CN108134389A - 一种新型有源电力滤波器非线性控制方法 - Google Patents

一种新型有源电力滤波器非线性控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种新型有源电力滤波器非线性控制方法，其特征在于该方法采用电压‑电流双闭环控制构架，内环电流环采用 Lyapunov 稳定控制，从能量角度出发构造 Lyapunov 函数，实现系统对谐波参考电流的快速跟踪;同时以增强系统的抗干扰性能为优化目标，求取控制增益的最优范围，确保系统参数发生摄动时，能够快速恢复稳定。外环电压环采用滑模非线性控制方法，保持电容电压平稳，实现负载突变时的动态调节和抗扰动能力。该方法的静/动态性能优越，鲁棒性强;优化设计有效提高了系统参数选择的裕度，有利于系统整体稳定控制;由于实现了谐波电流解耦，控制律简单可行，自由度宽，使SHAPF 在中、高功率场合具有更宽的应用前景，具有工程实用意义。

Description

一种新型有源电力滤波器非线性控制方法
技术领域
本发明属于谐振抑制领域，尤其涉及一种基于李雅普诺夫函数的并联型混合有源电力滤波器非线性控制方法。
背景技术
随着电网系统负荷的复杂化和谐波含量的多样化，传统无源电力滤波器(Passive Power Filter，PPF)的谐波治理和无功补偿技术不能满足电能质量要求，采用有源电力滤波器( Active Power Filter，APF) 对电网谐波进行动态实时补偿，已成为解决谐波污染问题的有效途径之一。但因受器件容量和成本的限制，APF 较难在中高压场合实现广泛应用。结合了 APF和 PPF 优点的并联型混合有源电力滤波器( Shunt HybridActive Power Filter，SHAPF) ，因具有响应快速、高度可控、耐压优良等特点而得到快速推广应用。
高效、稳定的控制器设计是 SHAPF 理论研究的热点所在。传统控制策略以瞬时无功理论、同步坐标变换为基础，通过计算负载电流中的谐波分量实现谐波电流的补偿控制，运算精确，但算法依赖于系统数学模型。当系统参数发生摄动或负载需求大幅变化时，谐波电流跟踪易产生较大误差，控制性能不能确保，严重影响系统稳定运行。针对这一问题，非线性控制方法为实现 SHAPF 高效稳定控制提出了可行解决方案。2010 年，乐江源等提出状态反馈精确线性化的APF 控制方法，实现有功补偿电流和无功补偿电流的解耦控制，但系统依赖于精确数学模型。2012 年，S. Ｒahmani 等提出基于李雅普诺夫函数（Lyapunov）稳定性理论的 APF 控制方法，通过求取闭环极点位置设计控制律的最优化增益，但时变系统没有固定闭环极点，实际应用时受一定约束。同年，李兰芳等在Lyapunov 稳定控制的基础上采用直流侧电压的平均值建立状态变量，适应负载时变引起的APF 直流侧电压波动较大的情况，但控制对象为单相并联 APF。
发明内容 本发明就是针对上述问题，设计了一种新型有源电力滤波器非线性控制方法，该方法采用电压-电流双闭环控制构架，内环电流环采用 Lyapunov 稳定控制，从能量角度出发构造 Lyapunov 函数，实现系统对谐波参考电流的快速跟踪; 同时以增强系统的抗干扰性能为优化目标，求取控制增益的最优范围，确保系统参数发生摄动时，能够快速恢复稳定。外环电压环采用滑模非线性控制方法，保持电容电压平稳，实现负载突变时的动态调节和抗扰动能力。
本发明采用的技术方案是，一种新型有源电力滤波器非线性控制方法，包括电流内环 Lyapunov 稳定控制器、最优控制增益、电压外环滑模控制器。所述的电流内环Lyapunov 稳定控制器，以系统全局渐进稳定为目标，设计SHAPF 系统正定的能量方程，再从能量角度出发构造 Lyapunov 函数，实现系统对谐波参考电流的快速跟踪。
所述的最优控制增益，主要作用是优化Lyapunov 函数的稳定条件，确定于参数，增强控制效果，还可以进一步提高系统的鲁棒性，保证线路参数摄动时也能确保谐波电流的准确跟踪和系统稳定运行。有效克服了电阻、电感等参数的变化对系统的不利影响。
所述的电压外环滑模控制器，主要是直流母线的电压控制，而直流侧电容电压的稳定控制对SHAPF系统的平稳运行十分重要。本发明利用电容电压误差的反馈，引入滑模变结构理论设计电压外环控制器，增强直流侧电容电压突变时的调节能力。
本发明的有益效果是，该新型有源电力滤波器非线性控制方法，静/动态性能优越，当线路参数发生摄动和负载电流发生阶跃变换时，系统依然能快速恢复稳定，稳定性好，鲁棒性强; 优化设计有效提高了系统参数选择的裕度，有利于系统整体稳定控制; 由于实现了谐波电流解耦，控制律简单可行，自由度宽，使SHAPF 在中、高功率场合具有更宽的应用前景，具有工程实用意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图 1 是本发明电路原理框图。
具体实施方式
如图所示，本发明的新型有源电力滤波器非线性控制方法，包括电流内环Lyapunov 稳定控制器、最优控制增益、电压外环滑模控制器。所述的电流内环 Lyapunov稳定控制器，以系统全局渐进稳定为目标，设计SHAPF 系统正定的能量方程，再从能量角度出发构造 Lyapunov 函数，实现系统对谐波参考电流的快速跟踪。能够消除SHAPF 状态变量间的耦合项，控制策略得以简化，在确保计算精度的同时，有效降低了计算量。
所述的最优控制增益，主要作用是优化Lyapunov 函数的稳定条件，确定于参数，增强控制效果，还可以进一步提高系统的鲁棒性，保证线路参数摄动时也能确保谐波电流的准确跟踪和系统稳定运行。有效克服了电阻、电感等参数的变化对系统的不利影响。
所述的电压外环滑模控制器，主要是直流母线的电压控制，而直流侧电容电压的稳定控制对SHAPF系统的平稳运行十分重要。本发明利用电容电压误差的反馈，引入滑模变结构理论设计电压外环控制器，增强直流侧电容电压突变时的调节能力。通过引入直流侧电压偏差的信息，提高了谐波电流的跟踪精度。
以上关于本发明的具体描述，没有局限性，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种新型有源电力滤波器非线性控制方法，包括电流内环 Lyapunov 稳定控制器、最优控制增益、电压外环滑模控制器，其特征在于该方法采用电压-电流双闭环控制构架，内环电流环采用 Lyapunov 稳定控制，从能量角度出发构造 Lyapunov 函数，实现系统对谐波参考电流的快速跟踪; 同时以增强系统的抗干扰性能为优化目标，求取控制增益的最优范围，确保系统参数发生摄动时，能够快速恢复稳定，外环电压环采用滑模非线性控制方法，保持电容电压平稳，实现负载突变时的动态调节和抗扰动能力。
2.根据权利要求 1所述的新型有源电力滤波器非线性控制方法，其特征在于，所述的电流内环 Lyapunov 稳定控制器，以系统全局渐进稳定为目标，设计SHAPF 系统正定的能量方程，再从能量角度出发构造 Lyapunov 函数，实现系统对谐波参考电流的快速跟踪。
3.根据权利要求 1所述的新型有源电力滤波器非线性控制方法，其特征在于，所述的最优控制增益，主要作用是优化Lyapunov 函数的稳定条件，确定于参数，增强控制效果，还可以进一步提高系统的鲁棒性，保证线路参数摄动时也能确保谐波电流的准确跟踪和系统稳定运行，有效克服了电阻、电感等参数的变化对系统的不利影响。
4.根据权利要求 1所述的新型有源电力滤波器非线性控制方法，其特征在于，所述的电压外环滑模控制器，主要是直流母线的电压控制，而直流侧电容电压的稳定控制对SHAPF系统的平稳运行十分重要，本发明利用电容电压误差的反馈，引入滑模变结构理论设计电压外环控制器，增强直流侧电容电压突变时的调节能力。
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