CN103280806A - 有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

一种有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法，主要用于对数字式控制存在的延时进行补偿，它包括有源滤波器的谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路，其特征是在有源滤波器的谐波电流检测电路与电流跟踪控制电路之间设置指令电流控制器；通过指令电流控制器对以基波周期重复出现的谐波电流

提前一拍时间后的信号作为新指令电流利用补偿电流i_c滞后于新指令电流

一拍的特性，使生成的补偿电流i_c与谐波电流同相位，叠加入电网实现精确补偿。本发明的效果是使经过变流器产生的补偿电流与负载电流中所含有的谐波电流相位一致，克服了一拍延迟的影响，补偿精度提高，控制方法简单易行。

Description

有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法

技术领域

本发明属于数字式控制系统延迟补偿控制领域。主要用于对数字式控制存在的延时进行补偿。

背景技术

电力电子技术的飞速发展以及人们生活水平的改善，电力电子装置被广泛采用，优化了工业控制系统，方便了人们的生活；但由其引起的谐波电流却日益严重，有源滤波器以其良好的补偿性能、简便的控制方法近年来成为谐波治理领域的研究热点。

图1所示，有源滤波器安装位置是变压器的二次侧与负载之间，靠近负载，使谐波就地得到抑制。其基本原理是：检测出负载侧受谐波污染的电流中所含有的谐波电流，经过电流跟踪控制，产生PWM脉冲信号，控制主电路变流器功率开关管的开通和关断产生与谐波电流幅值相等，方向相反的补偿电流，叠加至电网，使电网电流只含有基波电流。

图2所示，谐波电流的检测采用基于瞬时无功功率理论的i_p-i_q检测方法，

其中 $C_{32}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right],$ $C_{i_p-i_q}=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& -\cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right].$ 经过矩阵的计算得到三相谐波电流，作为指令电流，经过电流环的调节作用后与三角波比较产生PWM脉冲，电流环的控制器采用PI+重复控制并联组成的复合控制器，PI保证系统的动态性能，重复控制器保证系统的稳态精度，共同对输出产生调节作用。原理图如图3所示。

有源电力滤波器在实现补偿时谐波的计算以及电流环的调节都是在数字处理器DSP中完成的，由数字式电流环控制的原理可知，在第k时刻产生的补偿电流滞后于第k时刻负载电流中的谐波指令电流，所以数字控制的有源滤波器都存在一拍的时间滞后，这一拍的时间定义为程序中断一次的时间，即0.02/N秒(N为一个工频周期0.02s内的程序中断次数)。

随着数字处理器的发展，DSP的计算速度越来越快，在控制计算中带来的时间延时也在逐渐减小，从而减小了一拍计算延迟对补偿精度的影响，但只是从时间的角度减小延迟，并不能消除这一拍的时间延迟对补偿精度的影响。

图4为补偿控制流程的软件计算时间轴，在t(k₁)时刻对负载电流、补偿电流进行采样，采样的时间图中用t₀表示；采样结束后由负载电流经过i_p-i_q检测方法计算后得到t(k₁)时刻负载电流中所含有的谐波电流，计算时间用t₁表示；在t₂时间段内由计算出来的指令电流和采样得到的补偿电流计算误差，并经过电流环调节作用产生调节信号；调节信号与高频三角波比较产生PWM脉冲并触发变流器内部功率开关管的开通与关断，这段时间图中表示为t₃；PWM信号加到变流器中产生补偿电流，在t(k₂)时刻对其进行采样。

滞后一拍体现在：一，在t(m₁)时刻要对计算的谐波指令电流和补偿电流作差计算误差电流，其中，指令电流是时间t₁内得到，而补偿电流是根据t(m₀)时刻计算的指令电流经过闭环控制跟踪得到的，即使闭环控制精确良好，输出的补偿电流与指令电流幅值完全一致，在t(m₁)时刻参与计算的补偿电流和指令电流仍相差一拍的时间，在图4中用t_s表示，其中t_s=T₁/N，T₁为工频周期0.02s，N为一个工频周期内的中断次数。二，在t₃时间段结束时产生的补偿电流幅值上精确跟踪指令，但相位仍滞后于t(k₁)时刻负载电流中所含的指令电流一拍，该补偿电流叠加入电网，会影响装置的补偿精度。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述一拍的时间滞后，使第k时刻叠加入电网的补偿电流与第k时刻谐波指令电流相位一致。

本发明的技术方案是：一种有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法，包括有源滤波器的谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路，其特征是在有源滤波器的谐波电流检测电路与电流跟踪控制电路之间设置指令电流控制器；通过指令电流控制器对以基波周期重复出现的谐波电流

提前一拍时间后的信号作为新指令电流

利用补偿电流i_c滞后于新指令电流

一拍的特性，使生成的补偿电流i_c与谐波电流

同相位，叠加入电网实现精确补偿。

所述指令电流控制器包括内模控制器；谐波电流

与指令电流控制器输出的新指令电流

滞后一拍后的信号构成反馈系统。

所述内模控制器的输入为0时，指令电流控制器输出与输入相比较幅值相等，相位提前了一拍，内模控制器的输出保持上一周期的输出谐波电流

再将内模控制器的输出信号谐波电流

提前一拍，实现了谐波电流

提前一拍，信号幅值保持不变。

反馈系统在反馈环节将提前一拍后的新指令信号

滞后一拍，与谐波电流

构成反馈。

本发明的内模控制器在应用中必须保证系统的稳定性，通过图6可得到传递函数为

$\frac{y}{e}=\frac{1}{1-Q\left(z\right)Z^{-N}}$

通常取Q(z)为0.9～1的数，虽然精确度有细微减小，但保证了系统的稳定性。

所述指令电流控制器其作用就是将指令电流整体相位提前一拍，幅值大小保持不变，指令电流控制器中内模控制器输入为误差e，

内模控制器输出为y；Z^1-N使内模控制器输出信号y滞后一个周期并提前一拍，便于数字控制；Z^-1的作用是使新指令电流

滞后一拍，与谐波指令电流

同相位构成反馈。

本发明的效果是使经过变流器产生的补偿电流与负载电流中所含有的谐波电流相位一致，克服了一拍延迟的影响，补偿精度提高，控制方法简单易行。

附图说明

图1是现有有源滤波器的基本原理图。

图2是谐波电流检测算法框图。

图3是复合控制器结构图。

图4是软件计算时间轴。

图5是本发明的结构图。

图6是本发明中指令电流控制器的结构图。

图7、图8是内模控制器输入与输出关系图。

图9是本发明的控制流程方框图。

具体实施方式

图5、图9所示，本发明在有源滤波器的谐波电流检测电路与电流跟踪控制电路之间设置指令电流控制器。

图6所示，所述指令电流控制器包括内模控制器，通过内模控制器对以基波周期重复性出现的谐波电流

提前一拍时间作为新的指令电流利用补偿电流滞后于指令电流一拍的特性，使生成的补偿电流i_c刚好与谐波电流

同相位，叠加入电网实现精确补偿。

所述指令电流控制器其作用就是将指令电流整体相位提前一拍，幅值大小保持不变，指令电流控制器中内模控制器输入为误差e，内模控制器输出为y；Z^1-N使内模控制器输出信号y滞后一个周期并提前一拍，便于数字控制；Z^-1的作用是使新指令电流

滞后一拍，与谐波指令电流

同相位构成反馈。

对内模控制器而言，只要输入信号e是周期性重复出现的，其输出就是对输入信号进行逐周期累加，当输入信号为0时，输出不会消失，而是周期性地输出与上周期相同的信号；

图7、图8所示，图7表示输入信号e为连续正弦信号，输出y为输出信号e的周期的周期性累加，幅值不断增大；图8表示输入信号e第一个周期为正弦信号，从第二个周期开始输入信号e变为0，内模控制器输出y在输入信号为0时，仍保持上一周期的输出。

内模原理指出若要求反馈控制系统精确跟踪指令信号，在控制系统结构稳定的前提下，控制环节必须包含外部输入信号的数学模型。

本发明的指令电流控制器利用内模结构，在内模控制器输入为0时输出为谐波指令电流

使控制环节包含了指令电流的数学模型（指令电流的数学模型就是指令电流信号）；

当内模控制器的输入变为0时，即指令电流控制器的输出比指令电流控制器的输入提前了一拍，内模控制器输出并不为0，而是保持上一周期的输出，即

再将此信号提前一拍，实现了我们设计的初衷：指令电流提前一拍，信号幅值保持不变。在反馈环节将提前一拍后的新的指令信号

滞后一拍，与

构成反馈。

内模控制器应用中还必须保证系统的稳定性，下式为表示输出与输入关系的传递函数

$\frac{y}{e}=\frac{1}{1-Q\left(z\right)Z^{-N}}$

Q(z)若取1，则为理想内模结构，但内模传递函数的极点在以(1，0)为圆心，1为半径的圆上，系统处于临界振荡状态，所以取Q(z)为0.9～1虽然精确度有细微减小，但保证了系统的稳定性。

Claims (4)

1.一种有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法，包括有源滤波器的谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路，其特征是在有源滤波器的谐波电流检测电路与电流跟踪控制电路之间设置指令电流控制器；通过指令电流控制器对以基波周期重复出现的谐波电流

提前一拍时间后的信号作为新指令电流利用补偿电流i_c滞后于新指令电流

一拍的特性，使生成的补偿电流i_c与谐波电流

同相位，叠加入电网实现精确补偿。

2.根据权利要求1所述的一种有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法，其特征是所述指令电流控制器包括内模控制器；谐波电流

与指令电流控制器输出的新指令电流

滞后一拍后的信号构成反馈系统。

3.根据权利要求2所述的一种有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法，其特征是所述内模控制器的输入为0时，指令电流控制器输出与输入相比较幅值相等，相位提前了一拍，内模控制器的输出保持上一周期的输出谐波电流再将内模控制器的输出信号谐波电流

提前一拍，实现了谐波电流

提前一拍，信号幅值保持不变。

4.根据权利要求2所述的一种有源滤波装置的数字式延时补偿控制方法，其特征是反馈系统在反馈环节将提前一拍后的新指令信号

滞后一拍，与谐波电流

构成反馈。

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