CN102931660B - 并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法及控制系统，准比例谐振控制器通过锁相环实时监控电网电压频率，当电网电压频率出现波动时，实时修正控制器中参数ω_h的值，使其与电网频率的波动相对应，谐振频率始终保持为电网实际频率的整数倍。因此控制系统始终能够保持最大增益输出，保证最佳的控制效果。

Description

并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法

技术领域

本发明涉及并联型源电力滤波器的控制方法以及控制系统硬件，属于中、低压电力电子技术领域。

背景技术

自20世纪70年代以来，电网中电力电子设备不断增加，导致了严重的电网污染。这主要是因为这些负载的非线性、冲击性和不平衡的用电特性造成的。因此，用于谐波抑制的有源电力滤波技术已成为电力电子和电工领域的研究热点之一。

有源电力滤波器(ActivePowerFilter—APF)从外部入手，采用实时补偿技术来改善电网的供电质量，是一种谐波补偿器。与传统的无源电力滤波器相比，APF的补偿方式更为灵活，可以补偿频率和大小都不断变化的谐波，也可以选择指定次谐波进行补偿，并且对补偿对象的变化有极快的反应。APF分为串联型和并联型两种，实际应用中后者占大多数。

目前并联型APF的主流控制策略有多同步旋转坐标系下的指定次谐波电流分频控制策略可比例谐振分频控制策略两种。前者理论上能够达到理想的稳态无静差控制效果，但坐标变换运算计算量非常大，会占用大量的芯片资源，因此难以实现多个制定次谐波电流的控制。比例谐振控制能在指定的谐波电流频率处产生无穷大的开环增益，保证稳态控制无静差，在非指定次电流谐波频率处具有较大的衰减，分频控制时相互之间基本不会产生干扰，无穷大的增益保证了其补偿精度可以做到非常高，同时也无需进行复杂的坐标旋转变换，因此节约了控制芯片的资源。但是当电网频率出现波动时，常规的比例谐振控制不能满足要求，适应性较差。传统的比例谐振控制是对比例谐振控制的一种改进，但没有达到最佳的控制效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对传统比例谐振控制所存在的问题，提供一种新型的并联型有源电力滤波器的控制方法，以提高系统的控制性能以及对电网波动的适应能力。

为解决上述技术问题，本发明提供一种并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在并联型有源电力滤波器通过准比例谐振控制器运行过程中，有源电力滤波器的控制系统通过电压采样电路获得电网电压信号，并将信号滤波后送至锁相环电路，锁相环电路根据所接受的信号实时监测电网电压的频率、相位；

2)当电网频率出现波动时，控制系统根据电网频率变化实时修正准比例谐振控制器中谐振角频率ω_h的参数值，使得控制器的谐振角频率始终与电网频率保持固定的比例关系，则理想状态下控制器增益始终处于能够达到的最大值，控制效果始终处于最佳；

3)同时调节截止频率ω_c的值使得准比例谐振控制器在谐振频率周围有一定的有效带宽，有效带宽具体参数取值根据现场情况调节，因此对于控制系统采样和计算过程中产生的误差有一定的容忍度，使得控制器具有较强的适应性。

一种并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制系统，其构成包括：功率单元接口模块、核心控制模块、光纤接口模块、驱动模块和人机界面，

所述功率单元接口模块包括模拟信号调理电路、过流保护电路和隔离电路，模拟信号调理电路与电压、电流传感相连，模拟信号调理电路与过流保护电路相连，隔离电路与开关量输入输出电路相连；

所述核心控制模块包括FPGA，FPGA与AD采样模块及DSP相连，AD采样模块与功率单元接口模块的模拟信号调理电路相连；

所述光纤接口模块包括串口驱动模块和光纤驱动模块，串口驱动模块分别连接DSP、人机界面，光纤驱动模块分别连接FPGA、IGBT驱动模块。

前述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制系统，其特征在于：所述功率单元接口模块包括过零检测电路，所述过零检测电路分别与模拟信号调理电路、FPGA连接。

前述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制系统，其特征在于：所述过流保护电路接受采集来的输出电流信号，通过并联设置的正相比例放大电路和反相比例放大电路后，接至二极管整流电路，二极管整流电路与FPGA相连，提取出APF输出电流的绝对值信号，用来进行硬件过流保护。

前述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制系统，其特征在于：所述IGBT驱动模块包括光驱动通道和电驱动通道，通过跳线选择的方式接入IGBT驱动板，为了现场的增强适应性，设计为既可以通过光信号进行控制，也可以通过电信号进行控制的方式。

本发明所达到的有益效果：本发明的针对传统比例谐振控制所存在的问题，准比例谐振控制器通过锁相环实时监控电网电压频率，当电网电压频率出现波动时，实时修正控制器中参数ω_h的值，使其与电网频率的波动相对应，谐振频率始终保持为电网实际频率的整数倍。因此控制系统始终能够保持最大增益输出，保证最佳的控制效果。

附图说明

图1为准比例谐振控制器的频率响应示意图；

图2为本明的准比例谐振控制器的控制方法示意图；

图3为APF控制系统的结构框图；

图4为控制系统硬件过流保护电路原理图；

图5为IGBT驱动模块双输入设计的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明

准比例谐振控制器在复数域内的传递函数如式(1)所示：

$G\left(s\right)=K_p+\frac{2K_i{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+2{\mathrm{\ω}}_{c}s+{\mathrm{\ω}}_h^2}---\left(1\right)$

K_p—比例系数

K_i—广义积分系数

ω_h—谐振角频率

ω_c—截止频率

s—复变量

上式中，参数ω_c影响控制器在谐振频率处附近的有效带宽范围，对谐振频率处的增益没有影响。在谐振频率处，准比例谐振控制器的幅值增益为K_p+K_i，当K_i的值调整得足够大时，可保证其稳态误差基本为零。准比例谐振控制器的频率响应如图1所示。

由图1所示的幅值频率响应可以看出，当电网频率发生较大波动时，谐振频率点不再位于最大值处，控制器增益依然会有较明显的下降，无法达到最理想的控制效果。本发明在上述的基础上对准比例谐振控制策略进行了进一步的改进。

如图2所示，本发明的控制方法，包括以下步骤：

1)在并联型有源电力滤波器通过准比例谐振控制器运行过程中，有源电力滤波器的控制系统通过电压采样电路获得电网电压信号，并将信号滤波后送至锁相环电路，锁相环电路根据所接受的信号实时监测电网电压的频率、相位；

2)当电网频率出现波动时，控制系统根据电网频率变化实时修正准比例谐振控制器中谐振角频率ω_h的参数值，使得控制器的谐振角频率始终与电网频率保持固定的比例关系，则理想状态下控制器增益始终处于能够达到的最大值，控制效果始终处于最佳；

3)同时调节截止频率ω_c的值使得准比例谐振控制器在谐振频率周围有一定的有效带宽，有效带宽具体参数取值根据现场情况调节，因此对于控制系统采样和计算过程中产生的误差有一定的容忍度，使得控制器具有较强的适应性。

控制系统的结构框图如图3所示，并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制系统，其构成包括：功率单元接口模块、核心控制模块、光纤接口模块、驱动模块、人机界面。

所述功率单元接口模块包括模拟信号调理电路、过流保护电路和隔离电路，模拟信号调理电路与电压、电流传感相连，模拟信号调理电路与过流保护电路相连，隔离电路与开关量输入输出电路相连；

所述核心控制模块包括FPGA，FPGA与AD采样模块及DSP相连，AD采样模块与功率单元接口模块的模拟信号调理电路相连；

所述光纤接口模块包括串口驱动模块和光纤驱动模块，串口驱动模块分别连接DSP、人机界面，光纤驱动模块分别连接FPGA、IGBT驱动模块。

所述功率单元接口模块包括过零检测电路，所述过零检测电路分别与模拟信号调理电路、FPGA连接。

如图4所述，所述过流保护电路接受采集来的输出电流信号，通过并联设置的正相比例放大电路和反相比例放大电路后，接至二极管整流电路，二极管整流电路与FPGA相连。采样信号经过两组互相反相的比例放大电路，之后通过二极管整流，输出信号为经过处理的采样信号的绝对值，该绝对值与给定信号进行比较，为APF提供硬件过流保护。

如图5所述，前述的并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制系统，其特征在于：所述IGBT驱动模块包括光驱动通道和电驱动通道，通过跳线选择的方式接入IGBT驱动板，为了增加控制系统的适应性，IGBT驱动板采用双信号选择输入设计，既可以采用电信号控制驱动板，也可以采用光信号控制驱动板，通过电路板上的跳线来实现输入方式的选择。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种并联型有源电力滤波器的准比例谐振控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在并联型有源电力滤波器通过准比例谐振控制器运行过程中，有源电力滤波器的控制系统通过电压采样电路获得电网电压信号，并将信号滤波后送至锁相环电路，锁相环电路根据所接受的信号实时监测电网电压的频率、相位；

2)当电网频率出现波动时，控制系统根据电网频率变化实时修正准比例谐振控制器中谐振角频率ω_h的参数值，使得控制器的谐振角频率始终与电网频率保持固定的比例关系，则理想状态下控制器增益始终处于能够达到的最大值，控制效果始终处于最佳；

3)同时调节截止频率ω_c的值使得准比例谐振控制器在谐振频率周围有一定的有效带宽，有效带宽具体参数取值根据现场情况调节，因此对于控制系统采样和计算过程中产生的误差有一定的容忍度，使得控制器具有较强的适应性。