CN107919668B - 一种有源电力滤波器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有源电力滤波器及其控制方法，采用重复控制结合改进的PR控制的控制器，重复控制利用其内模实现了对谐波扰动的记忆和修正，改进的PR控制实现对正弦电流的无静差跟踪，采用复合控制器可以使电网电流谐波小、动态响应快、对电网谐波扰动有更好的抑制效果，实现动态性能和稳态性能的最优化。

Description

一种有源电力滤波器及其控制方法

技术领域

本发明属于有源电力滤波器控制技术领域，具体涉及一种有源电力滤波器及其控制方法。

背景技术

有源电力滤波器(APF)的控制目标量为电网电流，其性能要求是较高的稳态精度和快速的动态响应。因此APF需要精确跟踪输出电流指令，基波指令相对容易控制，跟踪谐波指令较为困难。

对于APF电网电流的闭环控制，从具体的控制方法来看，既有传统的滞环和基于三角波比较的PI控制，也有重复控制、比例谐振控制等较为新颖的控制方法，种类较多。在实际应用中，重复控制和比例谐振控制应用较多，在性能方面，各种控制方法都有各自的优缺点：

一、电流滞环控制

其基本思想是将给定信号与检测的实际输出信号相比较，即将指令电流值与实际补偿电流的差值输入到滞环比较器中，然后用比较器的输出来控制开关器件的动作，使得实际输出电流和指令值的误差始终处于滞环环宽内。

滞环控制开关频率、电流跟踪精度受滞环宽度影响大，减小环宽能够改善电流跟踪效果，但功率器件开关频率提高，损耗加大；反之则电流跟踪性能变差，而当环宽固定时，开关频率会随指令电流的不同而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪声，且输出频谱范围宽，给滤波器的设计带来困难。实际应用中较少。

二、重复控制

重复控制在理论上可以对谐波信号进行无差控制，其原理是重复内模对谐波信号以电网周期为步长进行积分，提供高增益。由于谐波信号具有周期重复的特性，因此可以采用基于周期延时的超前环节抵消开环系统的相位滞后，满足稳定性要求。

重复控制在APF产品中应用很多，可以对全频段谐波进行高精度控制，而且系统结构简单、实现容易，非常适合于谐波应用场合，补偿效果好。其缺点是动态性能差，存在一个电网周期的延时，在指令突变的第一个周期内系统相当于开环控制；控制器需要对误差进行逐周期修正，动态过程较长，并且对电网电压的突变也缺乏快速响应的能力。

三、比例谐振控制

其应用较多，基本思想是利用谐振环节在谐振频率点提供的高增益实现对该频率信号的无静差控制。

谐振控制器只能对某个特定谐波进行无差控制，若需要对若干个谐波信号进行跟踪就需要对应数量的控制器，导致系统结构复杂、实现困难；谐振控制在数字实现的过程中对程序计算精度要求较高，并且需要针对电网频率的变化实时调整控制器参数，这些都增加了实际应用的难度。但由于不需要周期延迟环节，谐振控制在动态响应方面具有一定优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种有源电力滤波器及其控制方法，用于解决现有技术无法的问题，既保留了重复控制补偿精度高的优点，又通过PR控制解决重复控制器对跟踪误差的控制作用滞后一个基波周期，在非线负载变化剧烈的场合下，极易造成系统的不稳定的问题，同时通过PI控制保证快速的动态响应。

为解决上述技术问题，本发明提出一种有源电力滤波器的控制方法，包括以下解决方案：

1)将有源电力滤波器的指令电流与有源电力滤波器的输出电流作差，得到的差值经过重复控制得到第一控制值；

2)将所述差值经过改进的比例谐振控制得到第二控制值；所述改进的比例谐振控制由比例积分控制和比例谐振控制组成；

3)将第一控制值和第二控制值作和，作为所述有源电力滤波器传递函数的输入，所述有源电力滤波器传递函数的输出与电网的扰动电流之和，作为有源电力滤波器传递函数的输出电流。

进一步，所述改进的比例谐振控制的传递函数为：

G(s)＝G₁(s)+G₂(s)

式中，G(s)为改进的比例谐振控制的传递函数，G₁(s)为比例积分控制的传递函数，G₂(s)为比例谐振控制的传递函数；

其中，所述比例积分控制的传递函数为：

式中，K_p为比例增益系数，K_i为积分增益系数；

所述比例谐振控制的传递函数为：

式中，ω₀为基波角频率，(n·ω₀)为待消去的n次谐波频率，ω_c为截止频率，k_{r_n}为n倍频谐振控制器的增益系数。

进一步，所述指令电流是根据检测负载的电流经过DSP的指令电流计算得到的。

进一步，所述有源电力滤波器的拓扑结构为三电平逆变器拓扑结构。

进一步，步骤1)中，所述得到的差值经过重复控制得到第一控制值包括以下步骤：

将所述得到的差值分别经过滤波器、周期延迟环节、相位矫正环节以及受控对象补偿器，得到所述第一控制值。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种有源电力滤波器，包括以下解决方案：

包括处理器，该处理器用于执行实现以下步骤的指令：

1)将有源电力滤波器的指令电流与有源电力滤波器的输出电流作差，得到的差值经过重复控制得到第一控制值；

2)将所述差值经过改进的比例谐振控制得到第二控制值；所述改进的比例谐振控制由比例积分控制和比例谐振控制组成；

3)将第一控制值和第二控制值作和，作为所述有源电力滤波器传递函数的输入，所述有源电力滤波器传递函数的输出与电网的扰动电流之和，作为有源电力滤波器传递函数的输出电流。

进一步，所述改进的比例谐振控制的传递函数为：

G(s)＝G₁(s)+G₂(s)

式中，G(s)为改进的比例谐振控制的传递函数，G₁(s)为比例积分控制的传递函数，G₂(s)为比例谐振控制的传递函数；

其中，所述比例积分控制的传递函数为：

式中，K_p为比例增益系数，K_i为积分增益系数；

所述比例谐振控制的传递函数为：

式中，ω₀为基波角频率，(n·ω₀)为待消去的n次谐波频率，ω_c为截止频率，k_{r_n}为n倍频谐振控制器的增益系数。

进一步，所述指令电流是根据检测负载的电流经过DSP的指令电流计算得到的。

进一步，所述有源电力滤波器的拓扑结构为三电平逆变器拓扑结构。

进一步，步骤1)中，所述得到的差值经过重复控制得到第一控制值包括以下步骤：

将所述得到的差值分别经过滤波器、周期延迟环节、相位矫正环节以及受控对象补偿器，得到所述第一控制值。

本发明的有益效果是：

本发明采用重复控制结合改进的PR控制的控制器，重复控制利用其内模实现了对谐波扰动的记忆和修正，改进的PR控制实现对正弦电流的无静差跟踪，采用复合控制器可以使电网电流谐波小、动态响应快、对电网谐波扰动有更好的抑制效果，实现动态性能和稳态性能的最优化。

附图说明

图1是现有技术中三电平逆变器拓扑示意图；

图2是现有技术中APF工作原理示意图；

图3是本发明的复合控制器框图；

图4是本发明的重复控制器框图；

图5是本发明的一种改进的PR控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示的有源电力滤波器，是一种三电平逆变器的拓扑结构，其等效电路如图2所示，各变量的定义如下：

i_s代表电网侧的电流值，电网电流i_s的波形参见图中箭头所指的波形；i_L代表负载侧的电流值；i_C代表APF输出的补偿电流值，其波形参见图中箭头所指的波形；i_Lf代表负载电流的基波分量值；i_Lk代表负载电流的谐波分量值，负载电压和负载电流的波形参见图中箭头所指的波形。

电网电流i_s等于负载电流i_L和APF输出电流i_C之和，负载电流由i_L由基波电流分量i_Lf和谐波电流分量i_Lk组成，APF用于补偿负载谐波分量，APF发出的电流i_C与谐波电流分量i_Lk大小相等，方向相反。

APF的工作原理为：检测负载(谐波源)的电流，经过指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，经过补偿电流发生电路得出补偿电流，补偿电流与负载电流中的谐波及无功电流进行抵消，最终得到期望的正弦电网电流。

基于上述有源电力滤波器，本发明提出一种有源电力滤波器的控制方法：

如图3所示，首先，将有源电力滤波器的指令电流r与有源电力滤波器的输出电流e作差，得到的差值经过重复控制得到第一控制值。其中，重复控制的过程如图4所示，该第一控制值是通过将上述得到的差值分别经过滤波器Q(z)、周期延迟环节Z^-N、超前k拍相位矫正环节k_rZ^k，以及受控对象补偿器S(Z)得到的。滤波器Q(z)决定重复控制器稳定与否，这里设置Q(z)是一个低通滤波器，简单地取为一个略小于1的常数，以减弱积分效果。周期延迟环节Z^-N使控制动作延迟一个周期进行；Q(z)和Z^-N组成重复控制。超前k拍相位矫正环节k_rZ^k的系数k_r用于维持重复控制器的稳定。受控对象补偿器S(Z)是针对对象G(z)的特性而设置的，它是重复控制器最重要的部分，对重复控制系统的性能好坏有决定性影响。

同时，将上述差值经过改进的比例谐振控制得到第二控制值，该改进的比例谐振控制由比例积分控制和比例谐振控制组成。其中，改进的比例谐振控制的传递函数为：

G(s)＝G₁(s)+G₂(s)

式中，G(s)为改进的比例谐振控制的传递函数，G₁(s)为比例积分控制的传递函数，G₂(s)为比例谐振控制的传递函数。

上述比例积分控制的传递函数为：

式中，K_p为比例增益系数，K_i为积分增益系数。

上述比例谐振控制的传递函数为：

式中，ω₀为基波角频率，(n·ω₀)为待消去的n次谐波频率，ω_c为截止频率，k_{r_n}为n倍频谐振控制器的增益系数。

采用APF对指定谐波进行补偿时，需要设置谐振频率与指定谐波频率相同的PR控制器来实现电流的跟踪控制。实际系统中，谐波次数越高，谐波含量越小，而且由于数字控制系统在应用中的限制，通常需要滤除的谐波只考虑到25次以内。例如，若谐波源的特征谐波为3次及6k±1次谐波，改进的PR控制器的结构如图5所示。

最后，将上述得到的第一控制值和第二控制值作和，作为有源电力滤波器传递函数的输入，所述有源电力滤波器传递函数的输出与电网的扰动电流之和，作为有源电力滤波器的输出电流，控制过程如图3所示。

本发明结合了重复控制和改进PR控制各自的优点，既保留了重复控制补偿精度高的优点，又通过PR控制解决重复控制器对跟踪误差的控制作用滞后一个基波周期，在非线负载变化剧烈的场合下，极易造成系统的不稳定的问题，同时通过PI控制保证快速的动态响应，可以使电网电流谐波小、动态响应快、对电网谐波扰动有更好的抑制效果，实现动态性能和稳态性能的最优化。

本发明还提出了一种有源电力滤波器，包括处理器，该处理器用于执行实现以下步骤的指令：

1)将有源电力滤波器的指令电流与有源电力滤波器的输出电流作差，得到的差值经过重复控制得到第一控制值；

2)将所述差值经过改进的比例谐振控制得到第二控制值；改进的比例谐振控制由比例积分控制和比例谐振控制组成；

3)将第一控制值和第二控制值作和，作为有源电力滤波器传递函数的输入，有源电力滤波器传递函数的输出与电网的扰动电流之和，作为有源电力滤波器传递函数的输出电流。

上述实施例中所指的有源电力滤波器，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，可以应用到换流站中，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (8)

1.一种有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将有源电力滤波器的指令电流与有源电力滤波器的输出电流作差，得到的差值经过重复控制得到第一控制值；

2)将所述差值经过改进的比例谐振控制得到第二控制值；所述改进的比例谐振控制由比例积分控制和比例谐振控制组成；

3)将第一控制值和第二控制值作和，作为所述有源电力滤波器传递函数的输入，所述有源电力滤波器传递函数的输出与电网的扰动电流之和，作为有源电力滤波器传递函数的输出电流；

所述改进的比例谐振控制的传递函数为：

G(s)＝G₁(s)+G₂(s)

式中，G(s)为改进的比例谐振控制的传递函数，G₁(s)为比例积分控制的传递函数，G₂(s)为比例谐振控制的传递函数；

其中，所述比例积分控制的传递函数为：

式中，K_p为比例增益系数，K_i为积分增益系数；

所述比例谐振控制的传递函数为：

式中，ω₀为基波角频率，(n·ω₀)为待消去的n次谐波频率，ω_c为截止频率，k_{r_n}为n倍频谐振控制器的增益系数；

设置谐振频率与指定谐波频率相同的比例谐振控制器实现电流的跟踪控制；选取特征谐波为3次及6k±1次谐波。

2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，所述指令电流是根据检测负载的电流经过DSP的指令电流计算得到的。

3.根据权利要求1所述的有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，所述有源电力滤波器的拓扑结构为三电平逆变器拓扑结构。

4.根据权利要求1所述的有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，步骤1)中，所述得到的差值经过重复控制得到第一控制值包括以下步骤：

将所述得到的差值分别经过滤波器、周期延迟环节、相位矫正环节以及受控对象补偿器，得到所述第一控制值。

5.一种有源电力滤波器，其特征在于，包括处理器，该处理器用于执行实现以下步骤的指令：

1)将有源电力滤波器的指令电流与有源电力滤波器的输出电流作差，得到的差值经过重复控制得到第一控制值；

2)将所述差值经过改进的比例谐振控制得到第二控制值；所述改进的比例谐振控制由比例积分控制和比例谐振控制组成；

3)将第一控制值和第二控制值作和，作为所述有源电力滤波器传递函数的输入，所述有源电力滤波器传递函数的输出与电网的扰动电流之和，作为有源电力滤波器传递函数的输出电流；

所述改进的比例谐振控制的传递函数为：

G(s)＝G₁(s)+G₂(s)

式中，G(s)为改进的比例谐振控制的传递函数，G₁(s)为比例积分控制的传递函数，G₂(s)为比例谐振控制的传递函数；

其中，所述比例积分控制的传递函数为：

式中，K_p为比例增益系数，K_i为积分增益系数；

所述比例谐振控制的传递函数为：

式中，ω₀为基波角频率，(n·ω₀)为待消去的n次谐波频率，ω_c为截止频率，k_{r_n}为n倍频谐振控制器的增益系数；

设置谐振频率与指定谐波频率相同的比例谐振控制器实现电流的跟踪控制；选取特征谐波为3次及6k±1次谐波。

6.根据权利要求5所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述指令电流是根据检测负载的电流经过DSP的指令电流计算得到的。

7.根据权利要求5所述的有源电力滤波器，其特征在于，所述有源电力滤波器的拓扑结构为三电平逆变器拓扑结构。

8.根据权利要求5所述的有源电力滤波器，其特征在于，步骤1)中，所述得到的差值经过重复控制得到第一控制值包括以下步骤：

将所述得到的差值分别经过滤波器、周期延迟环节、相位矫正环节以及受控对象补偿器，得到所述第一控制值。

Images