CN102623996A - 一种基于解耦谐振调节器阵列的有源电力滤波器闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型解耦谐振调节器阵列的有源电力滤波器闭环控制方法。该控制方法从最基本的闭环控制结构出发，引入带解耦功能的新型谐振调节器阵列，实现了有源电力滤波器系统的闭环控制。该控制方法不但提高了系统的鲁棒性和整体补偿性能，且可以方便地实现选择次谐波补偿及高次谐波的有效补偿。控制系统无需繁琐的谐波分离算法，简单、可靠，易于实现，大大改善了有源电力滤波器装置的补偿性能，具有较为实际的工程应用价值。

Description

一种基于解耦谐振调节器阵列的有源电力滤波器闭环控制方法

技术领域：

本发明属于电网电能质量治理研究领域，特别涉及一种基于新型解耦谐振调节器阵列的有源电力滤波器(APF-Active Power Filter)闭环控制方法。

背景技术：

随着人类工业发展及电力电子技术的不断进步，大量非线性负载设备被接入用电网络。这些设备在提高人们生活、生产效率和水平的同时，也带来了各方面电能质量问题。特别是大量谐波电流的引入，极大的影响着整个电网系统的效率和寿命，威胁着电网的安全、可靠运行。

有源电力滤波器(APF)作为一种高效的电能质量治理装置，将电力电子，控制理论等先进技术集于一身，相较于传统无源补偿设备拥有诸多优点，代表着未来电能质量治理装置的发展方向。

APF现已大规模使用于工业现场等配电网络中，用以补偿谐波电流、无功电流、不平衡电流等，发挥着重要的作用。但现场实际装置基本都采用基于负载电流检测的控制方式，从控制理论的角度讲，这实际上是一个开环控制系统，其系统性能往往依赖于各参数的精确匹配，这给APF的工程应用和现场调试带来了极大的困难。其系统鲁棒性，补偿效果，响应速度，也还存在一些不尽如人意的地方。为解决这些问题，进一步改进系统性能，将有源电力滤波器电流检测点从负载侧移至电网侧，通过检测电网电流控制装置，实现系统的闭环控制，是现阶段APF性能改进的关键所在。

针对APF系统闭环控制方法的研究，已有许多学者提出了卓有成效的建议，但这些控制方法都存在一定的不足或对使用环境存在一定的限制条件，在现场使用过程中暴漏出了很多实际问题，还远未成熟。本发明从最基本的闭环系统结构出发，引入具有解耦功能的新型谐振调节器阵列，有效实现了APF的闭环控制。该控制方法结构简单，易于实现，运算量小，且对高次谐波仍具有较好的补偿效果。在该控制方法下的APF等效于在电网与负载间串入了一个虚拟带阻滤波器，将所选谐波滤除，从根本上实现了APF系统的闭环控制，改进了装置的补偿性能。

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发明内容：

本发明的目的在于提出一种基于新型解耦谐振调节器阵列的有源电力滤波器闭环控制方法。该方法从最基本的闭环系统结构出发，引入带解耦功能的新型谐振调节器阵列，实现了APF系统的闭环控制，改进了装置的补偿性能。

本发明控制方法主要从谐波控制、基波控制以及指令调制几个方面进行阐述：

1)谐波控制方法：

a)检测补偿对象配电网络的三相电网侧电流(以构成闭环控制系统)；

b)对上述网侧电流信号进行旋转坐标变换，将其从三相静止坐标系变换至两相旋转坐标系下，坐标系旋转角速度与电网电压角速度相同；

c)选择待补偿谐波次数，并将相应的新型解耦谐振调节器组成阵列；将前述旋转坐标系下网侧电流信号与该谐振调节器阵列相乘，作为谐波控制指令等待后续处理；

2)基波控制方法：

a)通过10个10K电阻将直流侧电压降压并采集，将其与预定的直流侧电压参考指令(一般取电网线电压2倍左右)做差，差值通过PI调节器调节后作为装置稳压所需基波电流指令；

b)检测装置输出电流(逆变器交流输出端口侧电流)，并将其变换至前述旋转坐标系下与2)a)中所得基波电流指令做差，所得差值经PI调节器调节，得到基波控制指令；

3)指令调制

将1)c)中所得谐波控制指令与2)b)中所得基波控制指令相叠加得到最终的控制指令，通过旋转变换逆变换将最终指令变换至三相静止坐标系下，并采用SVM调制方式将其转换为PWM信号控制逆变器相应IGBT开关元件工作。

本发明通过引入具有解耦功能的谐振调节器阵列，实现APF系统的选频闭环控制。该控制方法下的APF具有选择次谐波补偿的功能，整个系统具有较好的鲁棒性和较高的稳态补偿性能，且对高次谐波仍具有良好的补偿效果。系统控制无需谐波运算环节，且所需调节器数量少，简单易实现，具有较好的应用前景。此外，通过搭建APF系统仿真模型，对所提控制方法进行了仿真验证，证实了该方法的正确性和可靠性。

附图说明：

图1为本发明所介绍有源电力滤波器拓扑结构及其闭环控制方法原理图；

图2为本发明介绍闭环控制方法下APF的谐波补偿效果的仿真波形，图中(a)为非线性负载产生的畸变、富含谐波成分的负载电流(b)为APF补偿后得到的不含谐波成分的电网电流；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1中所示有源电力滤波器主电路拓扑结构，其主体为三相电压型逆变器VSI，直流侧与电容器C_dc相连，交流侧通过三个进线电感L_C与三相电网并联连接。

本发明所提闭环控制方法如图1下半部控制框图所示，由于装置直接检测电网侧电流，故从控制的角度形成了闭环系统。控制部分主要分谐波控制部分，基波控制部分，以及指令调制部分。

谐波控制部分：

主要用于控制流入电网侧的谐波电流成分，达到补偿谐波电流的功能。它检测电网侧电流i_s，并将其转换至与电网电压角频率相同的旋转坐标系下(abc/dq)。APF目标为控制流入网侧的所选谐波成分为零，即所选谐波成分参考指令为零，i_sh ^*＝0。谐波控制框图中的负号可由电流传感器矢量方向实现，即从负载侧至电网侧为正，而从电网侧至负载侧为负。将上述网侧电流信号在旋转坐标系下与所选谐振调节器阵列C(s)相乘，即可得到谐波控制指令v_f ^*。

本发明中所用谐振调节器具有解耦功能，且对高次谐波也有精确的控制效果，并可提供明确的设计方法，这是传统谐振调节器所无法具备的。这种带解耦功能的新型谐振调节器具有如下结构：

$C_k={2k}_p\frac{s(s+{\mathrm{\ω}}_z)}{s^2+{\left({\mathrm{h\ω}}_e\right)}^2}$

其中ω_z＝R/L，L和R分别为有源电力滤波器进线电感的感抗值和等效阻值；ω_e为电网电压角频率；h为待调节谐波次数。

谐振调节器阵列不仅提供系统调节器功能，还具有谐波分离、选频补偿的功能，在本发明所提控制方法中起着核心作用。如前所述，本发明所提控制方法在旋转坐标系下实现，旋转角频率为电网电压角频率。对于绝大部分典型非线性负载产生的6k±1次谐波电流在该旋转坐标系下表现为6K次谐波电流(其中K＝1，2，3……)。故图1中新型解耦谐振调节器阵列的设计，即根据所选待补偿谐波次数将相应旋转坐标系下各解耦谐振调节器相叠加构成：

$\underset{h}{\mathrm{\Σ}}{C}_h=\underset{h}{\mathrm{\Σ}}{2k}_p\frac{s(s+{\mathrm{\ω}}_z)}{s^2+{\left({\mathrm{h\ω}}_e\right)}^2}$

其中h＝6k，(K＝1，2，3……)，而每个h值代表实际系统中次数为h±1的一对谐波。如：所选待补谐波电流次数为5、7、11、13次，则谐振调节器阵列为：C₆+C₁₂。

基波控制部分：

用以控制装置吸收的基波有功电流成分，从而稳定直流侧电容电压在预设值水平，保证装置正常运行。首先检测装置直流侧电容电压U_dc，将其与预定电压指令U_dc ^*做差并通过PI调节器，结果作为基波电流环的电流指令i_cf ^*，控制装置吸收的基波有功电流成分。检测逆变器输出补偿电流i_c并变换至前述旋转坐标系下(abc/dq)，与基波电流指令i_cf ^*做差经PI_f调节后作为基波控制指令v_f ^*。注PI_f仅用以调节基波电流成分，其调节后系统截止频率一般较低，应设为70～100HZ以内。

指令调制部分：

将谐波控制部分所得谐波控制指令v_h ^*与基波控制部分所得基波控制指令v_f ^*相叠加所得最终逆变器控制指令v^*，将该指令通过dq/abc变换回三相静止坐标系，并通过SVM调制方式调制为PWM信号，控制相应IGBT工作，实现系统有效运行。

可见，该控制方法下的有源电力滤波器不仅实现了系统的闭环控制和选择次谐波补偿，且相较于传统控制方法无需谐波检测算法，更简单、易实现，此外解耦谐振调节器本身的解耦功能使得装置在补偿高次谐波时具有更好的效果，从而大大改善了整个装置的性能和可靠性。

本发明中给出了一种实用的有源电力滤波器闭环控制方法，并利用MATLAB中的simulink模块对该控制方法进行了仿真验证。从仿真结果可以看到，该方法能够很好的实现有源电力滤波器的闭环控制，相比于其他方法，具有极好的补偿性能，较高的可靠性且实现容易，为有源电力滤波器的进一步性能改进提供了很好的参考价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.一种基于解耦谐振调节器阵列的有源电力滤波器闭环控制方法，其特征在于：

(1)设置拓扑结构：将三相电压型逆变器的直流侧与电容器相连，三相电压型逆变器的交流侧通过三个进线电感与三相电网并联连接；

(2)采用如下控制方法：

a)谐波控制方法：

i.直接检测补偿对象配电网络的三相电网侧电流，以构成闭环控制系统；

ii将上述所采集三相电网侧电流信号进行旋转坐标变换，将其从三相静止坐标系变换至两相旋转坐标系下，坐标系旋转角速度与电网电压角速度相同；

iii.选择与待补偿谐波次数相应的新型解耦谐振调节器组成阵列，并将前述网侧电流信号在旋转坐标系下与该谐振调节器阵列相乘，其乘积结果相作为谐波控制指令等待后续处理；

b)基波控制方法：

i.首先通过10个10K电阻将直流侧电压降压，并通过电压传感器检测后与预定的直流侧电压参考指令做差，其差值通过PI调节器调节后作为装置稳压所需基波电流指令；

ii通过电流霍尔检测装置输出电流，即逆变器交流输出端口侧电流，并变换至前述旋转坐标系下与步骤b)i中所得基波电流指令做差，所得差值经PI调节器调节，截止频率在70～100Hz，得到基波控制指令；

c)指令调制

将a)iii.中所得谐波控制指令与步骤b)ii中所得基波控制指令相叠加得到最终的控制指令，通过旋转变换逆变换将最终指令变换至三相静止坐标系下，并采用SVM调制方式将其转换为PWM信号控制逆变器相应IGBT开关元件工作。

2.如权利要求1所述有源电力滤波器闭环控制方法，其特征在于：

1)解耦谐振调节器结构

$C_k={2k}_p\frac{s(s+{\mathrm{\ω}}_z)}{s^2+{\left({\mathrm{h\ω}}_e\right)}^2}$

其中ω_z＝R/L，L和R分别为有源电力滤波器进线电感的感抗值和等效阻值；ω_e为电网电压角频率；h为待调节谐波次数；

2)实现解耦谐振调节器

绝大部分典型非线性负载产生的6k±1次谐波电流在上述旋转坐标系下表现为6K次谐波电流，其中K＝1，2，3……；

步骤a)iii中所述新型解耦谐振调节器阵列的设计，即根据所选待补偿谐波次数将相应旋转坐标系下各解耦谐振调节器相叠加构成：

$\underset{h}{\mathrm{\Σ}}{C}_h=\underset{h}{\mathrm{\Σ}}{2k}_p\frac{s(s+{\mathrm{\ω}}_z)}{s^2+{\left({\mathrm{h\ω}}_e\right)}^2}$

其中h＝6k，K＝1，2，3……，而每个h值代表实际系统中次数为h±1的一对谐波。

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