CN106208063A - 一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法和有源电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法和有源电力滤波器，其中方法包括以下步骤：1)采用自抗扰控制器采集直流侧电压实际值和电压参考值，检测有源电力滤波器的状态量和扰动量，输出控制电流，用于消除有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；采用锁相环检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；2)将控制电流和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；3)检测电网侧电流实际值，与电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值；4)根据二者的差值得到驱动信号，并驱动有源电力滤波器主电路向负载侧输出补偿电流。

Description

一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法和有源电力滤波器

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法和有源电力滤波器。

背景技术

有源电力滤波器是一种用于实时补偿无功功率和抑制谐波电流的电力电子装置，能够对频率和大小都变化的谐波和变化的无功功率进行实时补偿，可以克服LC滤波器等传统谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点。其主要有两种控制方式：基于谐波电流检测的控制方式和双闭环控制方式。

基于谐波电流检测的控制方式基本原理为：首先检测负载电流中的谐波和无功分量，然后使变换器输出与之大小相等、方向相反的补偿电流来抵消，从而使得电网侧电流中谐波含量降低且与电网电压同频同相，实现谐波抑制和无功功率补偿的目的。但是这种方法需要检测负载电流、电网电流、补偿电流和电网电压，同时需要复杂的算法来处理负载电流以提取谐波和无功分量，需要多个电流互感器以及较高级的处理芯片，设备投入较大。

相比之下双闭环控制方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠。采用双闭环控制方式的通常采用PI控制器来实时地调节输出电流的大小。但事实上，其输出信号中含有谐波，调节效果并不理想。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法和有源电力滤波器，极大地提升了有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力，降低了开关频率，减小了开关损耗。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法，包括以下步骤：

1)采用自抗扰控制器采集直流侧电压实际值和电压参考值，用来检测有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，消除有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；采用锁相环检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；

2)将步骤1)所述控制电流和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；

3)检测电网侧电流实际值，与步骤2)中所述电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值；

4)根据步骤3)中所述二者的差值得到驱动信号，并驱动有源电力滤波器主电路向负载侧输出补偿电流。

所述自抗扰控制器包括：扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。

所述扩张状态观测器设置控制参数b₀和高增益调整参数ε，观测输出有源电力滤波器的状态量和扰动量，所述控制参数的取值满足被控有源电力滤波器的控制要求，所述高增益调整参数的取值满足扩张状态观测器的稳定性要求。

所述观测器反馈控制回路设置控制参数b₀、比例增益参数K_p和积分增益参数K_I，生成控制电流；控制参数的取值满足被控有源电力滤波器的控制要求，比例增益参数的取值满足观测器反馈控制回路的反馈时间要求，积分增益参数得取值同时满足观测器反馈控制回路反馈时间与反馈稳定性的要求。

所述b₀控制参数取值为1000，ε高增益调整参数取值为0.01。

所述b₀控制参数取值为1000，所述K_p比例增益参数取值为0.12，K_I为积分增益参数取值为012。

一种基于自抗扰控制的有源电力滤波器，其特征在于，包括：

自抗扰控制器，采集直流侧电压实际值和电压参考值，用于检测有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，用于消除有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；

锁相环，用于检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；

乘法器，与自抗扰控制器和锁相环的输出连接，得到电网侧电流的参考值；

电流跟踪控制电路，同时与电网侧线路和乘法器的输出连接，通过检测电网侧电流实际值，输出电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；

驱动电路，与电流跟踪控制电路相连并输出驱动信号；

主电路，与驱动电路相连，根据驱动信号向负载侧输出补偿电流。

所述自抗扰控制器包括：扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。

电流跟踪控制电路包括电流检测器和电流环，电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，电流环同时与电流检测器和乘法器的输出相连，输出电网侧电流的参考值和电网侧电流实际值的差值。

主电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。

本发明的有益效果：

(1)在不影响反应时间的前提下，极大地提升了有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力；

(2)降低了开关频率，减小了开关损耗；

(3)估计系统内部未建模动态和外部扰动等不确定性，避免因忽略非线性因素而造成的误差。

附图说明

图1为本发明自抗扰控制器的示意图；

图2为本发明基于自抗扰控制的有源电力滤波器示意图；

图3为现有的有源电力滤波器仿真模型；

图4为现有的有源电力滤波器仿真结果：负载电流；

图5为现有的有源电力滤波器仿真结果：PI调节器输出；

图6为本发明基于自抗扰控制的有源电力滤波器的仿真结果：网侧电流；

图7为现有的有源电力滤波器仿真结果：系统开关信号；

图8为现本发明基于自抗扰控制的有源电力滤波器的仿真结果：系统开关信号；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法，包括以下步骤：

1)采用自抗扰控制器采集直流侧电压实际值和电压参考值，用来检测有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，消除有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；采用锁相环检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；

2)将步骤1)所述电流幅值参考值和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；

3)检测电网侧电流实际值，与步骤2)中所述电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值；

4)根据步骤3)中所述二者的差值得到驱动信号，并驱动有源电力滤波器主电路向负载侧输出补偿电流。

自抗扰控制器主要由两个部分组成：扩张状态观测器和基于扩张状态观测器的反馈控制回路，如图1所示。

扩张状态观测器是普通状态观测器的推广。其不同之处在于普通观测器是通过系统输出的部分状态来估计其余状态，扩张状态观测器则不仅可以估计系统的状态，还可以估计系统内部未建模动态和外部扰动等不确定性。这是扩张状态观测器名称的来源，同时也在一定程度上解释了为什么自抗扰控制器不依赖于精确的数学模型。

本设计采用的自抗扰控制，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动等经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差。

根据主电路两端电流关系，可得

$C\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}={\mathrm{Si}}_c+f---\left(1\right)$

其中C为直流侧电容，S为开关函数，f为非线性因素等扰动，化简可得

$\frac{{\mathrm{dV}}_{dc}}{dt}=\frac{S}{C}{i}_c+\frac{1}{C}f={\mathrm{ui}}_c+\mathrm{\ω}---\left(2\right)$

式中，u为控制电流，ω为系统总扰动。

扩张状态观测器设计为:

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\hat{x}}}_1={\hat{x}}_2+\frac{2}{\mathrm{\ϵ}}{(y-\hat{x})}_1+b{u}_0\\ {\stackrel{\·}{\hat{x}}}_2=\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}^2}(y-{\hat{x}}_1)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，y和u是观测器的输入，观测输出有源电力滤波器的状态量，观测输出的有源电力滤波器的扰动量，b₀为控制参数，其值满足被控有源滤波器的控制要求，ε为高增益调整参数，其值满足扩张状态观测器的稳定性要求。

控制参数b₀取值为1000，高增益调整参数ε＝0.01。

基于观测器的反馈控制设计为：

$u=\frac{1}{b_0}\[b_0{K}_p(V_{dcref}-{\hat{x}}_1)+b_0{K}_I\∫(V_{dcref}-{\hat{x}}_1)dt+{\hat{x}}_2\]---\left(4\right)$

其中，b₀为控制参数、K_p为比例增益参数和K_I为积分增益参数，用于生成控制电流；控制参数的取值满足被控有源滤波器的控制要求，比例增益参数，其值满足观测器反馈控制回路的反馈时间要求，积分增益参数，其值同时满足观测器反馈控制回路反馈时间与反馈稳定性的要求，控制参数b₀取值为1000，k_p＝0.12，k_I＝0.12，至此，自抗扰控制系统设计完成，其结构如图1所示。

基于自抗扰控制的单相有源电力滤波器如图2所示，包括：

自抗扰控制器，采集直流侧电压实际值和电压参考值，用于检测有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，用于消除有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；

锁相环，用于检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；

乘法器，与自抗扰控制器和锁相环的输出连接，得到电网侧电流的参考值；

电流跟踪控制电路，同时与电网侧线路和乘法器的输出连接，通过检测电网侧电流实际值，输出电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；

驱动电路，与电流跟踪控制电路相连并输出驱动信号；

主电路，与驱动电路相连，根据驱动信号向负载侧输出补偿电流。

仿真实验：

1、首先对未添加自抗扰控制的电力有元宝滤波器进行实验：如图3所示。相关参数为：电网电压220V、50Hz，负载为单相全桥不控整流电路，直流侧电容C＝2000μF，输出滤波器L＝4mH。负载电流的波形如图4所示，总谐波畸变率(THD)为53.08％，远远超过了5％的标准。经有源电力滤波器处理后网侧电流波形如图5所示，THD降为5.39％，但依然过高。为了提高双闭环控制方式有源电力滤波器的性能，本设计引入了自抗扰控制。

2、将设计的自抗扰控制器用于搭建的单相有源电力滤波器仿真平台，其他实验参数不变。仿真结果如图6所示，通过使用该设计的有源电力滤波器处理后，网侧电流THD下降到2.76％，比原控制系统的处理结果5.39％性能提升了一倍，达到了理想的控制效果，如图7和图8所示

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种有源电力滤波器的自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用自抗扰控制器采集直流侧电压实际值和电压参考值，用来检测有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，消除有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；采用锁相环检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；

2)将步骤1)所述控制电流和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；

3)检测电网侧电流实际值，与步骤2)中所述电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值；

4)根据步骤3)中所述二者的差值得到驱动信号，并驱动有源电力滤波器主电路向负载侧输出补偿电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述自抗扰控制器包括：扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述扩张状态观测器设置控制参数b₀和高增益调整参数ε，观测输出有源电力滤波器的状态量和扰动量，所述控制参数的取值满足被控有源电力滤波器的控制要求，所述高增益调整参数的取值满足扩张状态观测器的稳定性要求。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述观测器反馈控制回路设置控制参数b₀、比例增益参数K_p和积分增益参数K_I，生成控制电流；控制参数的取值满足被控有源电力滤波器的控制要求，比例增益参数取值满足观测器反馈控制回路的反馈时间要求，积分增益参数取值同时满足观测器反馈控制回路反馈时间与反馈稳定性的要求。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述b₀控制参数取值为1000，ε高增益调整参数取值为0.01。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述b₀控制参数取值为1000，K_p比例增益参数取值为0.12，K_I积分增益参数取值为012。

7.一种基于权利要求1所述的有源电力滤波器，其特征在于，包括：

自抗扰控制器，采集直流侧电压实际值和电压参考值，用于检测有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电压实际值、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，用于消除有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；

锁相环，用于检测电网侧电压相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；

乘法器，与自抗扰控制器和锁相环的输出连接，得到电网侧电流的参考值；

电流跟踪控制电路，同时与电网侧线路和乘法器的输出连接，通过检测电网侧电流实际值，输出电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；

驱动电路，与电流跟踪控制电路相连并输出驱动信号；

主电路，与驱动电路相连，根据驱动信号向负载侧输出补偿电流。

8.根据权利要求7所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述自抗扰控制器包括：扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，扩张状态观测器采集控制电流和直流侧电压实际值，输出有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器。

9.根据权利要求7所述的有源电力滤波器，其特征在于，电流跟踪控制电路包括电流检测器和电流环，电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，电流环同时与电流检测器和乘法器的输出相连，输出电网侧电流的参考值和电网侧电流实际值的差值。

10.根据权利要求7所述的有源电力滤波器，其特征在于，主电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。