CN106487016A - 一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统及控制方法 - Google Patents

一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统及控制方法，通过将直流侧电容两端电压和电压参考值的差值进行PI控制过程替换为对直流侧电容两端电压和电压参考值进行自抗扰控制，所述自抗扰控制根据直流侧电容两端电压和直流侧电压参考值确定三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，根据状态量和扰动量生成控制电流以进行反馈。本发明采用的自抗扰控制，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。

Description

一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统及控制方法。
背景技术
三相有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)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。
尽管双闭环控制方式有上述优点，但实验显示其控制效果不是十分理想，有必要对现有控制方法进行改进，提出新的控制系统，以提高三相有源电力滤波器的谐波抑制能力。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统及控制方法，本发明自抗扰控制技术，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。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，将直流侧电容两端电压和电压参考值的差值进行PI控制过程替换为对直流侧电容两端电压和电压参考值进行自抗扰控制，所述自抗扰控制根据直流侧电容两端电压和直流侧电压参考值确定三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，根据状态量和扰动量生成控制电流以进行反馈。
一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，具体包括：
自抗扰控制器，被配置为采集直流侧电容两端电压和电压参考值，检测三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电容两端电压、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，以消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；
锁相环，被配置为检测电网侧电压某相相位，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，被配置为接收自抗扰控制器控制电流的三分之一和锁相环的输出值，得到电网侧电流的参考值；
电流比较器，被配置为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，计算电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；
PWM驱动电路，被配置为接收电流比较器的计算结果，并根据计算结果确定并输出驱动信号；
变换电路，被配置为受PWM驱动电路控制动作，根据驱动信号向负载侧输出对应相补偿电流。
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，输出三相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三相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。
所述电流比较器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。
所述变换电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。
一种基于上述系统的控制方法，包括以下步骤：
1)采用自抗扰控制采集直流侧电压实际值和电压参考值，以检测三相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，消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；
2)采用锁相环检测电网侧电压某相相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
3)将步骤1)的控制电流的三分之一和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；
4)检测电网侧电流实际值，与所述电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值，计算驱动信号，并驱动三相有源电力滤波器主电路向负载侧输出对应相的补偿电流。
所述自抗扰控制包括：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，输出三相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三相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，观测输出三相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三相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Kp和积分增益参数KI，生成控制电流；控制参数的取值满足被控三相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。
本发明的有益效果为：
(1)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；
(2)有效地降低了网侧电流谐波畸变率，提高了控制性能，极大地提升了三相有源电力滤波器的动态性能，提高了三相有源电力滤波器的谐波抑制能力；
(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为现有的三相有源电力滤波器双闭环控制系统；
图2为现有的自抗扰控制器结构示意图；
图3为本发明的自抗扰控制器结构示意图；
图4为本发明的三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统示意图；
图5为本发明的自抗扰控制系统下的网侧电流示意图；
图6为PI控制系统下的网侧电流示意图。
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。
双闭环控制方式的基本原理如图1所示，由直流侧电压外环得到网侧电流幅值参考值，将之与通过锁相环得到的同电网电压同频同相的单位正弦量相乘，得到网侧电流的参考值，之后通过内环电流环，使实际电网电流跟踪参考值。图中，Vdc是直流侧电容两端电压，Vdcref是直流侧电压参考值，vsa(bc)是A(B、C)相电网电压，isa(bc)是A(B、C)相电网侧电流，isa(bc)ref是A(B、C)相网侧电流参考值，iLa(bc)是A(B、C)相负载电流，ica(bc)是A(B、C)相补偿电流。
但是其控制效果不是十分理想，有必要对现有控制方法进行改进，提出新的控制系统，以提高三相有源电力滤波器的谐波抑制能力。为了解决问题，实现目标，引入了自抗扰控制技术。
自抗扰控制器是基于对现代控制理论过多地依赖于系统数学模型的反思，并吸收了PID控制的思想精髓而提出的一种不依赖系统精确模型的控制方法，可以用来处理系统非线性、大不确定性和外部扰动等问题。自抗扰控制器由三个主要环节组成：跟踪微分器、扩张状态观测器和基于扩张状态观测器的反馈控制，如图2所示。
跟踪微分器是为了改进PID控制中D不能物理实现的局限性而提出的。因为在许多情况下，PID中的D不便于直接测量或直接测量代价太大，同时经典差分方法在提取噪声污染信号的微分时通常会将噪声放大，PID控制在很多情况下其实只是PI控制。跟踪微分器对噪声污染的鲁棒性可以克服这一缺陷。
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。
三相有源电力滤波器的自抗扰控制：
根据变换器两端电流关系，可得：
其中S为开关函数，f为非线性因素等扰动，化简可得
式中，u为控制量，b为控制参数，ω为系统总扰动。
由于直流侧电压参考值为一常数，从而在设计过程中省去跟踪微分器。如图3所示，扩张状态观测器设计为：
其中，控制参数的标称值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：
其中，kp＝0.12，kI＝0.12。至此，自抗扰控制系统设计完成。三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统如图4所示。
为了验证该设计的实用性，在MATLAB仿真实验平台进行了实验。实验结果如图5、图6所示，经使用该软件的三相有源电力滤波器处理后，网侧电流的总谐波畸变率降为1.75％，比PI控制系统的处理结果4.56％性能提升了一倍有余。
相对于基于谐波电流检测控制方式，双闭环控制方式更加经济可靠，但其直流侧使用传统的PI控制器，使得控制效果不理想。针对这一问题，设计了三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，达到了理想的控制效果：通过使用该设计的三相有源电力滤波器处理后，网侧电流THD下降到1.75％，比原控制系统的处理结果4.56％性能提升了一倍以上，极大地提升了三相有源电力滤波器的动态性能，提高了三相有源电力滤波器的谐波抑制能力。
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 (9)

1.一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，其特征是：将直流侧电容两端电压和电压参考值的差值进行PI控制过程替换为对直流侧电容两端电压和电压参考值进行自抗扰控制，所述自抗扰控制根据直流侧电容两端电压和直流侧电压参考值确定三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，根据状态量和扰动量生成控制电流以进行反馈。
2.一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，其特征是：具体包括：
自抗扰控制器，被配置为采集直流侧电容两端电压和电压参考值，检测三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据所述直流侧电容两端电压、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，以消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；
锁相环，被配置为检测电网侧电压某相相位，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，被配置为接收自抗扰控制器控制电流的三分之一和锁相环的输出值，得到电网侧电流的参考值；
电流比较器，被配置为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，计算电网侧电流实际值与电网侧电流参考值的差值；
PWM驱动电路，被配置为接收电流比较器的计算结果，并根据计算结果确定并输出驱动信号；
变换电路，被配置为受PWM驱动电路控制动作，根据驱动信号向负载侧输出对应相补偿电流。
3.如权利要求2所述的一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，其特征是：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，输出三相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三相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。
4.如权利要求2所述的一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，其特征是：所述电流比较器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。
5.如权利要求2所述的一种三相有源电力滤波器的自抗扰控制系统，其特征是：所述变换电路包括PWM变流器和在PWM变流器两侧并联电容器。
6.一种基于如权利要求1-5中任一项所述的系统的控制方法，其特征是：包括以下步骤：
1)采用自抗扰控制采集直流侧电压实际值和电压参考值，以检测三相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，消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响；
2)采用锁相环检测电网侧电压某相相位，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号；
3)将步骤1)的控制电流的三分之一和单位正弦电压信号相乘，得到电网侧电流的参考值；
4)检测电网侧电流实际值，与所述电网侧电流的参考值作差，得到二者的差值，计算驱动信号，并驱动三相有源电力滤波器主电路向负载侧输出对应相的补偿电流。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征是：所述自抗扰控制包括：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，输出三相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三相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。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征是：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，观测输出三相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三相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。
9.如权利要求7所述的控制方法，其特征是：所述观测器反馈控制回路设置控制参数b0、比例增益参数Kp和积分增益参数KI，生成控制电流；控制参数的取值满足被控三相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。
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TA01 Transfer of patent application right
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Address after: 100031 Xicheng District West Chang'an Avenue, No. 86, Beijing

Applicant after: State Grid Corporation of China

Applicant after: Zibo Power Supply Company of State Grid Shandong Province Electric Power Company

Applicant after: University of Jinan

Address before: Ji'nan City, Shandong province 250022 nanxinzhuang Road No. 336

Applicant before: University of Jinan

GR01 Patent grant
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