CN104022508A - 一种三相四开关型有源电力滤波器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相四开关型有源电力滤波器及其控制方法，该有源电力滤波器包括逆变器，逆变器包括两个开关臂和一个直流电容支路，所述两个开关臂、直流电容支路并联，所述两个开关臂均由两个功率开关串联组成；所述逆变器通过输出滤波器并联接入三相电网与三相负载之间；其控制方法为基于二维隶属云模型的增量式PID控制方法；利用二维隶属云模型对增量式PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数进行在线调整，提高了控制系统的响应性能。本发明能对各次谐波电流及无功电流进行动态实时治理，大大提高了系统的补偿性能，节约成本，更具工程实用性。

Description

一种三相四开关型有源电力滤波器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力滤波器及控制方法,具体是一种三相四开关型有源电力滤波装置及其基于二维隶属云模型的增量式PID控制方法。

背景技术

电能是现代社会不可或缺的重要能源，电力可持续发展已成为实现社会经济可持续发展的基础，并在社会经济、能源与环境协调发展中起着重要的平衡作用。近年来，随着配电网中的整流器、变频器、电气化铁路等非线性负载的日趋增多，电网电流波形畸变、电压波动、三相不平衡等电能质量问题日益严重。如何发挥有源电力滤波器动态治理各次谐波的特点，提供可靠有效的电能质量，已成为谐波滤除的主要发展趋势。

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，其基本工作原理是从补偿对象即谐波源中检测出需要补偿的分量，比如谐波电流或无功电流分量，由APF产生一个与被补偿分量大小相等方向或极性相反的补偿分量，使两者相互抵消，从而使电网电流只含基波分量，重新成为正弦电流。APF在上个世纪六七十年代就已提出并确立了APF较为完整的概念和主电路的拓扑结构。进入80年代以后，由于新型电力半导体开关器件的出现，PWM控制技术的发展，以及Akagi H等学者基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，APF得以迅速发展。作为一种新型电力电子装置，有源电力滤波器工作性能决定于主电路构成元件及其控制系统，当滤波器主电路确定后，控制方法成为决定其输出性能和效率的关键。

在有源电力滤波器传统控制理论中，线性系统的控制理论比较成熟，对于非线性系统也有一定的处理办法，但是效果还是差强人意，而且方法比较复杂。对于控制模型模糊或者具有严重的不确定性，传统的控制方法都难于对它们进行控制。而且由于采样、计算的延时，以及其它原因，使得APF所发出的电流与所需的补偿电流之间必然有误差。为了消除这些不足，达到精确补偿，有必要引入一些智能控制策略来进行控制。

研究不同电能质量补偿器的结构特点，提出高效无功与谐波混合控制系统新型拓扑结构及其控制方法，无疑将有利于配电网电能质量的全方位提高，促进节能降耗的实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种三相四开关型有源电力滤波器及其控制方法，较好地治理电网中的谐波，补偿大容量的无功功率；由于逆节约成本，确保有源电力滤波器具有较好的抑制谐波和补偿无功功率的性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种三相四开关型有源电力滤波器，包括逆变器，所述逆变器包括两个开关臂和一个直流电容支路，所述两个开关臂、直流电容支路并联，所述两个开关臂均由两个功率开关串联组成；所述逆变器通过输出滤波器并联接入三相电网与三相负载之间。

本发明还提供了一种上述三相四开关型有源电力滤波器的控制方法，包括以下步骤：

1)采用Ziegler-Nichols方法求解增量式PID控制器的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的初始值和

2)将三相电网a相电压u_Sa通过锁相环PLL电路，获取角度ωt，得到正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，确定矩阵C： $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& \cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right],$ 矩阵 $C_{32}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right];$ 获取三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc，将三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc分别经过矩阵C₃₂、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流i_p的直流分量和瞬时无功电流i_q的直流分量将逆变器直流侧电压u_dc与逆变器直流侧电压参考值之差通过PI控制器，得到的输出信号叠加到瞬时有功电流i_p的直流分量上，再经过矩阵C、C₃₂变换，将变换后的信号与三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc相减，得到参考补偿电流信号

3)将参考补偿电流信号与逆变器输出的补偿电流之间的偏差e和偏差变化率e_c作为增量式PID控制器参数调整的输入信号；其中偏差变化率e_c为偏差e的微分；

4)定义偏差e、偏差变化率e_c、比例系数变化量、积分系数变化量和微分系数变化量的云集分别为：

E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

△KP＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

△KI＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

△KD＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

其中，NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

5)利用上述云集分别构建以下二维云模型规则表：

表1△KP的推理规则表

表2△KI的推理规则表

表3△KD的推理规则表

6)以E和EC作为输入值，产生以下正态随机熵E'_nx、E'_ny：

E′_nx＝R(Enx,Hex)；

E_ny＝R(Eny,Hey)；

其中，Enx、Eny分别为E、EC的期望值；Hex、Hey分别为E、EC的标准差；R()是产生随机数的函数；

如果二维隶属度μ_i(E,EC)满足：

${\mathrm{\μ}}_i(E,\mathrm{EC})=\exp \{\frac{-{(E-\mathrm{Exx})}^2}{{{2E}_{\mathrm{nx}}^{\′}}^2}+\frac{-{(\mathrm{EC}-\mathrm{Exy})}^2}{{{2E}_{\mathrm{ny}}^{\′}}^2}\};$

则得到二维X条件正态云发生器；Exx、Exy为常数；

7)对于输入信号E和EC，在E和EC取得表1或表2或表3中相应的语言值后，该语言值刺激上述二维X条件正态云发生器的前件CGAi，每一个前件CGAi随机地产生一组正态分布值μ_ij，所有的正态分布值μ_ij构成一个激活强度矩阵，选取所述激活强度矩阵的最大值μ_max，以μ_max为输入值，得到Y条件一维正态云发生器为其中，E'_n＝R(En,He)，En、He分别为偏差e的期望值和标准差，E'_n为偏差e的正态随机熵，Ex为E'_n的期望值；控制Y条件一维正态云发生器产生m滴云滴drop(ΔK_PBj，μ_max,j)；j＝1,2,…m；则△K_P或△K_I或△K_D＝mean(△K_PB1,...,△K_PBm)；mean()表示求加权平均值；

8)将增量式PID控制器比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的初始值 分别与上述△K_P、ΔK_I、△K_D相加，得到最终的比例系数、积分系数和微分系数，将最终的比例系数、积分系数和微分系数代入增量式PID控制器；

9)将增量式PID控制器的输出输入正弦脉宽调制器中进行调制，生成逆变器中各个功率开关的触发信号。

上述步骤7)中，m＝49。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的三相四开关型有源电力滤波器能快速地对频率和幅值都变化的谐波以及无功电流进行跟踪补偿，并且补偿特性不受电网阻抗的影响；三相四开关型有源电力滤波器中的逆变器少用两个IGBT，可以节约成本；本发明基于二维隶属云模型的增量式PID控制方法保证了直流侧电压稳定，确保有源电力滤波器具有较好的抑制谐波和补偿无功功率的性能。本发明能对各次谐波电流及无功电流进行动态实时治理，大大提高了系统的补偿性能，节约成本，更具工程实用性。

附图说明

图1是三相四开关型有源电力滤波器系统结构；

图2为三相四开关型有源电力滤波器采用的ip-iq电流检测算法框图；

图3为三相四开关型有源电力滤波器的总体控制框图；

图4是三相四开关型有源电力滤波器装置主电路结构图；

图5为稳态下的补偿结果图；其中，图5(a)补偿前三相电网电流，图5(b)补偿前三相电网电流的频谱，图5(c)补偿后三相电网电流，图5(d)补偿后三相电网电流的频谱，图5(e)直流侧电压；

图6为动态下的补偿结果图；其中，图6(a)补偿前三相电网电流，图6(b)补偿后三相电网电流，图6(c)直流侧电压；

图7为规则生成器示意图。

具体实施方式

本发明实现步骤如下：

步骤1：采用Ziegler-Nichols方法求解增量式PID控制器的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的初始值和

步骤2：利用ip-iq电流检测算法得到参考补偿电流信号，如图1所示。将a相电网电压u_Sa通过锁相环PLL电路获取角度ωt，从而得到正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，则确定了矩阵C。 $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& \cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right],$ 矩阵 $C_{32}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right],$ 矩阵C₂₃是C₃₂的转置矩阵。三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc由电流互感器获取，作为ip-iq电流检测算法的输入信号。三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc经过矩阵C₃₂、C和低通滤波器LPF后，得到瞬时有功电流i_p的直流分量和瞬时无功电流i_q的直流分量将直流侧电压u_dc与参考之差通过PI控制器，得到的输出信号叠加到i_p-i_q检测算法过程中瞬时有功电流的直流分量上。再经过矩阵C、C₃₂变换，将得到的信号与三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc相减，就获得了参考补偿电流信号。

步骤3：采用二维隶属云模型对增量式PID控制器的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D进行在线调整。将参考补偿电流信号作为给定信号，给定信号与逆变器输出的补偿电流之间的偏差e和偏差变化率e_c作为增量式PID控制器的输入信号。输出信号是比例系数偏差ΔK_P、积分系数偏差ΔK_I和微分系数偏差ΔK_D。输入信号为偏差e和偏差变化率e_c。

各变量的论域可以表示为[X_min,X_max]。输入量e与e_c论域都为[-1010]，比例系数变化量ΔKp的论域为[-1010]，积分系数变化量ΔKi的论域为[-5050]，微分系数变化量ΔKd

的论域为[-1010]。采用黄金分割法对各个论域生成7朵云，用于表示语言值。

偏差e的隶属云模型用数字特征表示为Ge(E_xx，E_nx，H_ex),偏差变化率e_c的隶属云模型用数字特征表示为Gec(E_xy，E_ny，H_ey),控制量u的隶属云模型用数字特征表示为Gu(E_x，E_n，H_e)。利用黄金分割法求得数字特征如下。

偏差e的期望值E_x：

E_x0＝(X_min+X_max)/2,

E_x-3＝X_min,E_x+3＝X_max,

E_x-1＝E_x0-0.382*(X_max-X_min)/4,

E_x-2＝E_x0-0.382*(X_max-X_min)/2,

E_x+1＝E_x0+0.382*(X_max-X_min)/4,

E_x+2＝E_x0+0.382*(X_max-X_min)/2.

偏差e的熵E_n：

E_n-1＝E_n+1＝0.382*(X_max-X_min)/6,

E_n0＝0.618*E_n+1,

E_n-2＝E_n+2＝E_n+1/0.618,

E_n-3＝E_n+3＝E_n+2/0.618.

偏差e的超熵H_e：

给定超熵H_e0为0.1，则有

H_e-1＝H_e+1＝H_e0/0.618,

H_e-2＝H_e+2＝H_e+1/0.618,

H_e-3＝H_e+3＝H_e+2/0.618.

根据上述算法，最终获得偏差e的7朵隶属云为：

E_-3＝“偏差负大”＝Ge1(-103.330.42)；

E_-2＝“偏差负中”＝Ge2(-3.822.060.26)；

E_-1＝“偏差负小”＝Ge3(-1.911.270.16)；

E₀＝“偏差为零”＝Ge4(00.790.1)；

E₊₁＝“偏差正小”＝Ge5(1.911.270.16)；

E₊₂＝“偏差正中”＝Ge6(3.822.060.26)；

E₊₃＝“偏差正大”＝Ge7(103.330.42)。

偏差变化率e_c的7朵隶属云为：

EC_-3＝“偏差变化率负大”＝Gec1(-103.330.42)；

EC_-2＝“偏差变化率负中”＝Gec2(-3.822.060.26)；

EC_-1＝“偏差变化率负小”＝Gec3(-1.911.270.16)；

EC₀＝“偏差变化率为零”＝Gec4(00.790.1)；

EC₊₁＝“偏差变化率正小”＝Gec5(1.911.270.16)；

EC₊₂＝“偏差变化率正中”＝Gec6(3.822.060.26)；

EC₊₃＝“偏差变化率正大”＝Gec7(103.330.42)。

E_xx是偏差变化率e_c的期望，E_nx是偏差变化率e_c的熵，H_ex是偏差变化率e_c的超熵。求取数字特征是为了获得隶属云。隶属云是由很多云滴组成，隶属云是用于限定NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB的取值范围。例如偏差e的其中一朵云“E_-3＝“偏差负大”＝Ge1(-103.330.42)”表示偏差e以-10为中心取值。熵值3.33反映了各个云滴(偏差e的不同取值)可被接受的数值范围。超熵值0.42反映了云滴的离散程度。

分别定义偏差、偏差变化率、比例系数变化量、积分系数变化量和微分系数变化量的云集分别为：

E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

△KP＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

△KI＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

△KD＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}

NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。偏差、偏差变化率和控制量的控制规则构成二维云模型规则库，如表1、表2、表3所示。

表1△KP的推理规则表

表2△KI的推理规则表

表3△KD的推理规则表

以获得ΔK_P为例说明云推理的过程。

以获得积分系数变化量为例对隶属云模型规则生成器进行说明。在图7中，对于输入信号，在取得相应的语言值后，当输入值刺激各规则生成器的前件CG_Ai(二维X条件正态云发生器)(i＝1，2，，n)时，这里n＝49，每一CG_Ai随机地产生一组μ_Ai＝μ_ij(j＝1，2，，N)值，这里N＝1000，所有这些μ_ij组成一个激活强度矩阵，从中选择最大值，得到一个μ_max,j的向量，这些μ_max,j值表明该条定性规则被选中，然后去刺激各规则生成器的后件CG_Bi(一维Y条件正态云发生器)(i＝1，2，，m)，这里m＝49。生成N个z_i＝ΔK_P，得到N个云滴，将这N滴云滴的加权平均值作为输出，从而得到积分系数变化量。同理可得比例系数变化量和微分系数变化量。

步骤4：将输出与初始值分别相加，得到最终的比例系数、积分系数和微分系数，代入增量式PID控制器。算法结束。

如图1所示，三相四开关型有源电力滤波器包括逆变器、输出滤波器L₀。逆变器由4个功率开关IGBTQ1～Q4和直流侧1个10000μF的电容Cdc组成三相全桥，逆变器的输出经过输出滤波器L₀滤除高次谐波后，注入电网。

图2为三相四开关型有源电力滤波器采用的ip-iq电流检测算法。直流侧电容控制采用PI控制器，将PI控制器的输出信号叠加到ip-iq电流算法过程中瞬时有功电流的直流分量上。PI控制器的传递函数为G(s)＝k*(1+sT)/(sT)，增益k为10，时间常数T为0.1秒。ip-iq电流检测算法的输出结果就是参考谐波电流。

图3为三相四开关型有源电力滤波器的总体控制框图。基于二维隶属云的增量式PID控制方法采用云模型对增量式PID控制器的比例系数K_P、积分系数K_I进行在线调整来提高其响应速度。采用Ziegler-Nichols方法求解数比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的初始值和将复合参考补偿电流信号作为给定信号，给定信号与逆变器输出的补偿电流i_C之间的偏差e和偏差变化率ec作为基于二维隶属云的增量式PID控制的输入信号。根据不同的输入e、e_c用云模型确定定性规则进行推理，得出参数的调节量ΔK_P、ΔK_I，从而实现增量式PID控制比例系数积分系数和微分系数的在线调整。经基于二维隶属云的增量式PID控制器控制后输出PWM信号给驱动单元，控制逆变器的开通与关断，从而发出补偿电流。

实施例：

如图4所示，系统主要参数如下：三相电源线电压为380V，频率为50Hz，负载为三相不可控整流电路带阻感负荷，电阻值为10Ω，电感值为5mH。APF的开关器件为IGBT，开关频率为6.4kHz，直流侧电容值为10000uF，直流侧电压参考值为60V，逆变器输出电抗为0.2mH。

图2所示的参考谐波补偿电流的获取算法和图3所示的基于二维隶属云的增量式PID控制方法都在DSP控制器中实现，得到的输出结果作为正弦脉宽调制器中进行调制，生成逆变器中各个开关的触发信号。

图5是负载稳定状态下的补偿结果。没投入三相四开关型有源电力滤波器之前，电网电流受到污染，补偿前三相电网电流如图5(a)所示，补偿前三相电网电流的频谱如图5(b)所示。投入三相四开关型有源电力滤波器后，补偿后三相电网电流如图5(c)所示，补偿后三相电网电流的频谱如图5(d)所示，补偿后直流侧电压如图5(e)所示。从补偿结果可以看出，电网电流中的谐波被抑制，直流侧电压控制的很稳定。

图6是负载变化状态下的补偿结果。当系统运行1s后，将相同的另一台三相整流桥并入电网。补偿前三相电网电流如图6(a)所示，补偿后三相电网电流如图6(b)所示，补偿后直流侧电压如图6(c)所示。可以看出电网电流中的谐波几乎全部滤除，直流侧电压发生波动后，能较快的恢复稳定。

Claims (3)

1.一种三相四开关型有源电力滤波器，包括逆变器，其特征在于，所述逆变器包括两个开关臂和一个直流电容支路，所述两个开关臂、直流电容支路并联，所述两个开关臂均由两个功率开关串联组成；所述逆变器通过输出滤波器并联接入三相电网与三相负载之间。

2.一种权利要求1所述的三相四开关型有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用Ziegler-Nichols方法求解增量式PID控制器的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的初始值和

2)将三相电网a相电压u_Sa通过锁相环PLL电路，获取角度ωt，得到正弦信号sinωt和余弦信号cosωt，确定矩阵C： $C=\left[\begin{array}{cc}\sin \mathrm{\ωt}& \cos \mathrm{\ωt}\\ -\cos \mathrm{\ωt}& -\sin \mathrm{\ωt}\end{array}\right],$ 矩阵 $C_{32}=\sqrt{2/3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right];$ 获取三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc，将三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc分别经过矩阵C₃₂、矩阵C和低通滤波器后，得到瞬时有功电流i_p的直流分量和瞬时无功电流i_q的直流分量将逆变器直流侧电压u_dc与逆变器直流侧电压参考值之差通过PI控制器，得到的输出信号叠加到瞬时有功电流i_p的直流分量上，再经过矩阵C、C₃₂变换，将变换后的信号与三相负载电流i_La、i_Lb、i_Lc相减，得到参考补偿电流信号

3)将参考补偿电流信号与逆变器输出的补偿电流之间的偏差e和偏差变化率ec作为增量式PID控制器参数调整的输入信号；其中偏差变化率e_c为偏差e的微分；

4)定义偏差e、偏差变化率e_c、比例系数变化量、积分系数变化量和微分系数变化量的云集分别为：

E＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

EC＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

△KP＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

△KI＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

△KD＝{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}；

其中，NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

5)利用上述云集分别构建以下二维云模型规则表：

表1△KP的推理规则表

表2△KI的推理规则表

表3△KD的推理规则表

6)以E和EC作为输入值，产生以下正态随机熵E'_nx、E'_ny：

E′_nx＝R(Enx,Hex)；

E′_ny＝R(Eny,Hey)；

其中，Enx、Eny分别为E、EC的期望值；Hex、Hey分别为E、EC的标准差；R()是产生随机数的函数；

如果二维隶属度μ_i(E,EC)满足：

${\mathrm{\μ}}_i(E,\mathrm{EC})=\exp \{\frac{-{(E-\mathrm{Exx})}^2}{{{2E}_{\mathrm{nx}}^{\′}}^2}+\frac{-{(\mathrm{EC}-\mathrm{Exy})}^2}{{{2E}_{\mathrm{ny}}^{\′}}^2}\};$

则得到二维X条件正态云发生器；Exx、Exy为常数；

7)对于输入信号E和EC，在E和EC取得表1或表2或表3中相应的语言值后，该语言值刺激上述二维X条件正态云发生器的前件CGAi，每一个前件CGAi随机地产生一组正态分布值μ_ij，所有的正态分布值μ_ij构成一个激活强度矩阵，选取所述激活强度矩阵的最大值μ_max，以μ_max为输入值，得到Y条件一维正态云发生器为其中，E'_n＝R(En,He)，En、He分别为偏差e的期望值和标准差，E'_n为偏差e的正态随机熵，Ex为E'_n的期望值；控制Y条件一维正态云发生器产生m滴云滴drop(ΔK_PBj，μ_max,j)；j＝1,2,…m；则△K_P或△K_I或△K_D＝mean(△K_PB1,...,△K_PBm)；mean()表示求加权平均值；

8)将增量式PID控制器比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的初始值分别与上述△K_P、ΔK_I、△K_D相加，得到最终的比例系数、积分系数和微分系数，将最终的比例系数、积分系数和微分系数代入增量式PID控制器；

9)将增量式PID控制器的输出输入正弦脉宽调制器中进行调制，生成逆变器中各个功率开关的触发信号。

3.根据权利要求2所述的三相四开关型有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，所述步骤7)中，m＝49。