CN108429261A - 一种适用于lcl型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法，包括以下步骤：a.将直流母线电压参考值和直流侧电压Udc的差值经直流电压控制器调节得到电流参考值b.电网电流is和步骤a得到的差值经电流控制器调节得到逆变侧电流参考值c.步骤b所得与逆变侧电流实测值iinv的差值为输入，经内环比例控制得到有源电力滤波器控制信号；d.将步骤c获取的控制信号输入空间矢量调制器，控制功率器件开关动作，产生补偿电流；e.将电流控制值输入到空间矢量调制器中，得到空间矢量脉宽调制波，控制功率器件开关动作。本发明同时具有快速的动态响应、较低的电流谐波和较好的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及有源电力滤波器控制技术领域，具体设计LCL型有源电力滤波器闭环控制方法。
背景技术
随着大量电力电子装置在电网中的使用，带来了严重的谐波污染。对比传统的谐波治理装置(无源电力滤波器)，有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)依靠其良好的滤波特性和应用灵活等特点成为主流的电网谐波补偿装置。
在有源电力滤波器系统中，LCL型APF相较于相同电感量的L型APF具有更好的滤波效果，然而其构成的三阶系统极易出现谐振现象，增加了控制难度。LCL型APF控制方法的优劣直接影响其谐波补偿能力和装置的稳定性。
传统的有源电力滤波器控制策略包括以下几种，比例谐振控制、比例积分(proportional integral controller，PI)控制、重复控制以及复合控制等。目前，应用最广泛的是双闭环PI控制，但是由于谐波参考值往往包含多种频率的谐波电流，此时PI控制由于其带宽的限制并不能满足补偿要求。比例谐振控制能很好的消除周期性谐波和抑制周期性扰动信号。但该方法对系统参数较敏感，且针对每个频率的谐波信号，谐振控制器均需要设计单独的谐振控制器，用现有的数字控制器实现一系列的谐振器增加了计算量和系统复杂度。基于内模原理的重复控制能够实现对周期性输入和扰动的精确跟踪同时能够满足电流控制环路的高增益要求，因此被广泛应用于APF系统中。然而，传统的重复控制由于其存在一个周期的延迟，所以并不能满足控制系统的动态性能。
因此需要提供一种有效的控制策略，满足设计简单，利于工程实现的要求还要兼顾快速的动态响应、较低的电流谐波和较好的鲁棒性。
发明内容
为了克服现有的LCL型有源电力滤波器的设计复杂、动态响应较慢、电流谐波较高、鲁棒性较差的不足，本发明提出的适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法采用分数阶改进型重复控制和基于电网电流检测，逆变侧电流反馈的有源阻尼型LCL滤波器相结合的方法。利用逆变侧电流反馈的方法抑制LCL滤波器自身构成的三阶系统存在的谐振现象，保证了系统的稳态控制精度。同时采用分数阶改进型重复控制的结构，改进型的重复控制有效的将传统重复控制一个周期的延时降为1/6个延时周期，同时分数阶的加入增加了系统的补偿精度。
为了解决上述的技术问题，本发明提供如下的技术方案
一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法，包括以下步骤：
a.获取电流控制器参考值
将直流母线电压参考值和直流侧电压Udc的差值经直流电压控制器调节得到电流参考值
b.电流控制
电网电流is和步骤a得到的差值经电流控制器调节得到逆变侧电流参考值
c.控制信号获取
步骤b所得与逆变侧电流实测值iinv的差值为输入，经内环比例控制得到有源电力滤波器控制信号；
d.补偿电流输出
将步骤c获取的控制信号输入空间矢量调制器，控制功率器件开关动作，产生补偿电流。
本发明针对在旋转坐标系下只包含6k次谐波的典型负载。
进一步，所述步骤b中,所述电流控制器包括分数阶快速重复控制器和PI控制器，电网电流is和电流参考值的差值e分别经过分数阶快速重复控制器和PI控制器后，对应得到电流值1和电流值2，电流值1和电流值2相加得到逆变侧电流参考值
优选的，所述分数阶快速重复控制器的传递函数G(z)为：
其中滤波器Q(z)为小于1的常数，为延迟环节，N为一个周期内采样次数，即系统采样频率fs和基波频率f之比，补偿器Gc(z)提供幅值和相位的补偿。所述的延迟环节，其中 为分数阶延迟环节的整数部分，Z-F为其分数部分；基于有限冲击响应滤波器的原理，并根据拉格朗日插值方法，Z-F满足公式：
由于分数延迟的理想冲击响应含有无限项，用有限的滤波器只能近似一个理想的分数延迟。所以n越大，对给定分数延迟的近似越精确。当即插值点n靠近插值所需采样数据的中心位置时，插值效果最好。
所述补偿器Gc(z)满足公式：Gc(z)＝Kr*zk*S(z)，其中Kr为重复控制增益，S(z)为二阶滤波器，zk为超前环节，k取正整数。
所述步骤c中，通过反馈逆变侧电流构成阻尼内环的形式，来抑制LCL滤波器的谐振峰；内环反馈比例控制系数设为Km，在三相平衡对称的情况下，选取其中的一相研究，则引入逆变侧电流反馈后，LCL的传递函数GLCL为：
其中L1,L2和C分别为逆变侧电抗、网侧电抗和滤波电容。增大比例系数Km可以增强对LCL滤波器存在的谐振峰的抑制效果，但当Km过大时，必会引起系统不稳定，选取合适的Km值3.19。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.从系统结构的角度来说，由于分数阶快速型重复控制器的信号是从电网中直接采集，这样就省去了谐波电流检测环节可能带来的误差，不仅简化了系统复杂度而且提升了补偿性能。
2.本发明提出的分数阶快速重复控制包含PI控制器和改进的重复控制器，PI控制器负责在发生波动时实现补偿电流的快速响应，从而补偿重复控制的延迟问题。而分数阶快速重复控制器，由于引入了分数阶环节，提高了系统鲁棒性和跟踪精度，同时对重复控制内膜结构进行了改进，使得控制器延迟环节仅为传统重复控制器的六分之一，不仅提升了补偿效果，同时减少了系统实现时的内存占用率。
3.通过引入逆变侧电流的反馈，构成阻尼电流环，通过有源阻尼的方法抑制了LCL滤波器的谐振峰，增强了系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法的结构框图；
图2为本发明方法的控制框图；
图3为分数阶快速重复控制框图；
图4为本实施例中采用本文提出的分数阶快速重复控制方法时的有源电力滤波器的电流波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明。
参照图1～图4，一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法，包括以下步骤：
a.获取所述APF直流侧电压Udc，电网电压us和电网电流is，逆变侧电流iinv；
b.将直流母线电压参考值和Udc进行比较，得到的误差信号经直流电压控制器调节后获得电流控制器的电流参考值
c.根据所获的电网电流is和电流参考值求差后，通过电流控制器得到逆变侧电流参考值
d.将逆变侧电流参考值与逆变侧电流实测值iinv求差后，经内环比例控制得到电流控制值；
e.将电流控制值输入到空间矢量调制器中，得到空间矢量脉宽调制波，控制功率器件开关动作，产生补偿电流。
进一步，所述步骤c中，所述电流控制器包括分数阶快速重复控制器和PI控制器，电网电流is和电流参考值的差值e分别经过分数阶快速重复控制器和PI控制器后，对应得到电流值1和电流值2，电流值1和电流值2相加得到逆变侧电流参考值
优选的，所述分数阶快速重复控制器如图3所示，其传递函数G(z)为：
其中滤波器Q(z)为小于1的常数，取值为为延迟环节，N为一个周期内采样次数，即系统采样频率fs和基波频率f之比，若电网基波频率50Hz,采样频率10kHz，则周期采样次数N＝200。
所述的延迟环节，其中 为分数阶延迟环节的整数部分，Z-F为其分数部分；基于有限冲击响应滤波器的原理，并根据G0etken和拉格朗日插值方法，Z-F满足公式：
由于分数延迟的理想冲击响应含有无限项，用有限的滤波器只能近似一个理想的分数延迟。所以n越大，对给定分数延迟的近似越精确。当即插值点n靠近插值所需采样数据的中心位置时，插值效果最好。当n＝3时，选取F靠近1.5最佳，根据约等于33.3选取Ni＝32，F＝1.3，则计算得到分数延迟Z-F：Z-F≈-0.0595+0.7735z-1+0.3315z-2-0.0455z-3
所述补偿器Gc(z)满足公式：Gc(z)＝Kr*zk*S(z)，其中Kr为重复控制增益，取值3.5，zk为超前环节，k取正整数，取值为3，S(z)为重复控制的滤波器，由于阻尼内环已经滤除了被控对象的谐振峰值，故无需引入陷波器，设计S(z)为二阶低通滤波器，截止频率选取2π*2.5*103rad/s，阻尼系数选取0.707，则离散化后有：
所述步骤e中，通过反馈逆变侧电流构成阻尼内环的形式，来抑制LCL滤波器的谐振峰，增强系统的稳定性。内环反馈比例控制系数设为Km。增大比例系数Km可以增强对LCL滤波器存在的谐振峰的抑制效果，但当Km过大时，必会引起系统不稳定。选取Km值为3.19。
为说明本发明的正确性和可行性，对一台LCL有源电力滤波器系统进行仿真验证。仿真参数为：直流电压400V，电网电压220V，滤波电感L1和滤波电感L2分别为2mH和0.7mH,输出滤波电容10μF。PI控制参数为Kp＝20，Ki＝100。根据以上参数设定，得到APF运行时的波形图如图4所示。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.获取电流控制器参考值
将直流母线电压参考值和直流侧电压Udc的差值经直流电压控制器调节得到电流参考值
b.电流控制
电网电流is和步骤a得到的差值经电流控制器调节得到逆变侧电流参考值
c.控制信号获取
步骤b所得与逆变侧电流实测值iinv的差值为输入，经内环比例控制得到有源电力滤波器控制信号；
d.补偿电流输出
将步骤c获取的控制信号输入空间矢量调制器，控制功率器件开关动作，产生补偿电流。
2.如权利要求1所述的一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法，其特征在于，所述步骤b中，所述电流控制器包括分数阶快速重复控制器和PI控制器，电网电流is和电流参考值的差值e分别经过分数阶快速重复控制器和PI控制器后，对应得到电流值1和电流值2，电流值1和电流值2相加得到逆变侧电流参考值
3.如权利要求2所述的一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法，其特征在于，所述分数阶快速重复控制器的传递函数G(z)为：
其中滤波器Q(z)为小于1的常数，为延迟环节，N为一个周期内采样次数，即系统采样频率fs和基波频率f之比，补偿器Gc(z)提供幅值和相位的补偿。所述的延迟环节，其中 为分数阶延迟环节的整数部分，Z-F为其分数部分；基于有限冲击响应滤波器的原理，并根据拉格朗日插值方法，Z-F满足公式：
所述补偿器Gc(z)满足公式：Gc(z)＝Kr*zk*S(z)，其中Kr为重复控制增益，S(z)为二阶滤波器，zk为超前环节，k取正整数。
4.如权利要求1～3之一所述的一种适用于LCL型有源电力滤波器的分数阶快速重复控制方法，其特征在于，所述步骤c中，通过反馈逆变侧电流构成阻尼内环的形式，来抑制LCL滤波器的谐振峰；内环反馈比例控制系数设为Km。在三相平衡对称的情况下，选取其中的一相研究，则引入逆变侧电流反馈后，LCL的传递函数GLCL为：
其中L1,L2和C分别为逆变侧电抗、网侧电抗和滤波电容。通过改变阻尼内环比例系数Km可以达到对LCL滤波器存在的谐振峰的抑制。增大比例系数Km可以增强对LCL滤波器存在的谐振峰的抑制效果，但当Km过大时，必会引起系统不稳定，选取合适的Km值。
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