CN111130123A - 一种并联型有源电力滤波器的自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型有源电力滤波器的自适应控制方法。基于递归式离散傅里叶变换，计算并联型有源电力滤波器已经用于补偿的输出电流有效值以及非线性负载的待补偿的各次谐波电流有效值，在此基础上得到并联型有源电力滤波器的剩余补偿容量，推导其可以进一步补偿的谐波次数以及系数。利用二阶广义积分器提取相应待补偿次数的谐波，结合补偿系数，得到实际待补偿的电流。将所述实际待补偿的各次电流的总和作为指令电流，利用PI控制与重复控制相结合的复合控制策略进行集中式跟踪。该发明可以使得并联型有源电力滤波器输出容量逼近额定容量，最大程度改善电网侧电流波形，提高并联型有源电力滤波器的装置利用率。

Description

一种并联型有源电力滤波器的自适应控制方法

技术领域

本发明属于并联型有源电力滤波器控制技术领域，更具体地，涉及一种并联型有源电力滤波器的自适应控制方法。

背景技术

由于电力电子装置的应用日益广泛，谐波和无功电流大量涌入公共电网，对公共电网的电能质量产生了严重影响。目前提高电网电能质量的方法主要分为两种，一种是对电力电子装置本身进行改造以减少谐波和无功产生的主动型治理；另一种是装设补偿装置对谐波和无功进行补偿的被动型治理。其中，有源电力滤波器以动态、灵活的独特优势成为了治理谐波、改善电能质量最有效的手段，也受到了国内外的广泛关注。

并联型有源电力滤波器可以灵活准确地补偿线性负荷产生的无功功率以及非线性负载产生的畸变功率。但由于设计容量的限制，并联型有源电力滤波器用于大容量负载系统时，常常无法对线路中的谐波和无功电流进行完全补偿。为了解决这类问题，国内提出了针对并联型有源电力滤波器的补偿电流进行限幅控制，使得其能够对负载电流进行部分补偿。

目前国内针对并联型有源电力滤波器的限幅控制策略所提出的方法主要有三种：一种是直接将指令电流峰值限制在设计容量以内的截断限流控制策略；另一种是对整机输出容量成比例缩小的容量比例限流控制策略；此外还有逐次补偿谐波电流以逼近并联型有源电力滤波器容量的谐波分次补偿控制策略。截断限流策略虽然实现方法简单，但会产生新的谐波频谱分量；容量比例限流对输出容量成比例缩小的同时也削弱了并联型有源电力滤波器的补偿效果。谐波分次补偿策略几乎不会引入新的谐波，而且对滤波效果的影响也很小，因此具有明显的优势，实际应用也比较多。

目前针对于并联型有源电力滤波器谐波分次补偿控制策略的研究，主要分为两类。这两类研究在控制算法的不同主要表现在谐波检测方式有所区别。一类是利用傅里叶变换计算得到，另一类是将不同频次谐波利用多同步旋转坐标系分别变换得到相应直流量再进行检测。控制流程主要是先根据需求选择谐波补偿频次，然后用对应的PI控制器分次进行电流跟踪。这种方法能够使得谐波补偿频次可选且电流跟踪效果好。但利用傅里叶变换检测谐波时需要进行大量的计算，程序占用内存非常大；而利用多同步旋转坐标系时需要多次进行坐标变换再提取相应直流量，每次只能提取单次谐波，过程相对繁琐。此外，这些研究在指令电流跟踪方面主要都采用分散式控制，导致电流环需要多个PI控制器，系统复杂，而且随着控制器数目增多，参数难以整定，容易出现控制系统稳定性问题。

与此同时，当负载发生突变时，上述研究均无法做到对谐波补偿电流进行自适应调整。在不改变硬件条件的情况下，难以做到尽可能提高有源电力滤波器的有效利用率。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种并联型有源电力滤波器的自适应控制方法，当谐波严重且负载多变时并联型有源电力滤波器能够进行自适应控制，最大化地改善电网侧电流波形，提高有源电力滤波器的利用率。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于递归式离散傅里叶变换和二阶广义积分算法的并联型有源电力滤波器的自适应控制方法。根据并联型有源电力滤波器容量以及谐波畸变功率的公式，计算得到并联型有源电力滤波器实际已经用于补偿的容量以及待补偿的负载谐波畸变功率，进一步分析可得并联型有源电力滤波器还可以用于谐波补偿的剩余容量。通过自适应控制调整并联型有源电力滤波器的输出容量，使得其尽可能接近装置剩余容量，有效改善电网侧电流波形，提高并联型有源电力滤波器的容量利用率。

控制方法具体包括以下步骤：

计算非线性负载的各次谐波电流有效值以及并联型有源电力滤波器剩余容量；

根据非线性负载的各次谐波电流有效值和并联型有源电力滤波器剩余容量，自适应地调整待补偿的谐波电流的次数，确定各次谐波电流的补偿系数；

提取待补偿的各次谐波电流，结合所述各次谐波电流的补偿系数得到实际需要补偿的各次谐波电流；

将实际需要补偿的各次谐波电流的总和作为指令电流，并对指令电流进行集中式跟踪，使得并联型有源电力滤波器在容量受限时依然可以有效地对非线性负载进行补偿，同时并联型有源电力滤波器的输出容量能够接近其额定容量，最大化地提高有源电力器的利用率。

进一步地，并联型有源电力滤波器的容量S_APF以及非线性负载的畸变功率D用公式可以表述如下：

忽略公共耦合处的电压畸变，并联型有源电力滤波器的容量S_APF以及非线性负载的畸变功率D均可以用电流有效值进行表述。

进一步地，非线性负载的各次谐波电流有效值通过递归式离散傅里叶变换算法计算得到，能够有效减少计算量和程序内存占用。

进一步地，待补偿的谐波电流次数的优先级从低次到高次逐渐降低。

进一步地，确定各次谐波电流的补偿系数具体包括：

当并联型有源电力滤波器剩余容量可以对某次非线性负载谐波电流进行完全补偿时，畸变功率在并联型有源电力滤波器补偿范围内，此时补偿系数为1，能够对畸变功率进行完全补偿，使得电能质量符合国家标准要求；

当并联型有源电力滤波器剩余容量无法对某次谐波电流进行完全补偿，畸变功率超出了并联型有源电力滤波器的补偿范围，则需根据并联型有源电力滤波器可分配的剩余容量和该次谐波电流实际大小成比例地调整补偿系数，此时并联型有源电力滤波器能够动态调整输出电流，使得其输出容量能够逼近额定容量，尽可能减少网侧电流畸变率(THD)，提高并联型有源电力滤波器的装置利用率。

进一步地，根据并联型有源电力滤波器能够补偿的谐波次数，利用二阶广义积分器(SOGI)提取相应各次谐波电流。将提取得到的各次谐波电流结合相应补偿系数，获取待补偿的各次谐波电流指令。

进一步地，对指令电流进行集中跟踪通过PI控制和重复控制相结合的复合控制策略实现。当指令电流包含多次谐波电流时，PI控制虽然响应迅速，但是难以实现无静差跟踪。对于一个周期的、可重复的输入信号，一定具有一个周期延时正反馈环节，如果把输入信号的这一动力学模型植入控制器，构成高精度的反馈控制系统，就能够消除静态误差。而重复控制正是将这一环节纳入到闭环控制系统，从而实现对输入信号的无静差跟踪。重复控制虽然能够消除静态误差，但响应会延迟至少一个周期。将PI控制和重复控制相结合，既可以保证响应速度，又可以实现稳态无误差。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

1、本方法可以实现负载变化时的两种工况需求，一种是畸变功率在并联型有源电力滤波器补偿范围内，此时能够对畸变功率进行完全补偿，使得电能质量符合国家标准要求；另一种是畸变功率超出了并联型有源电力滤波器的补偿范围，则并联型有源电力滤波器能够动态调整输出电流，使得其输出容量能够逼近额定容量，尽可能减少网侧电流畸变率，提高并联型有源电力滤波器的装置利用率。

2、在谐波电流有效值计算方面，本发明通过采用递归式离散傅里叶变换，结果精确的同时，只需要对当前采样值进行计算，而无需对一个周期的采样点进行计算，有效减少了计算量和程序内存占用，使得该自适应方法能够在不改变现有硬件条件的情况下真正应用到实际中。

3、对于谐波电流的检测，本发明利用二阶广义积分器实现了无静差提取，该方法一次可以提取两种谐波电流，选频效果好，不需要进行大量计算，也不需要进行繁复的多次坐标变换，因此有效改善了程序冗杂程度，减少程序内存占用同时能够更精准地进行补偿。

4、对于指令电流跟踪，本发明利用PI控制和重复控制相结合的控制策略有效减少了控制器个数，提升控制系统稳定性，同时兼顾跟踪准确性和响应速度。

附图说明

图1是本发明并联型有源电力滤波器接入电力系统的结构示意图；

图2是本发明获取非线性负载谐波电流有效值的示意图；

图3是本发明获取待补偿的谐波电流次数以及系数的流程示意图；

图4(a)-(b)是本发明提取待补偿的谐波电流的结构示意图；图4(a)为提取d轴待补偿的谐波电流的结构示意图；图4(b)为提取q轴待补偿的谐波电流的结构示意图；

图5是本发明的主电路图以及控制系统整体框图；

图6(a)-(e)为完全补偿运行模式下自适应控制的仿真结果图；其中，图6(a)为A相电网电压波形图；图6(b)为A相电网电流波形图；图6(c)为A相补偿电流波形图；图6(d)为A相负载电流波形图；图6(e)为电网侧电流的FFT分析图；

图7(a)-(e)为部分补偿运行模式下自适应控制的仿真结果图；其中，图7(a)为A相电网电压波形图；图7(b)为A相电网电流波形图；图7(c)为A相补偿电流波形图；图7(d)为A相负载电流波形图；图7(e)为补偿5、7、11、13次谐波之后电网侧电流的FFT分析图；

图8为完全补偿运行模式下自适应控制的实验结果图；

图9为部分补偿运行模式下自适应控制的实验结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种并联型有源电力滤波器的自适应控制方法，当谐波严重且负载多变时并联型有源电力滤波器能够进行自适应控制，最大化地改善电网侧电流波形，提高有源电力滤波器的利用率。

控制方法具体包括以下步骤：

利用递归式离散傅里叶变换计算非线性负载的各次谐波电流有效值以及并联型有源电力滤波器剩余容量；

根据非线性负载的各次谐波电流有效值和并联型有源电力滤波器剩余容量，自适应地调整待补偿的谐波电流的次数，确定各次谐波电流的补偿系数；

利用二阶广义积分器提取待补偿的各次谐波电流，结合所述各次谐波电流的补偿系数得到实际需要补偿的各次谐波电流；

将实际需要补偿的各次谐波电流的总和作为指令电流，并利用PI控制和重复控制相结合的控制策略对指令电流进行集中式跟踪，使得并联型有源电力滤波器在容量受限时依然可以有效地对非线性负载进行补偿，同时并联型有源电力滤波器的输出容量能够接近其额定容量，最大化地提高有源电力器的利用率。

图1显示了并联型有源电力滤波器在公共耦合点(PCC)处连接的一般结构，该系统包括多个线性负荷LIN1、LIN2以及非线性负荷NIN1、NIN2。并联型有源电力滤波器主电路含有大量谐波，但由于一般认为电网电压是理想的，且补偿后电网电流近似正弦波，因此可以忽略PCC处的电压畸变。取电网电压基波有效值为U，并联型有源电力滤波器的容量计算公式表述如下：

其中，I₁为基波电流幅值；I_h为谐波电流幅值；h为谐波次数。

参照正弦电路的有功功率以及无功功率的定义，并联型有源电力滤波器的容量可以表述为：

式中：

为基波电流产生的有功功率；

为基波电流产生的无功功率；

为基波功率因数角；

为谐波电流产生的畸变功率。

忽略直流电压波动和开关损耗，即P＝0，则并联型有源电力滤波器的总容量为：

由此可见，并联型有源电力滤波器的额定容量、无功功率、谐波畸变功率最终均可通过电流的有效值来体现。因此，能否最大化地利用并联型有源电力滤波器容量，首先取决于能否尽可能精准地计算并联型有源电力滤波器实际输出电流以及非线性负载待补偿的各次谐波电流有效值。

在工业应用中，非线性负载产生的谐波次数大多是6n±1次。以典型的三相不控整流桥带阻感性负载为例，abc坐标系下的负载电流变换到dq坐标系下之后，得到表达式如下：

从上式可以看出，负载电流在dq旋转坐标系下除了直流分量外只包含6n次谐波成分。也即dq坐标系下6n次谐波电流对应abc坐标系下的6n±1次谐波电流。因此在dq坐标系下实际上可以一次性检测和计算abc坐标系下的两种谐波。相对于多同步旋转坐标系下的单次检测，这样可以有效降低谐波检测过程的繁杂程度。

工程上常用计算谐波有效值的方法是离散傅里叶变换。对角频率为ω的周期信号离散采样，假定每个周期采样点数为N，采样周期为τ，则可以用离散傅里叶变换将这个周期信号表示如下：

其中：

计算A_h、B_h，即可求出各次谐波电流的有效值：

不难发现，每次计算谐波电流有效值需要一个整周期采样的N个数据同时参与计算，计算量相当大，而且实时性不好。实际上可以采用递归式离散傅里叶变换得到各次谐波电流的有效值，并进一步得到并联型有源电力滤波器的剩余容量。具体A_h、B_h计算公式如下：

从上式可知，递归式离散傅里叶变换通过迭代算法，只需要对当前采样值进行计算，而不是对一个周期的采样点进行计算。这种方式可以有效减少计算量，提高计算的实时性。图2为递归式离散傅里叶变换的结构框图。

将计算得到的非线性负载的各次谐波电流值以及并联型有源电力滤波器剩余容量进行比较，得到能够补偿的谐波频次。对不同频次谐波的补偿系数k_6n进行调整，k_6n＝1表示该6n次谐波的补偿系数为1，也就是能够对d轴和q轴的6n次谐波电流进行完全补偿；k_6n<1表示并联型有源电力滤波器的剩余容量无法完全补偿该频次谐波指令电流，需要调整比例系数k_6n为并联型有源电力滤波器能够用于补偿该次谐波的剩余容量与该次谐波电流实际有效值的比值。该方法可以保证并联型有源电力滤波器的实际补偿容量尽可能多地逼近额定容量。图3为确定补偿频次和补偿系数的流程框图。

考虑到二阶广义积分在谐振频率处增益可以达到无穷大，具有良好的选频特性，能更精准地检测各次谐波，因此可以利用二阶广义积分器在dq坐标系下提取实际abc坐标系下的负载电流中的6n±1次谐波电流分量i_{Ld_6n}。傅里叶变换检测谐波的计算量大，这种方式则不需要计算，有效减少了程序内存占用。

d轴、q轴二阶广义积分器具体实现结构框图如图4(a)和图4(b)所示，二阶广义积分器系统传递函数为：

当λ值较小时，滤波效果会更好，但是响应速度会相对较慢；反之，λ值越大带宽越大，响应速度也会越快，但滤波效果则会有所降低。因此需要折中考虑响应速度和滤波效果，通常情况下取λ＝0.5。

通过递归式离散傅里叶变换计算各次谐波电流有效值，可以确定谐波待补偿次数和系数。在此基础之上，利用二阶广义积分提取待补偿的各次谐波。将提取得到的各次谐波分别乘以相应系数进行整定，得到实际自适应控制的指令电流。

为了改善电流分散跟踪控制造成的程序冗余，同时更好地跟踪含有多次谐波成分的指令电流，采用PI控制和重复控制相结合的控制策略对指令电流集中进行跟踪。

在PI控制和重复控制相结合的复合策略中，PI控制能保证电流跟踪的快速性，重复控制能提高补偿精度，二者结合进行控制可以提高补偿效果，改善网侧电流波形质量。

PI控制和重复控制相结合的复合策略结构如下式所示：

图5显示了基于这种控制策略的并联型有源电力滤波器的主电路图以及在dq坐标系下的控制框图。其中d轴的电流控制器除了跟踪负载电流d轴的谐波分量以外，还需要补偿有源电力滤波器自身的有功损耗以维持直流侧电压的稳定；q轴的电流控制器只需要跟踪负载电流的q轴谐波分量，实现对无功功率的补偿。

仿真验证

为了验证这种基于二阶广义积分和递归式离散傅里叶变换算法的并联型有源电力滤波器自适应控制策略，本节在MATLAB/Simulink中搭建三相并联型有源电力滤波器仿真模型，具体参数如表1所示。

表1

取三相线性负载容量为2.5kVA，功率因数为0.8，三相不控整流负载容量为3kVA，网侧电流畸变率约为30％。设定并联型有源电力滤波器的容量为3kVA，根据容量公式可以计算得到，现有并联型有源电力滤波器容量能够满足无功和谐波电流的完全补偿。

图6(a)-(e)是待补偿功率在并联型有源电力滤波器的容量范围以内的完全补偿模式仿真结果。从图中可以看出，无功功率得到有效补偿的同时谐波电流得到了有效的抑制。FFT频谱分析显示接入并联型有源电力滤波器进行补偿后电网侧电流总畸变率从13.55％下降至1.82％

取非线性负载容量为6.9kVA，网侧电流畸变率为31％，三相线性负载有功功率为3kW，动态观察功率因数从0.77变化到0.81过程中补偿结果的变化。根据容量公式计算可知，在该情况下无法实现谐波和无功的完全补偿，且随功率因数的提高，并联型有源电力滤波器的谐波补偿容量裕度逐渐增大，能够补偿的谐波次数增多。

图7(a)-(e)是并联型有源电力滤波器在完全补偿无功的情况下，根据剩余容量自适应动态补偿5、7、11、13次非线性负载谐波电流的仿真波形。

从图中可以看出，负载电流在0.3s和0.4s处分别发生突变，待补偿的无功功率降低，为补偿畸变功率留出裕量。本文采用i_p-i_q法提取的基波无功电流反映负载电流的突变状况，响应时间快，当检测到负载无功电流突变时，立刻使能本文提出的自适应谐波功率补偿算法，合理配置并联型有源电力滤波器的输出，达到其容量的最大化利用。在稳态运行过程中，可以关闭该自适应谐波功率补偿算法，减轻处理器运算负担，降低功耗。

当并联型有源电力滤波器剩余容量允许补偿非线性负载中的5/7/11/13次谐波电流时，补偿前后各次谐波电流的含有率如下表2所示。从表格中可以看出5/7/11/13次谐波电流均得到了有效地补偿。仿真结果验证了所提出的自适应控制策略能够快速计算各次谐波电流有效值，有效检测各次谐波电流，自发地调整补偿频次和补偿系数，准确跟踪指令电流，尽可能提高并联型有源电力滤波器的有效利用率。

表2

实验验证

为进一步验证所提方法，搭建了三相三线制容量为3kVA的并联型有源电力滤波器实验装置。主电路IGBT采用FS50R12KT4_B15，控制器采用TI公司的TMS320F28335DSP。

已知并联型有源电力滤波器的补偿容量为3kVA，设置无功和谐波负载的功率在其补偿范围以内，确保其能够对谐波和无功电流进行全补偿，图8显示了完全补偿模式下的实验结果。对补偿之后电网电流的网侧电流畸变率进行分析可知，三相电网电流的网侧电流畸变率均在3％以内，且各次谐波含有率基本均降至1％以下，完全达到GB/T 14549-93规定的谐波要求。

当需要补偿的谐波和无功功率超过了并联型有源电力滤波器的额定容量范围时，对其谐波输出功率进行合理地限制。图9是并联型有源电力滤波器容量仅能够补偿无功功率和5、7次谐波电流时的实验波形。实验证明，采用本文提出的算法策略可以在补偿无功功率的同时，充分发挥并联型有源电力滤波器的容量，尽可能多地补偿谐波功率，减少网侧电流畸变率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种并联型有源电力滤波器的自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

计算非线性负载的各次谐波电流有效值以及并联型有源电力滤波器的剩余容量；

根据所述非线性负载的各次谐波电流有效值和并联型有源电力滤波器剩余容量，自适应调整待补偿的谐波电流的次数，确定各次谐波电流的补偿系数；

提取待补偿的各次谐波电流，结合所述各次谐波电流的补偿系数得到实际需要补偿的各次谐波电流；

将所述实际需要补偿的各次谐波电流的总和作为指令电流，并对指令电流进行集中式跟踪控制，使得并联型有源电力滤波器在容量受限时能够有效地对非线性负载进行补偿，同时并联型有源电力滤波器的输出容量能够接近其额定容量，最大化地提高有源电力器的利用率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述并联型有源电力滤波器的容量S_APF以及非线性负载的畸变功率D用公式可以表述如下：

其中，I₁为基波电流幅值，

为基波功率因数角为基波功率因数角，I_h为谐波电流幅值，h为谐波次数；为忽略公共耦合处的电压畸变，并联型有源电力滤波器的容量S_APF以及非线性负载的畸变功率D均可以用电流有效值进行表述。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述非线性负载的各次谐波电流有效值通过递归式离散傅里叶变换算法计算得到。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待补偿的谐波电流的次数的优先级从低次到高次逐渐降低。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定各次谐波电流的补偿系数具体包括：

若并联型有源电力滤波器剩余容量可以对非线性负载某次谐波电流进行完全补偿，则其补偿系数为1；

若并联型有源电力滤波器剩余容量无法对非线性负载某次谐波电流进行完全补偿，则需根据并联型有源电力滤波器可分配的剩余容量和该次谐波电流实际大小成比例地调整补偿系数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待补偿的各次谐波电流通过二阶广义积分器提取得到。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对指令电流进行集中式跟踪控制通过PI控制和重复控制相结合的复合控制策略实现。

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