CN105977979A - 单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，该控制算法在通过基于功率预测技术求取用于稳定单相有源电力滤波器的直流侧电压而必须从电网吸收的有功功率表达式的基础上，获得了实际工作状态下的补偿电流指令。由于补偿电流指令无需由常规双环控制算法中的电压外环提供，因而在本发明公开的控制算法下，传统的单相并联型有源电力滤波器的电压和电流双闭环控制算法，可简化为只需控制电流的单闭环控制算法。

Description

单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器控制技术，具体地说，涉及一种单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法。

背景技术

随着现代工业发展，电力电子装置和非线性负载的广泛应用产生了大量的谐波，导致电力系统中谐波电流成分迅速增长，电流波形畸变，加大了线损和用电设备的损耗，系统功率因数急剧降低，严重影响电网电能质量。

传统的无源滤波器越来越不能满足谐波治理的要求。随着数字信息处理技术的提高和电力电子技术研究的深入，有源电力滤波器开始得到应用。有源电力滤波器通过产生与负载谐波反相幅值的补偿电流抵消负载产生的谐波，从而抑制负载产生的谐波污染电网，克服了无源滤波器的一些缺点，而且能够实现自动适应电网谐波频次的变化。而且，一般情况下，有源电力滤波器通常采用双闭环控制策略。其中内环控制有源电力滤波器产生的补偿电流，外环控制直流侧电压恒定。

比如可参见题目为《单相并联型有源滤波器的自适应控制方法》中国发明专利申请201210308107.3。该申请所称方法基于SAFT(单相并联型有源滤波器)的近似线性动态模型，参考自适应理论进行控制，建立跟踪参考模型的自适应律，使SAFT输出能够补偿电路谐波和无功电流，实现对畸变电流的补偿，减小并消除电路谐波和无功功率。

众所周知，传统的双闭环结构多采用诸如单周控制、重复控制、滑膜控制，或者基于李雅普诺夫方程控制等方法，实现APF(有源滤波器)的控制。然而，这些现有技术的控制方法都存在某些固有缺陷。例如单周控制方式容易受到外界条件影响，以及存在功率开关管工作频率不恒定的问题。又比如重复控制方式，则存在控制系统响应速度慢，以及控制器参数难以确定的问题。再如滑膜控制方式，该种方式存在固有抖振的问题。至于基于李雅普诺夫方程的控制方式，明显地存在算法实现复杂的问题。

此外，以上诸种控制策略不但使算法参数设置困难，而且大大增加了每一个控制周期所需的时间。为解决上述各自存在的个性和共性问题，分别采取了相应的改善措施。一般而言，上述现有技术针对前述各自存在的个性方面的问题，可以使用一定的预测手段，简化控制参数；而针对它们共性方面的问题，都选用速度更快的数字信号处理器处理。

发明内容

本发明目的在于提供一种单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，大大缩短控制周期，以及使控制算法得到简化。

本发明的单环控制算法是基于功率预测技术得以实现的，其中取消传统并联型有源电力滤波器中所必须要的电压调节环节，实现控制策略由双闭环控制简化为单闭环控制。

按照本发明的单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，依序执行如下步骤：

步骤1：通过直流电压检测环节，采集相邻三个控制时刻 、和时的单相并联型有源电力滤波器直流侧电容上的电压值、和；

步骤2：由表达式和求取相邻两个控制周期内直流侧的电容能量变化量和后，利用相邻控制周期内电容有功功率波动为一恒定值及这些约束关系，代入等式，求取第个控制周期内单相并联型有源电力滤波器吸收的有功功率；

步骤3：通过数据采集获得的时刻的负载电流和单相电网电压，利用数字锁相环形成滞后和 的虚拟量和；

步骤4：利用计算时刻负载侧的瞬时有功功率；

步骤5：采用低通滤波算法获得的直流分量；

步骤6：利用等式获得电流环的给定指令；

步骤7：与经过低通滤波器采集获得的时刻单相并联型有源电力滤波器的电流输出值相减后，进入数字化PI控制器；

步骤8：PI控制器输出值与相减后，形成单相全桥逆变单元的调制信号；

步骤9：由调制信号生成单相全桥逆变单元的驱动脉冲。

采用上述本发明的单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，能够将APF的控制结构由传统的控制电流和电压的双环结构变成了只需控制电流的内环结构，因而具有控制参数设定简单、系统动态响应速度快和鲁棒性强的技术特性。适合实际工程应用中使用。

另外，按照上述本发明的单环控制算法，求取补偿电流指令的表达式具有实时性好，准确性好的特点。

附图说明

为进一步说明本发明，以下将结合附图并通过具体实施例，详细描述上述单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，其中，

图1示出本发明基于单环控制算法的单相并联型APF的工作原理图；

图2 示出本发明基于单环控制算法的单相并联型APF算法一种具体实施例的方框图。

具体实施方式

图1 示出本发明基于单环控制算法的单相并联型APF的工作原理图。

如图1所示，其中的和分别为单相电网电压和补偿后的单相电网电流，为APF输出的补偿电流，为非线性负载电流，为APF通过计算获得的补偿电流指令，为APF的直流侧电压。

本领域普通技术人员从单相并联型APF的工作原理可知，实现单相并联型APF功能的关键是获得与补偿电流i _C 相同的补偿电流指令，即有

(1)

对单相系统构造与单相电路中实际电流和电压相位差为-π/2的虚拟电流和电压分量，形成两相正交坐标系，得：

(2)

(3)

(4)

其中，和 分别为 在坐标系中的和分量；和分别为的幅值和角频率。和分别为在坐标系中的和分量；和分别为在坐标系中的和分量；为中的基波幅值；为的幅值；和分别为的基波分量和与的相位差；为中的n次谐波幅值；为中的n次谐波与的相位差。其中，角频率是通过单相PLL（Phase locked loop）环节的作用获得的。

利用PQ变换求取单相电网侧和负载侧的瞬时有功无功：

(5)

(6)

其中，p _S 和q _S 分别为电网侧瞬时有功和瞬时无功功率；p _L 和q _L 分别为负载侧的瞬时有功和瞬时无功功率。

考虑到在实际应用中，APF总会存在一些损耗（诸如主回路元器件热损耗和功率开关管的损耗），使得APF必须从电网中吸收适当的有功功率，用于稳定直流侧电压。因此在实际工作状态下，APF需要补偿的功率如下：

(7)

其中，Δp _dc 为维持APF直流侧电压所必须从单相电网中吸收的有功功率。为负载有功功率的震荡功率。

对电网侧电流进行PQ反变换求取和。

(8)

其中，经过LPF（Low-pass filter）环节作用后得到。为负载瞬时有功功率的平均功率。

最终实际工作状态下补偿电流补偿指令为：

(9)

图2示出本发明基于单环控制算法的单相并联型APF算法一种具体实施例的方框图，按照该种实施例，其具体实现步骤如下：

步骤1：通过直流电压检测环节，采集相邻三个控制时刻、和时的单相并联型有源电力滤波器直流侧电容上的电压值、和；

步骤2：由表达式和求取相邻两个控制周期内直流侧的电容能量变化量和后，利用相邻控制周期内电容有功功率波动为一恒定值及这些约束关系，代入等式，求取第个控制周期内单相并联型有源电力滤波器吸收的有功功率；

步骤3：通过数据采集获得的时刻的负载电流和单相电网电压，利用数字锁相环形成滞后和 的虚拟量和；

步骤4：利用计算时刻负载侧的瞬时有功功率；

步骤5：采用低通滤波算法获得的直流分量；

步骤6：利用等式获得电流环的给定指令；

步骤7：与经过低通滤波器采集获得的时刻单相并联型有源电力滤波器的电流输出值相减后，进入数字化PI控制器；

步骤8：PI控制器输出值与相减后，形成单相全桥逆变单元的调制信号；

步骤9：由调制信号生成单相全桥逆变单元的驱动脉冲。

按照上述实施例的单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，由于补偿电流指令无需由常规双环控制算法中的电压外环提供，因而在本发明公开的控制算法下，传统的单相并联型有源电力滤波器的电压和电流双闭环控制算法，可简化为只需控制电流的单闭环控制算法。

Claims (1)

1.一种单相并联型有源电力滤波器的单环控制算法，依序执行如下步骤：

步骤1：通过直流电压检测环节，采集相邻三个控制时刻 、和时的单相并联型有源电力滤波器直流侧电容上的电压值、和；

步骤2：由表达式和求取相邻两个控制周期内直流侧的电容能量变化量和后，利用相邻控制周期内电容有功功率波动为一恒定值及这些约束关系，代入等式，求取第个控制周期内单相并联型有源电力滤波器吸收的有功功率；

步骤3：通过数据采集获得的时刻流过负载电流和单相电网电压，利用数字锁相环形成滞后和 的虚拟量和；

步骤4：利用计算时刻负载侧的瞬时有功功率；

步骤5：采用低通滤波算法获得的直流分量；

步骤6：利用等式获得电流环的给定指令；

步骤7：与经过低通滤波器采集获得的时刻单相并联型有源电力滤波器的电流输出值相减后，进入数字化PI控制器；

步骤8：PI控制器输出值与相减后，形成单相全桥逆变单元的调制信号；

步骤9：由调制信号生成单相全桥逆变单元的驱动脉冲。