CN104852382A - 一种直流侧电压自适应调节的apf电流预测控制算法 - Google Patents

Abstract

一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，属于APF电流预测控制算法。该控制算法：一、由APF的8种开关状态得可输出的8个电压矢量；二、根据采样信号计算待补偿电流矢量i_h、电网电压矢量e和补偿电流矢量i_c；三、根据系统工况计算APF需要的直流侧电压参考值及补偿电流参考值i^*，自适应控制直流侧电压；四、对8个开关状态S_n分别作用下APF可输出的补偿电流进行预测；五、根据各补偿电流预测值与参考值i^*的差值对开关状态进行选择并应用于各开关器件。优点：算法结构简单，可根据系统工况的变化实时调整直流侧电压，在保证APF输出性能的同时保持了较小的电流纹波和功率损耗，提升了APF补偿性能。

Description

一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法

技术领域

本发明涉及一种APF电流预测控制算法，特别是一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法。

背景技术

非线性负载产生的谐波或无功电流会使电网的电能质量下降，影响社会生产生活，造成经济损失。在谐波或无功电流成分复杂且时变的情况下，传统LC无源滤波器越来越不能满足电力系统对电能质量的要求。有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)有效克服了传统方法的缺点，成为了补偿谐波或无功电流的重要方式，其通过向电网注入与待补偿电流方向相反的补偿电流，使电源只输出基波电流或基波有功电流，达到动态补偿的目的，能对频率和幅值都变化的待补偿电流进行补偿，且补偿性能不受电网阻抗的影响。

APF传统控制方法采用PI调节器将直流侧电压控制为恒定值，这种控制方法无法根据电网电压波动和负载变化对直流侧电压进行动态调节，在电网电压偏低或待补偿电流幅值较低时补偿电流纹波相对较大且存在不必要的开关损耗，电网电压偏高或待补偿电流幅值较高时APF输出性能可能出现不足。

发明内容

本发明的目的是要提供一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，解决APF传统控制方法无法对直流侧电压进行动态调节，从而导致电力系统工况变化时APF补偿性能下降的问题。

本发明的目的是这样实现的：该控制算法包括如下步骤：

步骤一、设APF三相桥臂的开关状态函数分别为S_a、S_b、S_c，三相桥臂的上桥臂开关器件开通以1表示，下桥臂开关器件开通以0表示，两电平APF共可产生8种开关状态，对开关状态进行αβ变换表示为矢量形式S_n(n＝0～7)，由8种开关状态得到APF可输出的8个电压矢量v_n(n＝0～7)；

步骤二、由三相待补偿电流i_ha、i_hb、i_hc得待补偿电流矢量i_h，由三相电网电压e_a、e_b、e_c得电网电压矢量e，由APF输出的三相补偿电流i_ca、i_cb、i_cc得补偿电流矢量i_c；

步骤三、根据电网电压矢量e以及待补偿电流矢量i_h，计算每个采样周期内APF需要的直流测电压并提取在一个工频周期内的幅值，得到直流侧电压参考值然后将直流侧电压实际值V_dc与参考值之间的误差经比例放大后乘以电网电压e，再与待补偿电流i_h叠加，作为补偿电流参考值i^*；

步骤四、根据电网电压e、补偿电流i_c以及直流侧电压V_dc，计算8个开关状态S_n分别作用下APF可输出的补偿电流预测值

步骤五、根据价值函数，在8个开关状态S_n中，选择使补偿电流预测值与参考值i^*最接近的开关状态，控制APF向电网注入补偿电流，使电源只输出基波电流或基波有功电流，实现动态补偿。

所述步骤一中，通过式：

定义三相桥臂的开关状态，其中，j＝a、b、c；

再由式：

$S_n=\frac{2}{3}(S_a+a{S}_b+a^2{S}_c)$

将S_a、S_b、S_c变换为矢量形式，其中，a＝e^j2π/3、n＝0～7；

最后由式：

v_n＝S_nV_dc

得到APF可输出的8个电压矢量，其中n＝0～7、S_n为开关状态矢量，V_dc为当前时刻直流侧电压。

步骤二中，待补偿电流矢量如式：

$i_h=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ha}}+a{i}_{\mathrm{hb}}+a^2{i}_{\mathrm{hc}})$

电网电压矢量如式：

$e=\frac{2}{3}(e_a+a{e}_d+a^2{e}_c)$

补偿电流矢量如式：

$i_c=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ca}}+{\mathrm{ai}}_{\mathrm{cb}}+a^2{i}_{\mathrm{cc}})$

步骤三中，通过式：

$V_{\mathrm{dc}}^p=1.5\×\left|\frac{L}{T_s}\right[i_h\left(k\right)-i_h(k-1)]+e|$

计算每个采样周期内APF需要的直流测电压其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、e为当前时刻电网电压、i_h(k)和i_h(k-1)分别为当前时刻和上一采样时刻的待补偿电流i_h。选出一个工频周期内的最大值，作为直流侧电压参考值

然后根据直流侧电压参考值通过式：

$i^{*}=i_h+k_p(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{dc}}^{*})e$

得到补偿电流参考值i^*，其中V_dc为当前时刻直流侧电压的实际值、k_p为比例系数、i_h和e分别为当前时刻的待补偿电流和电网电压。

步骤四中，通过式：

$i_n^p=i_c+\frac{T_s}{L}(v_n+e)$

计算8个开关状态分别作用下APF可输出的补偿电流预测值其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、i_c和e分别为当前时刻的补偿电流和电网电压、v_n为待选的8个电压矢量。

步骤五中，通过式：

$g_n={(i^{*}-i_n^p)}^2$

计算补偿电流预测值与参考值i^*之间的差值，选出最小g_n对应的开关状态S_n。

有益效果，由于采取上述方案，根据待补偿电流和电网电压的大小动态调整APF的直流侧电压，在保证APF谐波补偿能力的前提下使APF直流侧电压保持在较低水平，从而减小了补偿电流的纹波和功率器件的开关损耗，解决了传统直流侧电压控制方法无法动态调节直流侧电压、系统工况变化时APF补偿性能下降的问题，达到了本发明的目的。

优点具体体现在：

1、该方法基于预测控制实现，不需要PWM方法复杂的调制环节，结构简单；

2、该方法实现了APF直流侧电压的自适应调节，可根据待补偿电流和电网电压大小实时调整直流侧电压，在保证APF输出性能的同时保持了较小的电流纹波和功率损耗，提升了APF补偿性能。

附图说明：

图1是本发明APF系统结构框图。

图2是本发明开关状态矢量在αβ坐标系上的分布图。

图3是本发明直流侧电压自适应调节的电流预测控制算法框图。

图4是本发明直流侧电压恒定控制方法下的补偿效果。

图5是本发明直流侧电压恒定控制方法下的网侧电流频谱。

图6是本发明直流侧电压自适应控制方法下的补偿效果；

图7是本发明直流侧电压自适应控制方法下的网侧电流频谱。

图8是本发明直流侧电压自适应控制方法下的直流侧电压波形。

具体实施方式

实施例1：该控制算法包括如下步骤：

步骤一、设APF三相桥臂的开关状态函数分别为S_a、S_b、S_c，三相桥臂的上桥臂开关器件开通以1表示，下桥臂开关器件开通以0表示，两电平APF共可产生8种开关状态，对开关状态进行αβ变换表示为矢量形式S_n(n＝0～7)，由8种开关状态得到APF可输出的8个电压矢量v_n(n＝0～7)；

步骤二、由三相待补偿电流i_ha、i_hb、i_hc得待补偿电流矢量i_h，由三相电网电压e_a、e_b、e_c得电网电压矢量e，由APF输出的三相补偿电流i_ca、i_cb、i_cc得补偿电流矢量i_c；

步骤三、根据电网电压矢量e以及待补偿电流矢量i_h，计算每个采样周期内APF需要的直流测电压并提取在一个工频周期内的幅值，得到直流侧电压参考值然后将直流侧电压实际值V_dc与参考值之间的误差经比例放大后乘以电网电压e，再与待补偿电流i_h叠加，作为补偿电流参考值i^*；

步骤四、根据电网电压e、补偿电流i_c以及直流侧电压V_dc，计算8个开关状态S_n分别作用下APF可输出的补偿电流预测值

步骤五、根据价值函数，在8个开关状态S_n中，选择使补偿电流预测值与参考值i^*最接近的开关状态，控制APF向电网注入补偿电流，使电源只输出基波电流或基波有功电流，达到动态补偿的目的。

所述步骤一中，通过式：

定义三相桥臂的开关状态，其中，j＝a、b、c；

再由式：

$S_n=\frac{2}{3}(S_a+a{S}_b+a^2{S}_c)$

将S_a、S_b、S_c变换为矢量形式，其中，a＝e^j2π/3、n＝0～7；

最后由式：

v_n＝S_nV_dc

得到APF可输出的8个电压矢量，其中n＝0～7、S_n为开关状态矢量，V_dc为当前时刻直流侧电压。

步骤二中，待补偿电流矢量如式：

$i_h=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ha}}+a{i}_{\mathrm{hb}}+a^2{i}_{\mathrm{hc}})$

电网电压矢量如式：

$e=\frac{2}{3}(e_a+a{e}_d+a^2{e}_c)$

补偿电流矢量如式：

$i_c=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ca}}+{\mathrm{ai}}_{\mathrm{cb}}+a^2{i}_{\mathrm{cc}})$

步骤三中，通过式：

$V_{\mathrm{dc}}^p=1.5\×\left|\frac{L}{T_s}\right[i_h\left(k\right)-i_h(k-1)]+e|$

计算每个采样周期内APF需要的直流测电压其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、e为当前时刻电网电压、i_h(k)和i_h(k-1)分别为当前时刻和上一采样时刻的待补偿电流i_h。选出一个工频周期内的最大值，作为直流侧电压参考值

然后根据直流侧电压参考值通过式：

$i^{*}=i_h+k_p(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{dc}}^{*})e$

得到补偿电流参考值i^*，其中V_dc为当前时刻直流侧电压的实际值、k_p为比例系数、i_h和e分别为当前时刻的待补偿电流和电网电压。

步骤四中，通过式：

$i_n^p=i_c+\frac{T_s}{L}(v_n+e)$

计算8个开关状态分别作用下APF可输出的补偿电流预测值其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、i_c和e分别为当前时刻的补偿电流和电网电压、v_n为待选的8个电压矢量。

步骤五中，通过式：

$g_n={(i^{*}-i_n^p)}^2$

计算补偿电流预测值与参考值i^*之间的差值，选出最小g_n对应的开关状态S_n。

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。具体的，

如图1所示，APF系统包括主电路、控制电路和滤波电感三个部分。由所述APF的主电路的三相桥臂的中点引出输出端，输出端通过滤波电感连接至电网，使用电容器C提供主电路的直流侧电压。所述APF的控制电路包括采样信号输入电路、AD采样电路、DSP控制器、驱动电路，DSP型号为TMS320F2812，AD芯片型号为AD7656，采样信号输入电路输入传感器检测到的电流电压信号，包括负载电流i_la、i_lb、i_lc，补偿电流i_ca、i_cb、i_cc，直流侧电压V_dc和电网电压e_a、e_b、e_c，AD采样电路完成电流电压信号的采集和转换，驱动电路给主电路的开关器件发送开关状态驱动信号。滤波电感以L表示，电网侧电流以i_sa、i_sb、i_sc表示。

图2为两电平APF可产生的8种开关状态在αβ坐标系中的分布图。

如图3所示，一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，步骤如下：

步骤一、图1中，设APF三相桥臂的开关状态函数分别为S_a、S_b、S_c，通过式：

定义三相桥臂的开关状态，其中，j＝a、b、c。

再由式：

$S_n=\frac{2}{3}(S_a+a{S}_b+a^2{S}_c)---\left(2\right)$

将S_a、S_b、S_c变换为矢量形式，其中，a＝e^j2π/3、n＝0～7。

最后由式：

v_n＝S_nV_dc   (3)

得到APF可输出的8个电压矢量，其中n＝0～7、S_n为开关状态矢量，V_dc为当前时刻直流侧电压。电压矢量与开关状态对应关系如表1所示。

表1 电压矢量与开关状态对应关系

步骤二、由式(4)、式(5)、式(6)分别将待补偿电流i_ha、i_hb、i_hc、电网电压e_a、e_b、e_c、补偿电流i_ca、i_cb、i_cc变换为矢量形式：

$i_h=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ha}}+a{i}_{\mathrm{hb}}+a^2{i}_{\mathrm{hc}})---\left(4\right)$

$e=\frac{2}{3}(e_a+a{e}_d+a^2{e}_c)---\left(5\right)$

$i_c=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ca}}+{\mathrm{ai}}_{\mathrm{cb}}+a^2{i}_{\mathrm{cc}})---\left(6\right)$

步骤三、直流侧电压自适应控制。通过式：

$V_{\mathrm{dc}}^p=1.5\×\left|\frac{L}{T_s}\right[i_h\left(k\right)-i_h(k-1)]+e|---\left(7\right)$

计算每个采样周期内APF需要的直流测电压其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、e为当前时刻电网电压、i_h(k)和i_h(k-1)分别为当前时刻和上一采样时刻的待补偿电流i_h。在一个工频周期包含的连续个采样周期里，选出的最大值，作为直流侧电压参考值

根据直流侧电压参考值通过式：

$i^{*}=i_h+k_p(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{dc}}^{*})e---\left(8\right)$

得到补偿电流参考值i^*，其中V_dc为当前时刻直流侧电压实际值、k_p为比例系数、i_h和e分别为当前时刻的待补偿电流和电网电压。

步骤四、补偿电流预测。通过式：

$i_n^p=i_c+\frac{T_s}{L}(v_n+e)---\left(9\right)$

计算8个开关状态分别作用下APF可输出的补偿电流预测值其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、i_c和e分别为当前时刻的补偿电流和电网电压、v_n为待选的8个电压矢量。

步骤五、开关状态选择。通过式：

$g_n={(i^{*}-i_n^p)}^2---\left(10\right)$

分别计算8个补偿电流预测值与参考值i^*之间的差值，在g₀～g₇的8个函数值中，选出最小的g_n，将其对应的开关状态S_n(S_a、S_b、S_c)应用于主电路三相桥臂的控制。

在0.1s时切换负载，使待补偿电流增大，分别采用恒定控制方法和自适应控制方法控制APF直流侧电压，效果如图4至图7所示。

如图4、图5所示，直流侧电压恒定控制方法下APF直流侧电压一直保持恒定值660V，切换负载后APF补偿性能受到影响，网侧电流有畸变，谐波畸变率为4.15％。

如图6、图7、图8所示，直流侧电压自适应控制方法下，切换负载后直流侧电压由660V调节到800V，切换负载后APF补偿性能良好，网侧电流谐波畸变率为1.91％。

Claims (6)

1.一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，其特征是：该控制算法包括如下步骤：

步骤一、设APF三相桥臂的开关状态函数分别为S_a、S_b、S_c，三相桥臂的上桥臂开关器件开通以1表示，下桥臂开关器件开通以0表示，两电平APF共可产生8种开关状态，对开关状态进行αβ变换表示为矢量形式S_n(n＝0～7)，由8种开关状态得到APF可输出的8个电压矢量v_n(n＝0～7)；

步骤二、由三相待补偿电流i_ha、i_hb、i_hc得待补偿电流矢量i_h，由三相电网电压e_a、e_b、e_c得电网电压矢量e，由APF输出的三相补偿电流i_ca、i_cb、i_cc得补偿电流矢量i_c；

步骤三、根据电网电压矢量e以及待补偿电流矢量i_h，计算每个采样周期内APF需要的直流测电压并提取在一个工频周期内的幅值，得到直流侧电压参考值然后将直流侧电压实际值V_dc与参考值之间的误差经比例放大后乘以电网电压e，再与待补偿电流i_h叠加，作为补偿电流参考值i^*；

步骤四、根据电网电压e、补偿电流i_c以及直流侧电压V_dc，计算8个开关状态S_n分别作用下APF可输出的补偿电流预测值

步骤五、根据价值函数，在8个开关状态S_n中，选择使补偿电流预测值与参考值i^*最接近的开关状态，控制APF向电网注入补偿电流，使电源只输出基波电流或基波有功电流，实现动态补偿。

2.根据权利要求1所述的一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，其特征是：所述步骤一中，通过式：

定义三相桥臂的开关状态，其中，j＝a、b、c；

再由式：

$S_n=\frac{2}{3}(S_a+a{S}_b+a^2{S}_c)$

将S_a、S_b、S_c变换为矢量形式，其中，a＝e^j2π/3、n＝0～7；

最后由式：

v_n＝S_nV_dc

得到APF可输出的8个电压矢量，其中n＝0～7、S_n为开关状态矢量，V_dc为当前时刻直流侧电压。

3.根据权利要求1所述的一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，其特征是：步骤二中，待补偿电流矢量如式：

$i_h=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ha}}+a{i}_{\mathrm{hb}}+a^2{i}_{\mathrm{hc}})$

电网电压矢量如式：

$e=\frac{2}{3}(e_a+a{e}_b+a^2{e}_c)$

补偿电流矢量如式：

$i_c=\frac{2}{3}(i_{\mathrm{ca}}+a{i}_{\mathrm{cb}}+a^2{i}_{\mathrm{cc}})$

4.根据权利要求1所述的一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，其特征是：步骤三中，通过式：

$V_{\mathrm{dc}}^p=1.5\×\left|\frac{L}{T_s}\right[i_h\left(k\right)-i_h(k-1)]+e|$

计算每个采样周期内APF需要的直流测电压其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、e为当前时刻电网电压、i_h(k)和i_h(k-1)分别为当前时刻和上一采样时刻的待补偿电流i_h。选出一个工频周期内的最大值，作为直流侧电压参考值

然后根据直流侧电压参考值通过式：

$i^{*}=i_h+k_p(V_{\mathrm{dc}}-V_{\mathrm{dc}}^{*})e$

得到补偿电流参考值i^*，其中V_dc为当前时刻直流侧电压的实际值、k_p为比例系数、i_h和e分别为当前时刻的待补偿电流和电网电压。

5.根据权利要求1所述的一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，其特征是：步骤四中，通过式：

$i_n^p=i_c+\frac{T_s}{L}(v_n+e)$

计算8个开关状态分别作用下APF可输出的补偿电流预测值其中T_s和L分别为采样周期和滤波电感、i_c和e分别为当前时刻的补偿电流和电网电压、v_n为待选的8个电压矢量。

6.根据权利要求1所述的一种直流侧电压自适应调节的APF电流预测控制算法，其特征是：步骤五中，通过式：

$g_n={(i^{*}-i_n^p)}^2$

计算补偿电流预测值与参考值i^*之间的差值，选出最小g_n对应的开关状态S_n。