-I_{\mathrm{pA}}{U}_{s}s{\mathrm{in}}^2\left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(4\right)$

$q_L=I_q{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)I_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n)---\left(5\right)$

无功功率q_L一个周期内的积分为：

$\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{q}_L\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}(I_q{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_s\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)I_n\sin (\mathrm{n\ωt}+{\mathrm{\θ}}_n))\mathrm{dt}=0---\left(6\right)$

损耗功率p_A一个周期内的积分为：

$\underset{0}{\overset{T}{\∫}}{p}_A\mathrm{dt}=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\left(I_{\mathrm{pA}}{U}_s{\sin }^2\left(\mathrm{\ωt}\right)\right)\mathrm{dt}=\frac{T}{2}{I}_{\mathrm{pA}}{U}_s=\frac{1}{2}C{[U_{\mathrm{dc}}+\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{dc}}]}^2-\frac{1}{2}C{U^2}_{\mathrm{dc}}---\left(7\right)$

式(6)和(7)说明无功功率q_L通过逆变器与直流侧储能元件电容C产生能量交换，引起直流侧电容电压波动，但其在一个周期内的积分为零，因此一个无损的有源滤波器系统其直流侧电容电压的周期值保持为一个定值。而实际的补偿装置存在损耗功率p_A，其在一个周期内的积分不为零，所以将引起电容电压周期值的变化，也就是说电容电压周期值的变化反应了APF有功功率的传递。APF要有效地对系统谐波电流进行补偿，按照PWM控制规律，逆变器的直流侧电容电压就必须保持恒定，若直流侧电压波动较大，就会出现过补偿或者欠补偿。欠补偿时会影响补偿的精度，过补偿时会增加APF的干扰性谐波电流，因此需要保持直流电压的稳定性。本装置将周期离散控制技术应用于电压环的控制，配合快速的工频数字锁相环技术，能有效地保证直流电压的稳定，使得装置能够应用于各种负荷状况。附图4为电压环控制图。

由于采用了周期离散控制技术，能有效地避免连续控制时负荷突变时产生的电流畸变。附图5为负荷电流i_L和补偿后电源电流i_s的波形。可以看出电源输出电流在负荷突变的过程中保持为正弦波形。

基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块利用直流侧电压与电源电压的测量值，并根据平均电流模型可得到下一周期补偿电流的校正值。由校正值与滤波器输出电流测量值之和作为输出电流的反馈值。该策略充分利用了直流侧电压与电源电压的信息，提高了补偿电流的补偿速度和精度。

电流环的控制是有源滤波器控制的关键部分。当进行有源滤波器的电流控制时，因为有源滤波器提供的电流是非正弦的，且含有的谐波成分远远大于基波成分。此外，有源滤波器的开关频率很高，需要快速的控制方法。有源滤波器的电流控制，必须首先从动态响应速度、补偿精度两方面进行考虑，还应考虑装置本身的直流端电压或电流利用率和功率器件开关频率等因素。

电流环的控制结构主要有以下部分：负荷电流和有源滤波器电流的检测单元，控制单元和PWM脉冲分配单元。控制单元产生调制信号，这个信号仅在采样时刻改变，并在下一采样时刻前保持不变，它送入脉冲分配单元产生IGBT的开关信号，实现控制作用。

考虑到定频率PWM比较简单、易于实现，且响应速度快，本装置采用定频率PWM。非线性模型是通过对每个开关周期分析获得的。当采用如附图6所示的前沿跟踪PWM时，可以推导出系统的模型。忽略滤波电抗器的电阻，可以得到系统在一个开关周期内的动态方程：

$\frac{{\mathrm{di}}_C}{\mathrm{dt}}=\left\{\begin{array}{cc}(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{ac}})/L_m& \mathrm{kT}<t<\mathrm{kT}+\mathrm{td}\\ -(V_{\mathrm{dc}}+V_{\mathrm{ac}})/L_m& \mathrm{kT}+\mathrm{td}/<t<(K+1)T\end{array}\right.$

其中，i_C是APF补偿电流，V_dc是直流侧电压，V_ac是交流电源电压，L_m是APF连接到交流电源的电抗器，td是一周期内的开通时间，T是采样周期。

由于APF的开关频率很高，达到几十kHz，因此，可以认为在一个开关周期内直流侧电压和交流电源电压和交流电源电压为常数。

可以得到如下的系统的平均值方程：

${\stackrel{\&OverBar;}{i}}_C\left(k\right)=i_C\left(k\right)+\frac{-2V_{\mathrm{dc}}\left(k\right){[T-\mathrm{td}\left(k\right)]}^2+[V_{\mathrm{dc}}\left(k\right)-V_{\mathrm{ac}}\left(k\right)]T^2}{2L_{m}T}$

$i_C(k+1)=\frac{V_d\left(k\right)}{L_m}[2\mathrm{td}\left(k\right)-T]-\frac{V_{\mathrm{ac}}\left(k\right)}{L_m}T+i_C\left(k\right)$

其中，

是一个开关周期内的APF平均电流。通过电流峰值模型，可以得到线性控制规律：

$\mathrm{td}\left(k\right)=\left\{\right[i_{\mathrm{ref}}\left(k\right)-i_C(k-1)]\frac{L_m}{T}+V_{\mathrm{ac}}(k-1)+V_{\mathrm{dc}}(k-1)\frac{T}{2V_{\mathrm{dc}}(k-1)}\}$

为了达到理想的跟踪效果，采用非线性平均电流补偿控制方法，框图如附图7所示。基于平均电流补偿逆控制的新型电流环控制策略的电流电流跟踪结果见附图8。图中可见，基于平均电流补偿逆控制的新型电流环控制策略效果显著，动态性能和跟踪精度都达到很好的效果。

Claims (3)

1.一种基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器，其特征在于，该滤波器包括基于周期离散控制的直流侧电压环控制模块、基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块，所述的基于周期离散控制的新型直流侧电压环控制模块包括周期离散控制模块、数字锁相环模块，所述的周期离散控制模块直接对直流侧电容电压进行控制，所述的数字锁相环模块对电源电压进行调节控制，所述的基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块包括控制器、非线性平均电流模型、PWM、逆变器。

2.根据权利要求1所述的一种基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器，其特征在于，所述的基于平均电流补偿逆控制的电流环控制模块利用直流侧电压与电源电压的测量值。

3.根据权利要求1所述的一种基于周期离散控制及平均电流补偿逆控制的有源滤波器，其特征在于，所述的非线性平均电流模型可得到的下一周期补偿电流的校正值，该校正值与滤波器输出电流测量值之和作为输出电流的反馈值。

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