CN108899906B - 一种三相四线制apf内置重复无差拍控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，该方法包括如下步骤：1)实时采样三相负载电流，利用改进的ip‑iq谐波提取算法获取指令电流，将指令电流与逆变器电流实测值做差后输入至重复无差拍电流控制器，将重复无差拍电流控制器的输出作为APF调制算法的输入信号；2)将输入信号作为三相四线制APF中各开关管的开关信号，根据开关信号控制开关管工作。与现有技术相比，本发明可实现各次谐波的有效控制，能显著提高控制系统的控制精度和抗扰动能力，且对电感参数的变化具有良好的鲁棒性，稳定性更好。

Description

一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相四线制APF控制方法，尤其是涉及一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被广泛应用到各个领域，因电网中的整流器、变频调速装置、电弧炉等非线性负荷不断增加，负荷的非线性、冲击性和不平衡性给电网造成了严重的暂态冲击、无功功率、高次谐波和三相不平衡等问题。电力变换技术中的晶闸管、二极管等开关器件被大量应用到电网中，所产生的谐波电流和无功电流取代了传统的铁磁材料所引起的谐波和次谐波电流，已成为最主要的谐波污染源，造成电压电流畸变等现象。为解决这类难题，应用电能变换开关技术的谐波和无功补偿装置应运而生。

有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)作为电能变换技术的典型代表，是一种新型先进的谐波无功补偿装置。它不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，有一机多用的特点。作为一种新型电力电子装置，APF的工作性能决定于主电路结构及控制系统，确定了APF的主电路，控制算法就成为决定输出性能和效率的关键。目前来讲，一般用到的控制方法主要有如下几类：

(1)比例积分(PI)控制、单周期控制和迟滞控制：分别在线电流频谱、误差和总谐波失真(THD)三个方面对三种控制策略进行比较，PI控制与单周期控制对高频交流信号不能实现零稳态误差。迟滞控制具有良好的性能，但不恒定的开关频率会导致补偿电流中含有高次谐波，并增加了滤波器设计的难度。

(2)选择性谐波补偿策略：将所有的谐波控制器叠加成一个完整的电流控制器。该控制器给谐振带通滤波器的整个控制回路频率响应提供了良好的选择性，但是因为谐波检测的延迟无法保证良好的动态响应特性。

(3)具有多重同步旋转坐标系的控制策略：正、负序谐波电流经过各自同步旋转坐标变换得到直流分量，再经过PI控制器实现零稳态误差补偿，但复杂的计算会占用大量的内存空间。此外，当三相四线制系统负载不平衡时，该控制策略不能实现对零序电流的补偿。

(4)比例谐振控制(PRC)和矢量比例积分控制(VPI)：改进型控制策略，能够通过对灵敏度函数和峰值的极小化来获得高稳定性，避免了闭环异常尖峰现象。但该类方法无法解决三相不平衡和无功问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，该方法包括以下步骤：

S1：实时采样负载侧电流，利用改进的ip-iq谐波提取算法获取指令电流，将指令电流与逆变器电流实测值做差后输入至重复无差拍电流控制器，将重复无差拍电流控制器的输出作为APF调制算法的输入信号；

S2：将输入信号作为三相四线制APF中各开关管的开关信号，根据开关信号控制开关管工作。

步骤S1的具体内容为：

101)实时采样三相负载电流，通过改进的ip-iq谐波提取算法得到指令电流，指令电流信号经过Clark变换获取αβγ坐标系下的指令电流

通过改进的ip-iq谐波提取算法得到指令电流的内容为：提取电网三相负载电流和电网电压，将三相负载电流进行αβ坐标变换后，再变换到dq坐标系，获取三相负载电流在dq坐标系下的分量，随后通过二阶低通滤波器提取三相负载电流的基波分量，其中，基波分量包含基波有功分量和基波无功分量，提取的基波分量经过坐标反变换至αβ坐标系后，再转换到abc坐标系，得到三相负载电流在abc坐标系下的基波分量，最后三相负载电流与三相负载电流在abc坐标系下的基波分量相减，获取abc坐标系下的谐波电流分量；

将abc坐标系下的谐波电流分量进行Clark变换，获取αβγ坐标系下的指令电流

102)将逆变器补偿电流经过Clark变换后得到的αβγ坐标系下的补偿电流与指令电流

求差值，并将差值输入改进的无差拍重复电流控制器，获取三相四线制APF补偿电流；改进的无差拍重复控制器为内置重复控制器的无差拍控制电流环，将采样时刻的补偿电流与下一时刻的补偿电流做差后作为内置重复无差拍控制电流环的输入信号，输入信号经过内置重复控制器的无差拍控制，将电流信号通过SVPWM环节对应的脉冲传递函数以及三相四线制APF的脉冲传递函数获取三相四线制APF补偿电流。

优选地，所述的SVPWM环节采用3D-SVPWM。

在内置重复控制器的无差拍控制电流环中，为了对控制系统的相位和幅值进行补偿，加入了补偿环节。令补偿函数S(z)＝k_rz^lC(z)，式中k_r为重复控制器的增益，z^l为引入的超前环节传函，实现对被控对象控制延时的补偿，l为相位补偿因子l＝Nθ/360，θ为系统延迟相角；N为采样点数，N＝f_c/f₀，其中f_c为采样频率，f₀为基波频率；C(z)为用来校正被控对象，用于增大系统的稳定裕度。内置重复控制器的无差拍控制电流环的闭环传递函数φ(z)为：

其中，k′_r为重复控制器闭环增益，k′_r＝k_r·L/T_s，T_S为开关周期，L为三相四线制APF输出等效电感；G₀(z)为被控对象APF的脉冲传递函数；Q(z)为低通滤波器。低通滤波器Q(z)选取为：

103)将三相四线制APF补偿电流与负载电流相加，获取电网侧电流实测值；

104)利用三相四桥臂数学模型和无差拍算法，对电网侧电流实测值获取αβγ坐标系下的电压量，作为三相四线制APF输入信号。

αβγ坐标系下的电压量的计算式为：

式中，R为三相四线制APF输出等效电阻，L为三相四线制APF输出等效电感，e_α、e_β、e_γ分别为αβγ坐标系下电网电压，u_α、u_β、u_γ分别为αβγ坐标系下负载电压分量，i_α、i_β、i_γ分别为αβγ坐标系下的负载电流分量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过在三相四线制APF装置内置重复无差拍控制器，重复无差拍控制器包括依次连接的无差拍控制电流环和重复控制电流环，可改善无差拍控制的缺陷，消除周期性稳态误差；

(2)本发明方法通过设置低通滤波器及补偿器可改善系统的稳定性，并实现各次谐波的有效控制，能显著提高控制系统的控制精度和抗扰动能力，对电感参数的变化具有良好的鲁棒性，且稳定性更好；

(3)本发明方法通过内置重复无差拍控制器的三相四线制APF可以实现不平衡电流补偿，谐波治理，精度高且结构简单，经济性高。

附图说明

图1为无差拍控制电流环的结构框图：

图2为本发明内置重复控制器的无差拍控制电流环的结构框图；

图3为三相四线制APF拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明涉及一种三相四线制APF改进型矢量谐振控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)实时采样负载侧电流，通过改进的ip-iq谐波提取算法得到指令电流，将指令电流与逆变器电流实测值做差后输入至重复无差拍电流控制器，将重复无差拍电流控制器的输出作为APF调制算法的输入；

(2)将输入信号作为三相四线制APF中各开关管的开关信号，根据开关信号控制开关管工作。

步骤(1)的具体内容包括：

101)采样负载侧电流，通过改进ip-iq谐波提取算法得到指令电流，指令电流信号经过Clark变换得到在αβγ坐标系下的指令电流

102)将逆变器补偿电流经过Clark变换后得到基于αβγ坐标系下的补偿电流，将该补偿电流与指令电流

做差后输入改进的无差拍_重复控制器，得到三相四线制APF补偿电流；

103)将三相四线制APF补偿电流与负载电流相加，获取电网侧电流实测值；

104)利用三相四桥臂数学模型和无差拍算法，对电网侧电流实测值获取αβγ坐标系下的电压量，作为三相四线制APF输入信号。

改进的无差拍重复控制器为内置重复控制器的无差拍控制电流环，输出三相四线制APF补偿电流。

图1为无差拍控制电流环的结构框图，其中，T_S为开关周期；i_p(k)(p＝α、β、γ)为并联型APF实际输出电流；i_p(k+1)为下一采样时刻补偿电流；下一采样时刻的补偿电流为：

G_PWM(z)为3D-SVPWM环节对应的脉冲传递函数，G₀(z)为被控对象APF的脉冲传递函数。R为三相四线制APF输出等效电阻，L为三相四线制APF输出等效电感。

重复控制电流环的传递函数为：

其中，N为采样点数，N＝f_c/f₀，f_c为采样频率，f₀为基波频率。

图2为本发明内置重复控制器的无差拍控制电流环的结构框图，为了对控制系统的相位和幅值进行补偿，内置重复控制器的无差拍控制电流环中设有用于实现对被控对象控制延时的补偿环节，补偿环节的补偿函数为：

S(z)＝k_rz^lC(z)

式中，k_r为重复控制器的增益，z^l为引入的超前环节传函，l为相位补偿因子l＝Nθ/360，θ为系统延迟相角；C(z)为用来校正被控对象，用于增大系统的稳定裕度。内置重复控制器的无差拍控制电流环的闭环传递函数φ(z)为：

式中，k′_r为重复控制器闭环增益，k′_r＝k_r·L/T_s，C(z)为用来校正被控对象，增大系统的稳定裕度；G₀(z)为被控对象APF的脉冲传递函数；Q(z)为低通滤波器。低通滤波器Q(z)选取为：

如图3所示，具有分裂电容结构的三相四线制APF可以等效为一个电压源逆变器。为了抑制零序电流，将直流电容C₁和C₂的中点连接到系统的中性点。图3中，i_si为三相电网电流，i_ci为补偿电流，i_li为负载电流，e_i为三相电网电压，ν_i为逆变器输出电压，d_i为直流电容占空比(i＝a,b,c)，v_dc1，v_dc2分别为直流电容C₁、C₂的电压。

根据三相四桥臂数学模型和无差拍算法，可得αβγ坐标系下的电压量为：

式中，e_α、e_β、e_γ分别为αβγ坐标系下电网电压，u_α、u_β、u_γ分别为αβγ坐标系下负载电压分量，i_α、i_β、i_γ分别为αβγ坐标系下的负载电流分量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)实时采样三相负载电流，利用改进的ip-iq谐波提取算法获取指令电流，将指令电流与逆变器电流实测值做差后输入至重复无差拍电流控制器，将重复无差拍电流控制器的输出作为APF调制算法的输入信号；

2)将输入信号作为三相四线制APF中各开关管的开关信号，根据开关信号控制开关管工作；

步骤1)具体包括以下步骤：

101)实时采样负载侧电流，通过改进的ip-iq谐波提取算法获取指令电流，指令电流信号经过Clark变换获取αβγ坐标系下的指令电流

102)将逆变器补偿电流经过Clark变换后得到的αβγ坐标系下的补偿电流与指令电流

求差值，并将差值输入改进的无差拍重复电流控制器，获取三相四线制APF补偿电流；

103)将三相四线制APF补偿电流与负载电流相加，获取电网侧电流实测值；

104)利用三相四桥臂数学模型和无差拍算法，对电网侧电流实测值获取αβγ坐标系下的电压量，作为三相四线制APF输入信号；

其中，步骤102)中，改进的无差拍重复控制器为内置重复控制器的无差拍控制电流环，将采样时刻的补偿电流与下一时刻的补偿电流做差后作为内置重复无差拍控制电流环的输入信号，输入信号经过内置重复控制器的无差拍控制，将电流信号通过SVPWM环节对应的脉冲传递函数以及三相四线制APF的脉冲传递函数获取三相四线制APF补偿电流。

2.根据权利要求1所述的一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，其特征在于，步骤101)中，通过改进的ip-iq谐波提取算法获取指令电流的内容为：

提取电网三相负载电流，将三相负载电流进行αβ坐标变换后，再变换到dq坐标系，获取三相负载电流在dq坐标系下的分量，随后通过二阶低通滤波器提取三相负载电流的基波分量，提取的基波分量经过坐标反变换至αβ坐标系后，再转换到abc坐标系，得到三相负载电流在abc坐标系下的基波分量，最后将三相负载电流与三相负载电流在abc坐标系下的基波分量相减，获取abc坐标系下的谐波电流分量。

3.根据权利要求1所述的一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，其特征在于，内置重复控制器的无差拍控制电流环中设有用于实现对被控对象控制延时的补偿环节，所述的补偿环节的补偿函数为：

S(z)＝k_rz^lC(z)

式中，k_r为重复控制器的增益，z^k为引入的超前环节的传递函数，l为相位补偿因子l＝Nθ/360，θ为系统延迟相角；N为采样点数，N＝f_c/f₀，其中f_c为采样频率，f₀为基波频率；C(z)为用来校正的被控对象。

4.根据权利要求3所述的一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，其特征在于，内置重复控制器的无差拍控制电流环的闭环传递函数φ(z)为：

式中，k′_r为重复控制器闭环增益，k′_r＝k_r·/T_s，T_S为开关周期，L为三相四线制APF输出等效电感；G₀(z)为被控对象APF的脉冲传递函数；Q(z)为低通滤波器。

5.根据权利要求4所述的一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，其特征在于，低通滤波器Q(z)选取为：

。

6.根据权利要求5所述的一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，其特征在于，步骤104)中，αβγ坐标系下的电压量的计算式为：

式中，R为三相四线制APF输出等效电阻，L为三相四线制APF输出等效电感，e_α、e_β、e_γ分别为αβγ坐标系下电网电压，u_α、u_β、u_γ分别为αβγ坐标系下负载电压分量，i_α、i_β、i_γ分别为αβγ坐标系下的负载电流分量。

7.根据权利要求1所述的一种三相四线制APF内置重复无差拍控制方法，其特征在于，所述的SVPWM环节采用3D-SVPWM。

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