CN104836232B - 一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法，先通过锁相环实时跟踪电网电压频率信号，在保证开关频率不变的前提下计算出开关频率与实时电网频率的比值，最后，将比值的整数部分作为改进型重复控制器的一个基波滞后的拍数，将比值的小数部分构成延时环节，用一阶惯性环节来近似。这样，可以在电网频率波动的情况下，保证重复控制的谐振频率与电网实际的基波与谐波频率一致，从而使有源电力滤波器在电网频率波动时的补偿效果不会降低。

Description

一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法

技术领域

本发明属于有源电力滤波器电流控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法。

背景技术

现代电力系统中，电力电子设备的应用越来越广泛，如冶金、化工、矿山等部门大量使用晶闸管整流电源，工业生产中大量使用变频器调速装置等。各种非线性、冲击性、波动性和不对称负载大量增加，造成诸如三相电流不平衡、电压波动、电压跌落及谐波等电能质量污染日趋严重。目前，如何有效地提高电能质量是供电部门、电力用户和电力设备制造商共同关注的问题。

电流环控制算法作为有源电力滤波器(APF)的关键技术，其选择直接决定了APF补偿性能的好坏，近年来，通过重复控制的方法越来越多地应用到APF电流环控制中。

当前，在APF中均采用传统的重复控制方法，该类方法在电网频率波动的时，其谐波补偿性能会急剧下降。如中国发明专利《基于改进型准谐振控制加重复控制的光伏并网控制方法》(公开号：103972922A)公开了一种基于谐振控制和重复控制的频率自适应方法，该方法主要通过对谐振控制进行改进获取对电网频率的适应性，但只能在较小的波动范围内起作用。又如中国发明专利《用于有源电力滤波器的自适应重复控制方法》(公开号：102882211A)公开了基于改进型重复控制的电网频率自适应方法，通过动态调整重复内膜的基波周期滞后拍数来实现电网频率宽范围自适应，但其没有考虑采样频率和电网实际频率比值的小数部分，致使谐波补偿性能同样下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法，在保证在频率宽范围变化的情况下，仍能保持重复控制的高精度效果。

为实现上述发明目的，本发明一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、PLL锁相环模块根据电网电压u_gx(x＝a、b、c)获取到电网电压的相位角θ和频率f；

(2)、计算输出有功电流给定值和中性线电流给定值

电压环将三电平VSI直流侧电压的给定值与三电平VSI-正母线与中性点之间电压u_dc1作差再与三电平VSI负母线与中性点之间电压u_dc2作差，将得到的差值进行PI控制，得到有功电流给定值同时将三电平VSI正母线与中性点之间电压u_dc1与负母线与中性点之间电压u_dc2作差，将得到的差值进行PI控制，得到中性线电流给定值

(3)、dq0-abc坐标变换模块根据相位角θ，将电压环输出的有功电流给定值和中性线电流给定值进行dq0-abc坐标变换，得到abc坐标系下的电压环控制输出量

(4)、谐波电流检测模块将负载电流i_L进行离散傅里叶变换(DFT)得到谐波电流i_Lah、i_Lbh、i_Lch；

(5)、计算输出控制量u_a、u_b、u_c

(5.1)、计算电流Δi_a、Δi_b、Δi_c

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{i}_a=i_{\mathrm{ua}}^{*}+i_{\mathrm{Lah}}-i_{\mathrm{ca}};\\ \mathrm{\Δ}{i}_b=i_{\mathrm{ub}}^{*}+i_{\mathrm{Lbh}}-i_{\mathrm{cb}};\\ \mathrm{\Δ}{i}_c=i_{\mathrm{uc}}^{*}+i_{\mathrm{Lch}}-i_{\mathrm{cc}};\end{array}\right.$

其中，为电压环控制输出量，i_Lah、i_Lbh、i_Lch为谐波电流，i_ca、i_cb、i_cc为有源电力滤波器的输出电流反馈值；

(5.2)、将计算得到的Δi_a、Δi_b、Δi_c依次送入到内部的改进型重复控制器和PI控制器，最终得到输出控制量u_a、u_b、u_c；

(6)、电网电压前馈模块将将实时采样的电网电压u_gx(x＝a、b、c)分别与电流环的输出控制量u_a、u_b、u_c叠加，得到调制指令值V_a、V_b、V_c；

(7)、SPWM模块根据步骤(6)中的调制指令值V_a、V_b、V_c，得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制三电平VSI的各个IGBT的开通关断。本发明的发明目的是这样实现的：

本发明有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法，先通过锁相环实时跟踪电网电压频率信号，在保证开关频率不变的前提下计算出开关频率与实时电网频率的比值，最后，将比值的整数部分作为改进型重复控制器的一个基波滞后的拍数，将比值的小数部分构成延时环节，用一阶惯性环节来近似。这样，可以在电网频率波动的情况下，保证重复控制的谐振频率与电网实际的基波与谐波频率一致，从而使有源电力滤波器在电网频率波动时的补偿效果不会降低。

同时，本发明有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明能够基于锁相环输出的实时电网频率，实时改变重复控制内膜，从而保证改进后的重复控制的谐振频率能与电网实际的基波和谐波频率一致。

(2)、本发明能够保证有源电力滤波器的电网频率在50Hz±5Hz的情况下，具有较好的谐波补偿效果。

(3)、本发明的改进型重复控制器是在保证开关频率不变的前提下设计的，相比许多改变控制周期、开关频率来适应电网频率波动的算法，有着较大优势。并且，本发明的改进型重复控制算法，相比传统重复控制而言，结构变化不大，数字实现简易，具有很高工程实现价值。

附图说明

图1是有源电力滤波器的控制框图；

图2是电流闭环控制系统框图；

图3是改进型重复控制器的原理框图；

图4是延迟环节D₀(z)的原理框图；

图5是不同电网频率条件下，不采用本发明的有源电力滤波器的补偿效果仿真波形；

图6是不同电网频率条件下，采用本发明的有源电力滤波器的补偿效果仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是有源电力滤波器的控制框图。

在本实施例中，如图1所示，有源电力滤波器包括主电路和控制两部分，其中，图1的虚线部分以下为控制部分。

主电路部分是由三电平VSI 1、LCL滤波器2、非线性负载3组成。三电平VSI 1通过LCL滤波器2与电网相连，非线性负载3直接与电网相连，从而组成了一个完整的有源电力滤波器的主电路。

控制部分包括：PLL锁相环模块4、dq0-abc坐标变换模块5、电压环6、谐波检测模块7、电流环8、电网电压前馈模块9、SPWM模块10，构成了有源电力滤波器的控制部分。

下面结合本发明对图1中的各个模块进行详细描述，具体如下：

一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法，包括以下步骤：

S1、PLL锁相环模块根据电网电压u_gx(x＝a、b、c)获取到电网电压的相位角θ和频率f；

S2、计算输出有功电流给定值和中性线电流给定值

电压环将三电平VSI直流侧电压的给定值与三电平VSI-正母线与中性点之间电压u_dc1作差再与三电平VSI负母线与中性点之间电压u_dc2作差，将得到的差值进行PI控制，得到有功电流给定值i_d ^*；同时将三电平VSI正母线与中性点之间电压u_dc1与负母线与中性点之间电压u_dc2作差，将得到的差值进行PI控制，得到中性线电流给定值

S3、dq0-abc坐标变换模块根据相位角θ，将电压环输出的有功电流给定值和中性线电流给定值进行dq0-abc坐标变换，得到abc坐标系下的电压环控制输出量

S4、谐波电流检测模块将负载电流i_L进行离散傅里叶变换(DFT)，从而计算出在abc坐标系下的谐波电流i_Lah、i_Lbh、i_Lch；

S5、计算输出控制量u_a、u_b、u_c

S5.1)、在本实施例中，如图2所示，先计算电流闭环控制系统的输入电流Δi_a、Δi_b、Δi_c

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{i}_a=i_{\mathrm{ua}}^{*}+i_{\mathrm{Lah}}-i_{\mathrm{ca}};\\ \mathrm{\Δ}{i}_b=i_{\mathrm{ub}}^{*}+i_{\mathrm{Lbh}}-i_{\mathrm{cb}};\\ \mathrm{\Δ}{i}_c=i_{\mathrm{uc}}^{*}+i_{\mathrm{Lch}}-i_{\mathrm{cc}};\end{array}\right.$

其中，为电压环控制输出量，i_Lah、i_Lbh、i_Lch为谐波电流，i_ca、i_cb、i_cc为有源电力滤波器的输出电流反馈值；

S5.2)、如图2所示，再将计算得到的Δi_a、Δi_b、Δi_c依次送入到内部的改进型重复控制器和PI控制器，依次进行重复控制和PI控制，最终得到输出控制量u_a、u_b、u_c；

在本实施例中，电流环主要包括改进型重复控制器和PI控制器，其中，改进型重复控制器是本发明的核心，其设计的前提是保证开关频率不变，下面结合图3对改进型重复控制器进行详细说明。

改进型重复控制器的传递函数为：

$G\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{QD}}_0\left(z\right)z^{-N_x}}{z}^{-N_x}{z}^{k}S\left(z\right)$

其中，[]表示取整，为开关频率，f为锁相环模块计算出的电网电压实时频率；即D为的小数部分，D₀(z)是用来等效小数部分的延迟环节，且满足D₀(z)＝z^-D，S(z)是重复控制的补偿函数，z表示Z域算子，Q为衰减系数，用于削弱积分作用，一般为小于1的常数，这里将其定为0.95；k为相位超前拍数，z^k用于补偿整个控制环路的相位滞后。

改进型重复控制器为了实现电网频率宽范围自适应的功能，需要用到数字锁相环输出的电网实际频率，在每个控制周期，都需计算开关频率和电网实际频率f的比值。其中，将开关频率和电网实际频率f比值的整数部分，用来实时更新N_x；另外，开关频率和电网实际频率f比值的小数部分对应的延迟环节用D₀(z)实现，D₀(z)的原理框图如图4所示，其表达式的求取方法为：

设z^-D对应的s域模型为其中

将用泰勒公式展开，可以得到下式：

其中，由于系统的采样频率较高，因此可将取一阶近似：

再采用双线性变换法将连续模型离散化，得到D₀(z)的表达式，如下：

即： $D_0\left(z\right)=\frac{1+z^{-1}}{1+2D+(1-2D)z^{-1}}=\frac{C\left(z\right)}{R\left(z\right)}$

为了便于数字控制实现，通常将D₀(z)写成差分方程，即：

$c\left(k\right)=\frac{2D-1}{2D+1}c(k-1)+\frac{1}{2D+1}r\left(k\right)+\frac{1}{2D+1}r(k-1)$

c(k)为当前拍的延迟环节输出值、c(k-1)为前一拍的延迟环节输出值，r(k)为当前拍的延迟环节输入值、r(k-1)为前一拍的延迟环节输入值。

下面对重复控制的补偿函数S(z)进一步说明，如下：

补偿函数S(z)是由平均值滤波器F₁(z)和二阶低通滤波器F₂(z)构成，只要设计出F₁(z)和F₂(z)即可。

F₁(z)即为最简单的平均值滤波器，其表达式如下：

$F_1\left(z\right)=\frac{z+1}{2z}$

二阶低通滤波器F₂(z)在连续域的表达式为：

$F_2\left(s\right)=\frac{w_c^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{w}_{c}s+w_c^2}$

在本实施例中，将w_c定为3.3kHz，阻尼ζ定为1，再采用双线性变换法将F₂(s)转换到离散域，得到F₂(z)如下：

$F_2\left(z\right)=\frac{{0.2354z}^2+0.4708z+0.2354}{z^2-0.0592z+0.00088}$

在以上公式中，z表示Z域算子，s表示S域算子。

S6、如图2所示，电网电压前馈模块将将实时采样的电网电压u_gx(x＝a、b、c)分别与电流环的输出控制量u_a、u_b、u_c叠加，得到调制指令值V_a、V_b、V_c；

S7、SPWM模块根据步骤S6中的调制指令值V_a、V_b、V_c，得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来控制三电平VSI的各个IGBT的开通关断。

图5是不同电网频率条件下，不采用本发明的有源电力滤波器的补偿效果仿真波形。

在本实施例中，图5(a)～图5(c)分别是电网频率为50Hz、45Hz、55Hz时，采用传统重复控制的方法对APF的谐波补偿效果图；由图5可以看出，电网频率为额定的50Hz时，电网电流的THD为6％左右，补偿效果较好，但当电网频率波动到45Hz或55Hz时，电网电流的THD达到30％左右，补偿效果因为电网频率波动而急剧下降。

图6是不同电网频率条件下，采用本发明的有源电力滤波器的补偿效果仿真波形。

在本实施例中，图6(a)～图6(c)分别是电网频率为50Hz、45Hz、55Hz时，采用改进型重复控制的方法对APF的谐波补偿效果图；由图6可以看出，传统本专利发明的改进型重复控制在电网频率为50Hz、45Hz或55Hz时，电网电流的THD都能保持在7％左右，其补偿效果不会随着电网频率的波动而急剧恶化，证明了本发明专利提出的方法的有效性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、PLL锁相环模块根据电网电压u_gx(x＝a、b、c)获取到电网电压的相位角θ和频率f；

(2)、计算输出有功电流给定值和中性线电流给定值

电压环将三电平VSI直流侧电压的给定值与三电平VSI-正母线与中性点之间电压u_dc1作差再与三电平VSI负母线与中性点之间电压u_dc2作差，将得到的差值进行PI控制，得到有功电流给定值同时将三电平VSI正母线与中性点之间电压u_dc1与负母线与中性点之间电压u_dc2作差，将得到的差值进行PI控制，得到中性线电流给定值

(3)、dq0-abc坐标变换模块根据相位角θ，将电压环输出的有功电流给定值和中性线电流给定值进行dq0-abc坐标变换，得到abc坐标系下的电压环控制输出量

(4)、谐波电流检测模块将负载电流i_L进行离散傅里叶变换(DFT)得到谐波电流i_Lah、i_Lbh、i_Lch；

(5)、计算输出控制量u_a、u_b、u_c

(5.1)、计算电流Δi_a、Δi_b、Δi_c

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δi}}_a=i_{ua}^{*}+i_{Lah}-i_{ca};\\ {\mathrm{\Δi}}_b=i_{ub}^{*}+i_{Lbh}-i_{cb};\\ {\mathrm{\Δi}}_c=i_{uc}^{*}+i_{Lch}-i_{cc};\end{array}\right.$

其中，为电压环控制输出量，i_Lah、i_Lah、i_Lch为谐波电流，i_ca、i_cb、i_cc为有源电力滤波器的输出电流反馈值；

(5.2)、将计算得到的Δi_a、Δi_b、Δi_c依次送入到内部的改进型重复控制器和PI控制器，最终得到输出控制量u_a、u_b、u_c；

(6)、电网电压前馈模块将将实时采样的电网电压u_gx(x＝a、b、c)分别与电流环的输出控制量u_a、u_b、u_c叠加，得到调制指令值V_a、V_b、V_c；

(7)、SPWM模块根据步骤(6)中的调制指令值V_a、V_b、V_c，得到对应的开关控制信号，再用该开关控制信号来来控制三电平VSI的各个IGBT的开通关断；

其中，所述的电流环包括改进型重复控制器和PI控制器；

所述的改进型重复控制器的传递函数为：

$G\left(z\right)=\frac{1}{1-{\mathrm{QD}}_0\left(z\right)z^{-N_x}}{z}^{-N_x}{z}^{k}S\left(z\right)$

其中，[]表示取整，f_s为开关频率，f为锁相环模块计算出的电网电压实时频率；即D为的小数部分，D₀(z)是用来等等效小小数部分的延迟环节，且满足D₀(z)＝z^-D，S(z)是重复控制的补偿函数，z表示Z域算子，Q为衰减系数，k为相位超前拍数，z^k用于补偿整个控制环路的相位滞后。

2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器的频率宽范围自适应重复控制方法，其特征在于，所述的延迟环节D₀(z)的表达式为：

设z^-D对应的s域模型为其中

先对近似取值，即：

再采用双线性变换法将连续模型离散化，得到D₀(z)的表达式，如下：

$D_0\left(z\right)=\frac{1+z^{-1}}{1+2D+(1-2D)z^{-1}}=\frac{C\left(z\right)}{R\left(z\right)}$

最后将上式写成差分方程，如下：

$c\left(k\right)=\frac{2D-1}{2D+1}c(k-1)+\frac{1}{2D+1}r\left(k\right)+\frac{1}{2D+1}r(k-1)$

其中，c(k)为当前拍的延迟环节输出值、c(k-1)为前一拍的延迟环节输出值，r(k)为当前拍的延迟环节输入值、r(k-1)为前一拍的延迟环节输入值。