CN110266017B - 一种lcl型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法，包括以下步骤：a.采用两组电流传感器分别采集PCC处电流is和逆变器侧电流i1；b.PCC处电流is和逆变器侧电流i1的差值作为状态变量，经过二阶高通滤波器后，反馈给逆变器侧电压ui；c.基波环采用电压外环加电流内环的控制策略，得到基波环电流控制指令，谐波环采用二阶广义积分器SOGI对谐波进行无静差控制，得到谐波环电流控制指令；d.步骤c所得基波环电流控制指令与谐波环电流的控制指令之和与通过步骤a所得的反馈值作为有源电力滤波器控制信号，控制功率器件开关动作，产生补偿电流。本发明利用SAPF原有的传感器实现LCL型滤波器有源阻尼控制，抑制谐振峰。

Description

一种LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法
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型有源电力滤波器抑制谐振峰的方法。
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。并联型有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter，SAPF)较无源滤波器在稳定性以及灵活性方面都有明显的优势，是目前治理电力谐波的最有效方法。
SAPF自身因载波调制产生的高次谐波，要通过L或者LCL型滤波器滤除。LCL型滤波器为三阶系统，其在总电感值相等的情况下，比L型滤波器有更好的高频抑制性能。LCL型滤波器的传递函数缺少二阶项，导致其在特定频率上会产生谐振峰，抑制谐振峰的方法一般采用无源阻尼法或有源阻尼法。无源阻尼法控制简单，稳定可靠，但是会在阻尼电阻上消耗额外的功率而导致设备发热，从而限制了其应用场合。有源阻尼法主要通过状态反馈或者前馈控制策略形成的虚拟阻尼，来抵消LCL型滤波器产生的谐振峰，该方法能够有效的解决无源阻尼法带来的电阻发热问题，是目前LCL型滤波器控制策略的研究热点。
在有源阻尼控制策略中，滤波电容电流反馈控制能够很好抑制谐振峰，是目前常用的方法。但是，采用滤波电容电流反馈控制，则需要多加一组电流传感器采集滤波电容电流，提高了SAPF的硬件设计难度和制造成本。
在L滤波的情况下，SAPF控制采用两组电流传感器，其中，开环控制采用逆变器侧电感电流传感器和负载侧电流传感器，闭环控制则采用逆变器侧电感电流传感器和PCC(Point of Common Coupling)处电流传感器。如何利用SAPF原有的传感器实现LCL型滤波器有源阻尼控制有着明显的经济效益。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明利用SAPF原有的电流传感器组，采用闭环控制，逆变器侧电感电流传感器和PCC(Point of Common Coupling)处电流传感器，通过状态反馈控制，以LCL型滤波器传递函数标准型为研究目标，提出一种LCL型SAPF混合状态反馈虚拟阻尼控制策略，能够在不增加有源滤波器电流传感器的情况下，实现有源阻尼控制，起到抑制谐振峰的效果。在此基础上，采用相位超前补偿的二阶广义积分器实现非线性负载谐波电流的无静差控制；并通过PCC电流反馈控制策略，实现SAPF基波与谐波的控制。
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LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法，所述方法包括以下步骤：
a.采集电流信号
采用两组电流传感器分别采集网侧电流is和逆变器侧电流i1；
b.混合状态反馈控制
网侧电流is和逆变器侧电流i1的差值作为状态变量，经过二阶高通滤波器后，反馈给逆变器侧电压ui；
c.电流控制
基波环采用电压外环加电流内环的控制策略，得到基波环电流控制指令，谐波环采用二阶广义积分器SOGI对谐波进行无静差控制，得到谐波环电流控制指令；
d.补偿电流输出
步骤c所得基波环电流控制指令与谐波环电流的控制指令之和与通过步骤a所得的反馈值作为有源电力滤波器控制信号，控制功率器件开关动作，产生补偿电流。
进一步，所述步骤b中，通过混合状态反馈虚拟阻尼控制策略，网侧电流is和逆变器侧电流i1的差值作为状态变量，经过二阶高通滤波器后，反馈给逆变器侧电压ui，能够在不增加额外一组电流传感器的情况下，达到了滤波电容电流反馈的有源阻尼控制，实现了抑制谐振峰的效果。
再进一步，所述的混合状态反馈虚拟阻尼控制策略的反馈传递函数
Figure BDA0002069511840000021
为：
Figure BDA0002069511840000022
其中，Hic(s)为滤波电容电流反馈系数，L1、C和L2分别为逆变器侧电感、滤波电容和网侧电感，is、i1、ic和iL分别为网侧电流，逆变器侧电流，滤波电容电流和非线性负载电流。为了使LCL型混合状态反馈虚拟阻尼控制策略不影响有源电力滤波器的性能，通过调整L1、C和L2的取值，使得LCL谐振频率大于非线性负载的主要谐波电流的频率。其中二阶高通滤波器HPF的作用是为了滤除iL所带的低频谐波。选择合适的二阶高通滤波器的截止频率ωp以确保在滤除iL的同时又不影响谐振点滤波电容电流的值。经过上述处理后，在谐振频率处，反馈传递函数可近似为：
Figure BDA0002069511840000031
从上式可以看出，在谐振点处混合状态反馈虚拟阻尼控制近似于叠加了二阶高通滤波器的滤波电容电流反馈控制，能够有效抑制谐振峰。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.LCL型滤波器为三阶系统，其在总电感值相等的情况下，比L型滤波器有更好的高频抑制性能，能有效抑制SAPF自身因载波调制产生的高次谐波。
2.从系统结构的角度来说，利用基于混合状态反馈虚拟阻尼控制策略，能够在不增加额外一组电流传感器的条件下，实现有源阻尼控制，起到抑制谐振峰的效果。在省去一组电流传感器的同时，也降低了SAPF的硬件设计难度和制造成本。
附图说明
图1为本发明的一种LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法的等效电路图；
图2为本发明方法的控制框图；
图3为混合状态反馈虚拟阻尼控制策略框图；
图4为本实施例中采用本文提出的混合状态反馈虚拟阻尼控制策略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LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法，包括以下步骤：
a.采集电流信号
采用两组电流传感器分别采集网侧电流is和逆变器侧电流i1；
b.混合状态反馈控制
网侧电流is和逆变器侧电流i1的差值作为状态变量，经过二阶高通滤波器后，反馈给逆变器侧电压ui；
c.电流控制
基波环采用电压外环加电流内环的控制策略，得到基波环电流控制指令，谐波环采用二阶广义积分器SOGI对谐波进行无静差控制，得到谐波环电流控制指令；
d.补偿电流输出
步骤c所得基波环电流控制指令与谐波环电流的控制指令之和与通过步骤a所得的反馈值作为有源电力滤波器控制信号，控制功率器件开关动作，产生补偿电流。
进一步，所述步骤b中，通过混合状态反馈虚拟阻尼控制策略，网侧电流is和逆变器侧电流i1的差值作为状态变量，经过二阶高通滤波器后，反馈给逆变器侧电压ui，能够在不增加额外一组电流传感器的情况下，达到了滤波电容电流反馈的有源阻尼控制，实现了抑制谐振峰的效果。
再进一步，所述的混合状态反馈虚拟阻尼控制策略的反馈传递函数
Figure BDA0002069511840000041
为：
Figure BDA0002069511840000042
其中，Hic(s)为滤波电容电流反馈系数，L1、C和L2分别为逆变器侧电感、滤波电容和网侧电感，is、i1、ic和iL分别为网侧电流，逆变器侧电流，滤波电容电流和非线性负载电流。为了使LCL型混合状态反馈虚拟阻尼控制策略不影响有源电力滤波器的性能，通过调整L1、C和L2的取值，使得LCL谐振频率大于非线性负载的主要谐波电流的频率。其中二阶高通滤波器HPF的作用是为了滤除iL所带的低频谐波。选择合适的二阶高通滤波器的截止频率ωp以确保在滤除iL的同时又不影响谐振点滤波电容电流的值。经过上述处理后，在谐振频率处，反馈传递函数可近似为：
Figure BDA0002069511840000051
从上式可以看出，在谐振点处混合状态反馈虚拟阻尼控制近似于叠加了二阶高通滤波器的滤波电容电流反馈控制，能够有效抑制谐振峰。
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300V，电网电压110V，滤波电感L1和滤波电感L2分别为1mH和1mH，输出滤波电容10μF，LCL谐振频率2288Hz，开关频率10KHz，ζ和ζp都取0.707，截止频率ωp取2π*1.8*103rad/s。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 (3)

1.一种LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a.采集电流信号
采用两组电流传感器分别采集网侧电流is和逆变器侧电流i1；
b.混合状态反馈控制
网侧电流is和逆变器侧电流i1的差值作为状态变量，经过二阶高通滤波器后，反馈给逆变器侧电压ui；
c.电流控制
基波环采用电压外环加电流内环的控制策略，得到基波环电流控制指令，谐波环采用二阶广义积分器SOGI对谐波进行无静差控制，得到谐波环电流控制指令；
d.补偿电流输出
步骤c所得基波环电流控制指令与谐波环电流的控制指令之和与通过步骤b所得的反馈值作为有源电力滤波器控制信号，控制功率器件开关动作，产生补偿电流。
2.如权利要求书1所述的一种LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法，其特征在于，所述步骤b中，通过混合状态反馈虚拟阻尼控制策略，网侧电流is和逆变器侧电流i1的差值作为状态变量，经过二阶高通滤波器后，反馈给逆变器侧电压ui，能够在不增加额外一组电流传感器的情况下，达到了滤波电容电流反馈的有源阻尼控制，实现了抑制谐振峰的效果。
3.如权利要求书2所述的一种LCL型有源电力滤波器混合状态反馈虚拟阻尼控制方法，其特征在于，所述的混合状态反馈虚拟阻尼控制策略的反馈传递函数
Figure FDA0002536493550000011
为：
Figure FDA0002536493550000012
其中，Hic(s)为滤波电容电流反馈系数，L1、C和L2分别为逆变器侧电感、滤波电容和网侧电感，is、i1、ic和iL分别为网侧电流，逆变器侧电流，滤波电容电流和非线性负载电流；为了使LCL型混合状态反馈虚拟阻尼控制策略不影响有源电力滤波器的性能，通过调整L1、C和L2的取值，使得LCL谐振频率大于非线性负载的主要谐波电流的频率，其中二阶高通滤波器HPF的作用是为了滤除iL所带的低频谐波，选择合适的二阶高通滤波器的截止频率ωp以确保在滤除iL的同时又不影响谐振点滤波电容电流的值，经过上述处理后，在谐振频率处，反馈传递函数可近似为：
Figure FDA0002536493550000013
从上式可以看出，在谐振点处混合状态反馈虚拟阻尼控制近似于叠加了二阶高通滤波器的滤波电容电流反馈控制，能够有效抑制谐振峰。
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