CN102882211B - 用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，包括：采集电网电压信号，对电网电压进行锁相；检测所述电网电压基波周期的起始点；记录所述电网电压基波周期内的采样点数K；判断所述采样点数K是否有变化；根据所述采样点数K调节重复控制寄存器参数N；根据所述重复控制寄存器参数N调取相应数量的计数值进行重复控制计算。通过本发明的方法解决了电网频率扰动造成的有源电力滤波器补偿效果不稳定问题。

Description

用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法

技术领域

本发明涉及电能质量检测控制技术领域，具体地说，涉及一种用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法。

背景技术

近年来伴随现代电力电子技术的迅速发展，电网系统中电力电子设备以及发电机、变压器、变频器等非线性负载激增，导致电网中电压和电流谐波水平不断升高，理想的交流电能在实际中并不存在。随着电力行业对电能质量要求逐年提高，高性能的电力滤波器越来越受到关注。并联型有源电力滤波器（APF）由于非常适合对电流源型的谐波源进行谐波治理和无功补偿，因此近年来得到了广泛的研究和应用。

为了使并联型有源电力滤波器拥有较好的滤波效果，在控制方式上采用自适应重复控制来提高系统补偿精度。“周期性信号的跟踪和扰动抑制补偿问题”一直是研究人员关注的课题，而基于内模原理的重复控制就是一种十分有效的控制手段。一般的重复控制器采用延迟时间为T的延迟环节来构造基波周期为T的周期信号的内模，并将之嵌入控制回路中，从而能够对该周期性信号（包括正弦基波及其各次谐波）实施静态无差跟踪控制或扰动消除，实际上重复控制器多以数字方式实现该周期性信号的内模，其所占用的内存元数目至少为N（其中N为整数）。基于内模原理的数字重复控制器包含的这个重要参数N表示基波周期内采样点数，N=T_p/T_s，其中，T_p为电网基波周期，T_s为自适应重复控制系统采样周期。重复控制对基波周期采样点数N有很强的依赖性，如果基波周期采样点数固定不变，则会使重复控制器稳定输出，达到理想的滤波效果；一旦采样点数N发生变化，但应用计算中N不进行变动的话，会对重复控制器带来误差积累，造成有源电力滤波器补偿效果产生缓慢振荡，最终影响并联型有源电力滤波器的滤波效果，并有可能造成自适应重复控制系统不稳定。若能根据电网基波周期频率的变化实时改变系统采样周期，从而固定采样点数N；或者可靠计算出在电网频率波动后每电网周期内实际的采样点数N，并将其应用于重复控制器中的话，则可以避免这种状况的发生。

针对有源电力滤波器，控制方法很多，其中重复控制就可以对周期性外激励信号进行跟踪补偿，重复控制器的设计需要考虑自适应重复控制系统的稳定性和收敛性，然而在实际应用中，由于电网频率扰动问题，有源滤波器输出会产生震荡，造成网侧电流波形的不稳定。在《Odd-harmonic RepetitiveControl of an Active Filter under Varying Network Frequency:PracticalConsiderations》（R.Costa-Castello etal，来源出版物：Control Applications(CCA)，2010IEEE International Conference on Print，出版年：2010年，p398-403，20101231）文章中提出了针对电网频率在工频附近变化的方法，即采样频率跟踪电网频率的变化，确保基波周期采样点数N不变。《适于重复控制固定采样点数的数字锁相方法》（谢川等，浙江大学学报（工学版），2011，第45卷第5期，第789-793页，20110602）中提到了在有源电力滤波器中运用重复控制器时，基波周期内保持固定采样点数的同步锁相方法，建立了同步旋转变换和PI调节的数字锁相闭环传递函数模型，利用零极点配置方法进行控制参数的设计，对相位误差角进行离散化运算，利用PI调节器构成负反馈系统，实现电网电压相位跟踪。

当控制系统采样频率选定情况下，系统基波周期采样点数将随着电网频率的波动而波动，电网频率波动越大采样频率越高时，采样点数波动越大，不利于重复控制器的控制效果。因为重复控制是延迟一个基波周期输出，若上周期的重复控制采样点数与本周期不一致，那么上周期的重复控制运算会造成本周期输出误差的累积，进而影响有源电力滤波器的补偿性能。现有技术中有部分文献提到在重复控制器中增加一个前馈通道，用以提高系统的响应速度，但是无法从根本上解决因电网频率波动带来的重复控制系统控制精度不稳定的情况。

基于内模原理的数字重复控制器中包含周期性延时环节z^-N，N为一个基波周期内采样点数，在程序中表示为N=T_p/T_s，其中T_p为电网基波周期，T_s为自适应重复控制系统采样周期。现有的控制方法为了实现能够提高有源电力滤波器静态补偿精度的目的，采用了自适应重复控制系统采样周期T_s跟随电网基波周期T_p变动而保持采样点数N不变的方法来实现提高有源电力滤波器静态补偿精度的目的。

如图1所示，为现有技术中的重复控制原理图。其中，r为参考信号，y为系统输出值，e为误差信号，Ur为经过补偿后的参考信号，d为外部周期性扰动信号，z为离散时间系统的z变换的变量。为了记忆前一周期中各时刻给定量的值，在重复控制使用过程中，一般采用数字控制方式予以实现，各变量均为离散值。重复控制器101由周期延迟正反馈环节和补偿器S(z)组成。z^-N为周期性延时单元102，N为一个基波周期内的采样次数。P(z)为等效逆变器对象103，即控制系统模型。S(z)为重复控制器的一个补偿器，目的是改造控制对象，使系统在中低频段为单位增益，增加系统的稳定裕度。在重复控制中S(z)一般选用二阶低通滤波器结构，其设计为：

$S\left(z\right)=\frac{a+b{z}^{-1}}{1+c{z}^{-1}+d{z}^{-2}}$

其中a、b、c和d为常数，z为离散时间系统的z变换的变量。

Kr为增益系数；z^k为超前补偿单元，对补偿器S(z)和等效逆变器对象103P(z)进行相位补偿；Q(z)为辅助补偿器，目的是增加自适应重复控制系统的稳定性。Q(z)通常选取为一阶低通滤波器或者为一个小于1的常数，在此控制方法中Q(z)值给定为0.96。当开关频率为10kHz时，有源电力滤波器输出为50Hz，故N=200。当误差e每周期出现时，重复控制器的输出逐周期累加。当e=0时，重复控制器的输出并不消失，只是停止变化，维持上次的波形，并且逐周期的输出此波型。

在固定采样点数控制方法中，随着电网频率的波动，采样频率也会相应地改变。在电网不稳定或是受到外部干扰的情况下，自适应重复控制系统的采样频率将会产生很大的波动，进而会影响功率器件的开关周期产生较大波动，不利于自适应重复控制系统的稳定运行和实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，解决电网频率扰动造成的有源电力滤波器补偿效果不稳定问题。

本发明的技术方案如下：

一种用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，包括：采集电网电压信号，得到电网电压的相角；检测所述电网周期的起始点；记录所述电网周期内的采样点数K；判断所述采样点数K是否正常；根据所述采样点数K调节重复控制寄存器参数N；根据所述重复控制寄存器参数N调取相应数量的计数值进行重复控制计算。

进一步：在稳定跟踪所述电网的相角变化后，开始检测所述电网周期的起始点。

进一步：电网频率在50±0.5Hz范围内波动，自适应重复控制系统的采样频率为10K。

进一步：所述电网周期的起始点的角度范围为359.1°~0.9°的范围。

进一步：当所述自适应重复控制系统检测到所述电网的角度进入359.1°~0.9°的范围时，则所述电网的当前周期结束，所述电网进入下一周期。

进一步：当所述电网进入下一周期后，将所述采样点数K清零，记录所述下一电网周期的采样点数。

进一步：所述重复控制寄存器参数N对应所述采样点数K。

进一步：所述自适应重复控制系统的周期性延时单元为z^-N，N为所述重复控制寄存器参数。

进一步：所述重复控制寄存器参数为所述有源电力滤波器的重复控制方法中的关键参数，所述重复控制寄存器参数具有自适应性。

本发明的技术效果如下：

1、采用本发明的方法使自适应重复控制系统实时性好，对电网频率非周期性的扰动有很好的抑制性。

2、采用本发明的方法使程序计算量小，所占存储空间小，易于实现。

3、采用本发明的方法保持了自适应重复控制系统采样频率以及功率器件开关频率的恒定，确保了自适应重复控制系统的稳定运行。

4、与常规的重复控制技术相比，本发明的方法对于有源电力滤波器补偿谐波时补偿效果的稳定性问题，得到了很好的抑制。

5、本发明的方法可以确保在不改变自适应重复控制系统采样频率以及功率器件开关频率的情况下，使每周期内的采样点数N实时跟踪电网频率的变化，达到稳定运行的要求。

附图说明

图1为现有技术中的重复控制原理图；

图2为本发明的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法的原理图；

图3为本发明的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法的流程图。

具体实施方式

下面参考附图和优选实施例，对本发明作详细描述。

如图2所示，为本发明的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法的原理图。其中，r为参考电流信号，y为实际输出电流信号，e为参考电流与实际输出电流的误差信号，Ur为电流误差信号经变周期重复控制器后的输出值，d为外部周期性扰动信号，z为离散时间系统的z变换的变量。

在实施本发明时，有源电力滤波器包括电网检测模块202和变周期重复控制寄存器模块201。其中电网检测模块202包括电网锁相单元和电网相角过零点检测单元。通过电网锁相单元使设备实时跟踪电网电压相位变化。通过电网相角过零点检测单元设定过零点的角度范围，确保可靠检测到电网每个周期的起始点和结束点，从而准确计算出在电网频率波动的情况下，每个电网周期内实际的采样点数。变周期重复控制寄存器模块201的结构和现有技术中的重复控制器101的结构和原理相同。

如图3所示，为本发明的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法的流程图。

在本发明一优选的实施例中，电网由三相交流电组成，为三相电网，包括A、B和C三相，每相电压相位依次相差120度。电网频率在50±0.5Hz范围内波动，有源电力滤波器的自适应重复控制系统的采样频率为10K。因为电网频率偏差允许值为±0.5Hz，此时基波周期内采样点数就会产生小范围的波动，而不再是固定值。在程序计算中如果还按理想的200次采样值进行计算，当这种波动持续几个周期，必然会产生累积误差，引起有源电力滤波器的跟踪补偿谐波能力变差。针对这种情况，本发明的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法的步骤如下：

步骤301：有源电力滤波器的自适应重复控制系统开始运行。

步骤302：采集电网电压信号，得到电网的相角。

电网检测模块202用于检测电网电压信号。通过外部传感器采集电网电压信号U_a、U_b和U_c。经板载模数转换芯片将电压信号传送到控制器。本发明中一优选的实施例中，该模数转换芯片为AD芯片。该控制器对电压信号进行运算处理，得到电网电压的相角。具体的运算过程是对实时采集到的三相交流电压信号进行等功率3/2变换，转换到两相静止坐标系α、β轴上，通过电压矢量的合成分量U_α、U_β求反正切函数，然后经过查表即可求出电网电压相位角。

步骤303：检测电网周期的起始点。

通过电网锁相单元稳定跟踪电网的相角变化后，通过电网相角过零点检测单元开始检测电网周期的起始点。为了能够可靠检测出电网每周期的起始点，当电网频率在50±0.5Hz范围内波动、系统采样频率为10Ｋ的情况下，设定检测电网每周期起始点的角度范围为359.1°~0.9°。当检测电网周期的起始点没有变化时，不需要根据采样点数K调节重复控制寄存器参数N。当检测电网周期的起始点发生变化时，需要判断采样点数K是否有变化以及根据采样点数K调节重复控制寄存器参数N。重复控制寄存器参数N为有源电力滤波器的重复控制方法中的关键参数，重复控制寄存器参数N具有自适应性。

步骤304：记录电网周期内的采样点数K。

变周期重复控制寄存器模块201设定一变量，该变量用于计数在电网波动的情况下每周期内系统的采样点数K。

步骤304：判断采样点数K是否变化。

电网频率的波动必定会引起每周期内采样点数K的变化。当电网相角过零点检测单元检测到电网的角度没有进入359.1°~0.9°范围时，采样点数K正常，保持采样点数K不变。当电网相角过零点检测单元检测到电网的角度进入359.1°~0.9°范围时，则该电网的当前周期结束，电网进入下一周期。当电网进入下一周期后，将采样点数K清零，记录下一电网周期的采样点数。

步骤305：根据采样点数K调节重复控制寄存器参数N。

自适应重复控制系统的周期性延时单元为z^-N。将系统计算出的采样点数Ｋ传送入重复控制器，此时的K对应的重复控制寄存器参数是重复控制器周期性延时环z^-N203中的N。每当电网频率发生变化后，电网周期内的实际采样点数K就会被调入变周期重复控制寄存器模块201中。

步骤306：根据重复控制寄存器参数N调取相应数量的计数值进行重复控制计算。

在程序进行重复控制计算时就会按照实际检测到的采样点数从变周期重复控制寄存器模块201中调取相应数量的计数值参与运算，从而避免了因为固定采样周期而带来的累计误差的影响。

步骤307：有源电力滤波器的自适应重复控制系统开始结束运行。

以上所述的实施例，只是本发明具体实施方式的几种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内，本发明的控制方法也可以应用于其他电力电子装置，即应用此方法解决电网频率扰动带来的重复控制性能下降的问题。

Claims (5)

1.一种用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，包括：

采集电网电压信号，得到电网的相角；

检测所述电网周期的起始点；

电网频率在50±0.5Hz范围内波动，自适应重复控制系统的采样频率为10K；

记录所述电网周期内的采样点数K，所述电网周期的起始点的角度范围为359.1°～0.9°；

判断所述采样点数K是否正常；

当检测到电网的角度没有进入359.1°～0.9°范围时，采样点数K正常，保持采样点数K不变；

当自适应重复控制系统检测到所述电网的角度进入359.1°～0.9°范围时，则所述电网的当前周期结束，所述电网进入下一周期，电网进入下一周期后，将采样点数K清零，记录下一周期的采样点数；

根据所述采样点数K调节重复控制寄存器参数N；

根据所述重复控制寄存器参数N调取相应数量的计数值进行重复控制计算。

2.如权利要求1所述的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，其特征在于：在稳定跟踪所述电网的相角变化后，开始检测所述电网周期的起始点。

3.如权利要求2所述的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，其特征在于：所述重复控制寄存器参数N对应所述采样点数K。

4.如权利要求3所述的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，其特征在于：所述自适应重复控制系统的周期性延时单元为z^-N，N为所述重复控制寄存器参数。

5.如权利要求4所述的用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法，其特征在于：所述重复控制寄存器参数具有自适应性。