CN107863775B - 一种适用于有源电力滤波器选择性谐波补偿的电流控制算法 - Google Patents

一种适用于有源电力滤波器选择性谐波补偿的电流控制算法 Download PDF

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CN107863775B CN201711254943.7A CN201711254943A CN107863775B CN 107863775 B CN107863775 B CN 107863775B CN 201711254943 A CN201711254943 A CN 201711254943A CN 107863775 B CN107863775 B CN 107863775B
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Abstract

本发明提供一种有源电力滤波器选择性谐波补偿的电流控制算法，属于电能质量治理领域。有源电力滤波器并联连接在电网和非线性负载之间，对谐波进行集中补偿。有源电力滤波器的控制部分包括网侧电流控制外环、电流控制内环和直流侧电压控制外环。采用本发明提供的算法对网侧谐波电流进行闭环控制，所述控制算法由n(n为正整数)个谐波电流控制单元组成，所述谐波电流控制单元由谐波提取、正反馈数字延时、前向增益三大部分组成。通过在正反馈回路引入相位超前补偿，在前向通道引入增益调整系数，并加入校正函数进行幅值和相位校正，算法具有优异的动态响应和控制鲁棒性。

Description

一种适用于有源电力滤波器选择性谐波补偿的电流控制算法
技术领域
本发明属于电能质量治理领域，尤其涉及一种适用于有源电力滤波器选择性谐波补偿的电流控制算法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的发展，新能源发电、柔性输电、微电网等以电力电子装置为重要载体的新型发电、输配电技术得到了各国政府和研究机构的重视，这些新兴技术在提高能源利用率、缓解能源危机的同时也会带来系统谐振、电能质量恶化等系列问题。恶劣的电能质量会带来一系列经济社会问题，包括电能浪费、降低设备寿命、威慑医疗设施等关键设备正常运行。有源电力滤波器作为电能质量治理的最有效途径之一，可以动态补偿电网中谐波和无功，具有功能灵活，可实现各次谐波的跟踪，动态响应快，同时还可以进行无功补偿，电压闪变抑制，调整负荷不平衡等优点。
作为有源电力滤波器核心技术之一，电流控制算法的稳态跟踪精度、动态响应速度以及鲁棒性直接决定着有源滤波器的稳态和动态性能。随着选择性谐波补偿的有源滤波器兴起，具有频率选择性的电流控制技术得到了学术界和工业界的广泛关注和研究。
针对有源电力滤波器的选择性谐波电流控制，已有一些文献给出了解决方案。X.Yuan等人在“Stationary-frame generalized integrators for current control ofactive power filters with zero steady-state error for current harmonics ofconcern under unbalanced and distorted operating conditions，”IEEETrans.Ind.Appl.，vol.38，no.2，pp.523-532，Mar./Apr.2002.”中提出广义积分电流控制算法，即所谓的比例谐振控制器(PR)，虽然可以实现选择性谐波电流控制，但是受控的各个谐波电流间易相互影响而减弱频率选择性，需要在频率选择性和控制算法的动态性能间做折中。C.Lascu等人在“High performance current controller for selective harmoniccompensation in active power filters，”IEEE Trans.Power Electron.，vol.22，no.5，pp.1826-1835，Sep.2007.”进一步提出矢量谐振调节器，以提升比例谐振控制器的频率选择性和动态性能，然而该算法易受控制对象参数影响，效果一般。P.Mattavelli等人在“Mattavelli P，Marafao F P.Repetitive-Based Control for Selective HarmonicCompensation in Active Power Filters.IEEE Transactions on IndustrialElectronics，2004，51(5)：1018-1024.”提出基于DFT的电流控制算法，具有优异的谐波频率选择性和良好的动态性能，然而控制结构僵硬，无法依据控制对象针对各次待控制的谐波进行参数优化，当同时补偿控制多次谐波时，该算法动态性能和系统鲁棒性能均受限。
发明内容
发明目的：
本发明针对现有技术的不足，提供一种选择性谐波电流控制新算法。
技术方案：
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
有源电力滤波器主功率电路并联连接在单相电网和非线性负载之间。有源电力滤波器对非线性负载产生的谐波电流进行集中统一补偿。有源电力滤波器包含主功率电路和其控制部分。有源电力滤波器的主功率电路由直流侧电容、四开关管和其并联二极管组成的全桥逆变器、一个输出滤波电感。
有源电力滤波器控制部分分为网侧电流控制外环、直流侧电压控制环、有源电力滤波器电流控制内环，以及SPWM调制等四个部分。所述网侧电流控制外环生成有源电力滤波器的谐波电流基准，所述直流侧电压控制环生成直流侧电流基准，所述电流控制内环依据所述谐波电流基准和所述直流侧电流基准进行闭环控制；SPWM调制部分依据有源电力滤波器的电流内环调节器输出信号产生主功率电路四个开关管的高频开关信号。有源电力滤波器的网侧电流控制外环检测网侧电流，依据用户设置的补偿谐波电流次数，采取本发明提供的选择性谐波电流控制实现网侧谐波电流闭环控制。本发明提供的控制算法可以有效提升有源电力滤波器的稳态补偿精度和控制鲁棒性。
本发明提供的选择性谐波电流控制算法从内模原理的思想出发，依据迭代DFT构建各次谐波电流的内模模型，在正反馈回路引入各次谐波电流的相位补偿拍数，在控制前向通道引入各次谐波的增益调整系数，并加入校正函数对控制对象进行幅值和相位校正，以取得最优的动态响应和控制系统鲁棒性。
本发明提供的谐波电流控制算法由第k1，k2，…，kn(k1～kn是正整数)次谐波的电流控制单元(300-k1，300-k2，…，300-kn)和校正函数(301)组成。第k1，k2，…，kn次谐波的电流控制单元具有一致的控制结构。第k1次谐波的电流控制单元由谐波提取部分(k1-301)、正反馈数字延时部分(k1-302)、前向增益部分(k1-303)等组成；谐波提取部分(k1-301)的信号输出(exk1)同时连接至前向增益部分(k1-303)的输入和正反馈数字延时部分(k1-302)的输入；所述各次谐波的电流控制单元(300-k1，300-k2，…，300-kn)的正反馈数字延时部分的信号输出(eyk1，eyk2，…，eykn)以及网侧电流误差信号(es)等所述信号的求和作为各次谐波的电流控制单元的谐波提取部分的信号输入(et)；所述各个谐波单元的前向增益部分的信号输出(exk1，exk2，…，exkn)求和校正函数(301)的信号输入，所述校正函数的信号输出作为有源电力滤波器的网侧电流控制环路的谐波电流基准信号输出
Figure BSA0000154916100000021
具体步骤如下：：
步骤1，利用电流传感器检测有源电力滤波器的网侧电流is，利用本发明的电流控制算法进行网侧谐波电流闭环控制，设定网侧谐波电流的控制基准
Figure BSA0000154916100000022
(该基准通常为零)，计算网侧电流误差信号
Figure BSA0000154916100000023
步骤2，将步骤1中的网侧电流误差信号(es)和第k1，k2，…，kn次谐波的电流控制单元的正反馈数字延时部分的输出信号(eyk1，eyk2，…，eykn)，进行求和运算(et＝es+eyk1+eyk1+…+eykn)；所述(et)信号作为各次谐波的电流控制单元的谐波提取部分的输入信号(et)。
从控制信号et中依据式I所示的带相位补偿的迭代DFT算法进行谐波提取，分别提取第k1，k2，…，kn次谐波分量(exk1，exk2，…，exkn)。式I中N表示采样频率和电网基波频率的比值；ω0是采样周期和电网基波角速度的乘积；k是控制的谐波次数，取值为k1，k2，…，kn。nk1，nk2，…，nkn表示相位补偿的拍数。
Figure BSA0000154916100000031
步骤4，将步骤3所述的各个谐波控制单元的谐波提取部分的输出信号(exk1，exk2，…，exkn)，作为各个谐波控制单元的正反馈数字延时部分的输入信号，分别经过nk1，nk2，…，nkn个拍数的数字延时获得各个谐波控制单元的正反馈输出信号(eyk1，eyk2，…，eykn)。
步骤5，将步骤3所述的各个谐波控制单元的谐波提取部分的输出信号(exk1，exk2，…，exkn)分别和增益调整系数μk1，μk2，…，μkn做乘积并求和，以获取电流控制信号(it，it＝exk1×μk1+exk2×μk2+…+exkn×μkn)。
步骤6，将步骤5所述的电流控制信号(it)作为校正函数的输入信号，求取有源电力滤波器电流控制内环的电流基准信号
Figure BSA0000154916100000032
有源电力滤波器电流控制内环依据步骤6所述的电流基准信号
Figure BSA0000154916100000033
控制有源电力滤波器输出相应的谐波电流，以抵消补偿非线性负载产生的谐波电流。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)具有优异的频率选择性，避免受控的各个谐波分量间相互影响。
(2)可以零稳态误差跟踪各次谐波，具有优异的稳态谐波控制精度；
(3)控制架构灵活，可以依据控制对象的幅频响应特性而针对需要控制的各频次谐波成分进行分别进行增益调整和相位补偿，以取得最优的控制特性。
(4)搭建30A的有源电力滤波器，对本发明中的算法进行了实验验证。实验结果证明了该算法的正确、可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。
附图说明
附图1为有源电力滤波器的连接结构图；
附图2为有源电力滤波器总的系统控制框图；
附图3为本发明提供的选择性谐波电流控制的结构示意图；
附图4为本发明的实验验证稳态结果图。
附图5为本发明的实验验证动态结果图。
具体实施列
本发明提供的选择性谐波电流控制算法，实现有源电力滤波器的网侧电流的闭环控制。下面结合具体的实施和附图对本发明作进一步说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见附图1，有源电力滤波器(102)并联连接单相电网(101)和非线性负载(103)之间，有源电力滤波器对非线性负载产生的谐波电流进行就地集中补偿。有源电力滤波器输出和非线性负载幅值相等方向相反的谐波电流以抵消非线性负载产生的谐波电流，实现网侧电流的正弦化。有源电力滤波器包含主功率电路和其控制部分。有源电力滤波器的主功率电路由直流侧电(Cdc)、四开关管(S1～S4)和其并联的二极管(D1～D4)组成的全桥逆变器、一个输出滤波电感Lac。为了叙述方便，将网侧电流标记为is，并以往外流出为正方向；非线性负载电流标记为iL，以流进非线性负载为正方向；有源电力滤波器的输出电流为ic，以流进为正方向。有源电力滤波器直流侧电压标记为vdc。
参见附图2，有源电力滤波器控制部分分为网侧电流控制外环(201)、直流侧电压控制环(202)、有源电力滤波器电流控制内环(203)，以及SPWM调制(204)等四个部分。所述网侧电流控制外环生成有源电力滤波器的谐波电流基准
Figure BSA0000154916100000041
所述直流侧电压控制环生成直流侧电流基准
Figure BSA0000154916100000042
所述电流控制内环依据所述谐波电流基准和所述直流侧电流基准进行闭环控制
Figure BSA0000154916100000043
SPWM调制部分依据有源电力滤波器的电流内环调节器输出信号产生主功率电路四个开关管的高频开关信号(vgs1，vgs2，vgs3vgs4)。有源电力滤波器的网侧电流控制外环检测网侧电流，依据用户设置的补偿谐波电流次数，采取本发明提供的选择性谐波电流控制实现网侧谐波电流闭环控制。
用电流互感器采样电网网侧电流is；用电流霍尔传感器采样有源电力滤波器输出电流ic；网侧电流基准
Figure BSA00001549161000000413
(该基准通常为零)与所述电流互感器采样获得的电流信号is做差值获得网侧电流误差信号es；所述网侧电流误差信号经过本发明提供的选择性谐波电流控制器(201)，获得有源电力滤波器电流内环(202)的谐波电流基准信号
Figure BSA0000154916100000044
用电压互感器采样有源电力滤波器直流侧电压(vdc)；直流侧电压基准
Figure BSA0000154916100000045
与所述电压互感器获得的电压信号做差值获得直流侧电压误差信号(edc)；所述电压误差信号(edc)经过直流侧电压调节器输出控制信号(emdc)；所述控制信号(emdc)和电网电压相位相角θ做乘积，即可获得直流侧的电流基准信号
Figure BSA0000154916100000046
直流侧电压调节器可以采用多种形式，最常见和应用较多的可以是比例积分(PI)调节器。
所述谐波电流基准信号
Figure BSA0000154916100000047
和直流侧电流基准信号
Figure BSA0000154916100000048
做差运算之后，获取有源电力滤波器电流内环(202)总电流基准
Figure BSA0000154916100000049
电流内环调节器对所述电流基准
Figure BSA00001549161000000410
进行闭环控制，控制有源电流滤波器的输出谐波补偿电流ic。电流内环调节器可以采用多种形式，最常见和应用较多的是比例积分(PI)调节器或者单比例(P)调节器。
参见附图3。本发明提供的谐波电流控制算法，以同时控制k1，k2，…，kn次谐波为例，k1，k2，…，kn表示正整数。本发明提供的谐波电流控制算法由第k1，k2，…，kn次谐波的电流控制单元，k1，k2，…，kn是正整数，以及校正函数(Qf(z))组成。第k1，k2，…，kn次谐波的电流控制单元具有一致的控制结构，所述各个谐波控制单元由谐波提取部分(Pk1(z)，Pk2(z)，…，Pkn(z))、前向控制通道增益系数部分(μk1，μk2，…，μkn)、正反馈数字延时部分
Figure BSA00001549161000000414
等三大部分组成。谐波提取部分的信号输出同时连接至前向增益部分的输入和正反馈数字延时部分的输入。所述各个谐波单元的正反馈数字延时部分的信号输出以及网侧电流误差信号等所述信号的求和作为谐波提取部分的信号输入。所述各个谐波单元的前向控制通道增益系数部分的信号输出求和作为校正函数的信号输入，校正函数的输出作为有源电力滤波器的网侧电流控制环路的谐波电流基准信号输出。具体实施步骤如下：
步骤1，利用电流传感器检测有源电力滤波器的网侧反馈电流is，利用本发明的电流控制算法进行网侧谐波电流闭环控制，设定网侧谐波电流的控制基准
Figure BSA00001549161000000411
(该基准通常为零)，计算误差信号
Figure BSA00001549161000000412
步骤2，根据误差信号es和各频次谐波提取单元谐波反馈信号(eyk1，eyk2，…，eykn)求取控制信号(et＝es+eyk1+eyk1+…+eykn)，k1，k2，…，kn是正整数，表示有源滤波器控制的谐波次数。
步骤3，从控制信号et中依据式I所示的带相位补偿的迭代DFT算法，分别提取k1，k2，…，kn次谐波分量，各次谐波分量记为exk1，exk2，…，exkn。式I中N表示采样频率和电网基波频率的比值；ω0是采样周期和电网基波角速度的乘积；k是控制的谐波次数，其值为k1，k2，…，kn。nk1，nk2，…，nkn表示相位补偿的拍数。
Figure BSA0000154916100000051
步骤4，将步骤3所述提取的谐波信号(exk1，exk2，…，exkn)分别经过式II所示的数字延时方式，延时nk1，nk2，…，nkn个拍数获得谐波反馈信号(eyk1，eyk2，…，eykn)。
z-kk＝k1，k2…kn 式II
步骤5，将步骤3所述提取的谐波信号(exk1，exk2，…，exkn)分别和前向通道增益系数(μk1，μk2，…，μkn)做乘积并求和获取电流控制信号(it，it＝exk1×μk1+exk2×μk2+…+exkn×μkn)。
步骤6，将步骤5所述的电流控制信号(it)经由校正函数Qf(z)滤波获得有源电力滤波器电流控制内环的谐波电流基准信号
Figure BSA0000154916100000052
谐波电流基准信号
Figure BSA0000154916100000053
由有源电力滤波器的电流控制内环(202)进行闭环跟踪控制。
本发明提供的电流控制算法中的控制参数，可以灵活地根据具体应用场合进行选取。此处给出示例，但不限定。
谐波补偿的次数k1，k2，…，kn由用户根据具体非线性谐波负载产生的谐波频谱设定，即可以是奇数次谐波，也可以是偶数次谐波，也可以是仅补偿含量大的谐波成分，也可以是所有谐波成分一同补偿。以常见的整流性负载为例，k1，k2，…，kn分别取值3rd，5th，7th，11th，13th，15th，17th，19th，23th，25th，29th，31th，35th，37th，41th。
本发明提供的电流控制算法的校正函数Qf(z)的设计需要具有低频段相位抬升的能力和高频段幅值迅速衰减的特性，典型形式可以采用单零点双极点的滤波器形式，零点用于实现相位抬升，双极点用于提供幅值衰减以抑制高频噪声，提高系统稳定裕度。
本发明提供的电流控制算法的前向通道增益系数μk1，μk2，…，μkn以及相角补偿拍数nk1，nk2，…，nkn需要依赖控制对象的幅频特性，可以依据式IV选取，式中Gin(z)表示有源电力滤波器电流内环(202)闭环传递函数；ω0是采样周期和电网基波角速度的乘积；k表示谐波次数；
Figure BSA0000154916100000054
表示Gin(z)Qf(z)在频率ω0k处的相位滞后，Ceil(·)表示向上取整；
Figure BSA0000154916100000061
搭建实验样机，利用有源滤波器补偿电流型整流性负载，将本发明提供的电流控制算法用在有源滤波器中，进行实验验证，同时补偿3rd，5th，7th，11th，13th，15th，17th，19th，23th，25th，29th，31th，35th，37th，41th次谐波控制，实验结果参见附图4和附图5。图中is表示电网网侧电流波形，iC表示有源电力滤波器输出电流波形，iL表示非线性负载产生的谐波。
附图4是稳态实验波形，从实验波形中可以看出，非线性负载产生的谐波被有效补偿，网侧电流的谐波畸变率很低。附图5是有源滤波器投入运行补偿谐波的动态波形，从图中可以看出经过1个基波周期即可达到稳态。由此验证了本发明提供的选择性谐波电流控制算法的正确性与可靠性，为工程应用提供了很好的参考价值。

Claims (1)

1.一种适用于有源电力滤波器选择性谐波补偿的电流控制算法，包括以下步骤：
有源电力滤波器主功率电路(102)并联连接在电网(101)和非线性负载(103)之间；有源电力滤波器对非线性负载产生的谐波电流进行集中统一补偿；有源电力滤波器包含主功率电路和其控制部分；有源电力滤波器的主功率电路由直流侧电容、四开关管和其并联二极管组成的全桥逆变器、一个输出滤波电感；
有源电力滤波器控制部分分为网侧电流控制外环(201)、有源电力滤波器电流控制内环(202)、直流侧电压控制环(203)，和SPWM高频载波调制(204)等四个部分；所述网侧电流控制外环(201)生成有源电力滤波器的谐波电流基准
Figure FSB0000189872440000013
所述直流侧电压控制环(203)生成直流侧电流基准
Figure FSB0000189872440000016
所述电流控制内环(202)依据谐波电流基准
Figure FSB0000189872440000014
和直流侧电流基准
Figure FSB0000189872440000015
进行闭环控制；SPWM调制部分(204)依据有源电力滤波器的电流内环调节器输出信号产生主功率电路四个开关管的高频开关信号；采取选择性谐波电流控制算法进行网侧谐波电流闭环控制，该控制算法可以有效提升有源电力滤波器的稳态补偿精度和控制鲁棒性；
所述的选择性谐波补偿的电流控制算法，其特征在于，由第k1，k2，…，kn(k1，k2，…，kn为正整数)次谐波的电流控制单元(300-k1，300-k2，…，300-kn)，以及校正函数(301)组成；第k1，k2，…，kn次谐波的电流控制单元(300-k1，300-k2，…，300-kn)具有一致的控制结构；第k1次谐波的电流控制单元由谐波提取部分(k1-301)、正反馈数字延时部分(k1-302)、前向增益部分(k1-303)三大部分组成；谐波提取部分(k1-301)的信号输出(exk1)同时连接至前向增益部分(k1-303)的输入和正反馈数字延时部分(k1-302)的输入；所述第k1，k2，…，kn次谐波的电流控制单元(300-k1，300-k2，…，300-kn)的正反馈数字延时部分的信号输出(eyk1，eyk2，…，eykn)以及网侧电流误差信号(es)的求和作为各次谐波的电流控制单元的谐波提取部分的信号输入(et)；所述各次谐波单元的前向增益部分的信号输出(exk1，exk2…，exkn)求和作为校正函数(301)的信号输入，所述校正函数的信号输出作为有源电力滤波器的网侧电流控制环路的谐波电流基准信号输出
Figure FSB0000189872440000017
具体步骤如下：
1)步骤1，采用电流传感器检测有源电力滤波器的网侧电流is，设定网侧谐波电流的控制基准
Figure FSB0000189872440000018
(该基准通常为零)，计算网侧电流误差信号
Figure FSB0000189872440000019
2)步骤2，将步骤1中的网侧电流误差信号(es)和第k1，k2，…，kn次谐波的电流控制单元的正反馈数字延时部分的输出信号(eyk1，eyk2，…，eykn)进行求和运算(et＝es+eyk1+eyk1+…+eykn)；所求得的信号(et)作为各次谐波控制单元的谐波提取部分的信号输入；
3)步骤3，从控制信号et中依据式I所示的带相位补偿的迭代DFT算法进行谐波提取，分别提取第k1，k2，…，kn次谐波分量(exk1，exk2，…，exkn)；所述式I中的N是采样频率和电网基波频率的比值；ω0是采样周期与电网基波角速度的乘积；k取值为k1，k2，…，kn；nk1，nk2，…，nkn表示相位补偿的拍数；
Figure FSB0000189872440000011
4)步骤4，将步骤3所述的谐波提取部分的输出信号(exk1，exk2，…，exkn)，作为各个谐波控制单元的正反馈数字延时部分的输入信号，分别经过nk1，nk2，…，nkn个拍数的数字延时获得各个谐波控制单元的正反馈输出信号(eyk1，eyk2，…，eykn)；
5)步骤5，将步骤3所述的各个谐波控制单元的谐波提取部分的输出信号(exk1，exk2，…，exkn)分别和增益调整系数μk1，μk2，…，μkn做乘积并求和，以获取电流控制信号(it，it＝exk1×μk1+exk2×μk2+…+exkn×μkn)；
6)步骤6，将步骤5所述的电流控制信号(it)作为校正函数的输入信号，求取有源电力滤波器电流控制内环的电流基准信号
Figure FSB0000189872440000012
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