CN112636349A - 一种有源滤波器的电流控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种有源滤波器的电流控制装置及方法，包括线性自抗扰控制器和重复控制补偿回路，线性自抗扰控制器和重复控制补偿回路并联后串联无差拍电流控制器。本发明基于重复+LADRC串联无差拍电流控制器来实现目标，将重复控制引入线性自抗扰控制器，提高了谐波补偿的精度。将重复+LADRC应用到三电平APF中，增强了抗干扰能力，改善了谐波抑制效果。与无差拍控制串联可以起到控制电流更精确并且可以互补消除周期性稳态误差。本发明提高了有源电力滤波器对谐波电流的抑制效果，增强抗干扰能力且动态性能较好，可以达到对电流环精确控制的目的，且可以互补消除周期性稳态误差。

Description

一种有源滤波器的电流控制装置及方法

技术领域

本发明涉及有源滤波器谐波抑制领域，尤其是涉及一种有源滤波器的电流 控制装置及方法。

技术背景

随着电网智能化和现代化的不断发展，越来越多具有低功率因素、非线性、 不平衡特性的用电设备接入电网，使得电网中暂态冲击、高次谐波、三相不平 衡等问题日益严重。因此，对电能质量的治理势在必行。有源电力滤波器(Active power filter，APF)作为一种新型改善电能质量的装置，具有动态响应速度快， 补偿精度高、不易发生谐振等优点，引起人们的广泛关注。快速准确的检测谐 波电流，是有源电力滤波器滤波性能的前提。

发明内容

本发明的目的是提供一种有源滤波器的电流控制装置及方法，能够提高有 源电力滤波器对谐波电流的抑制效果，提高谐波补偿的精度，增强抗干扰能力 且动态性能较好，可以实现对电流环精确控制。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种有源滤波器的电流控制装置，包括线性自抗扰控制器和重复控制补偿 回路，线性自抗扰控制器和重复控制补偿回路并联后串联无差拍电流控制器。

所述线性自抗扰控制器包括线性扩张状态观测器，所述重复控制补偿回路 包括辅助补偿器Q(z)、补偿器S(z)、以及一个周期的延时环节z^-N，参考信号 在补偿器S(z)以及一个基波周期的延迟环节z^-N的共同作用下，依据重复内模 累加的结果，在下个基波周期一个合适的时刻发出控制信号，减小误差。

一种有源滤波器的电流控制装置的电流控制方法，包括以下步骤：

(1)对三电平APF的数学建模可知其状态方程，如式(1.1)

若令ω_d＝ωLi_q-u_sd，ω_q＝-ωLi_q-u_sd，则式(1.2)可变为：

由式(1.2)可知，此时三电平APF补偿电流在DP坐标系下的d、q轴分量 不在相互干扰，从而解除了耦合。从原理上看，线性自抗扰控制器是将ω_d与ω_q当 做内部扰动进行观测并进行补偿的。

(2)分别对补偿电流d、q轴分量设计线性自抗扰控制器，由于两轴在线 性自抗扰控制器的设计过程完全相同，所以下面以d轴为例进行控制器设计。 因为三电平APF等效为一个一阶系统，所以只需采用两个一阶线性自抗扰控制 器即可。

设x₁＝i_cd，则有：

令

则式(1.3)可写为：

线性扩张状态观测器(LESO)方程：

由式(1.4)可知，本发明需要一个二阶扩张状态观测器，其表达式为：

由式(1.5)可知，LESO有两个输出变量。其中，z₁跟踪系统反馈i_c，并作为控制 器的电流反馈信号；z₂被称作扰动补偿，被直接引入控制器的输出端，以便对 系统的扰动进行前馈补偿。

线性状态误差反馈控制律(LSEF)：

LSEF是一个一阶线性状态误差反馈控制律，其表达式为：

u₀＝k_p(i_c-z₁) (1.6)

所以线形自抗扰控制器总的输出为：

综上所述，线性自抗扰控制器的可调参数为：LSEF中的比例系数k_p，LESO中 的B1、B2。相比于自抗扰控制器，线性自抗扰控制器大大地降低了设计的难度。

(3)进行无差拍与线性自抗扰控制器+重复控制补偿回路控制的串联复合 控制。无差拍控制是数字系统中特有的控制方法，是由于系统下一拍的输出量 总是可以用当前时刻的输入量与系统状态变量的线性组合表示。

在复合控制系统中，无差拍控制输出电流和参考电流之间仅存在一个采样 周期的延时，可以快速地跟踪指令电流信号；而重复控制补偿回路在1/p个周 波的延迟，重复控制补偿回路的输出几乎与前一个采样周期相同，经过1/p个 周波后，重复控制才开始起到修正的作用。因此在系统突变的瞬间，无差拍控 制可以提高系统的动态性能；1/p个周波后，重复控制开始输出，保证系统的 稳态性能。

采用无差拍控制器的差分方程可以表示为：

由于系统的电感和电阻值的不确定性,因此仅采用无差拍控制的传递函数 可以修正为：

显然从上式中可以得出，系统只要满足ΔL≥-0.5(L_r-T_sΔR)时，无差拍控制稳定。

电流环的闭环传递函数为：

设

为M,令闭环传递函数的特征方程为0，只要系统 的特征根M＝0都在单位圆内，系统保持稳定。即应满足：

本发明所具有的优点和有益效果是：

重复控制理论的核心思想源自于内模原理，内模原理从本质上讲是一个反 馈控制系统，即植入外部信号的动态模型来构建一个具备很高精度的反馈控制 系统.重复控制能对交流信号进行无静差控制，但系统动态响应较差。区别于传 统的重复+PI控制方法，本发明提出线性自抗扰控制器+重复控制补偿回路与无 差拍串联电流控制方法，重复+PI控制加入状态反馈环节来进行电流解耦，增 加了系统的复杂程度与附加损耗，为此设计了重复+自抗扰控制的电流控制策 略，将电流耦合视为内部扰动来进行处理，而不必设置状态反馈环节，从而简 化了系统，同时可以增强系统的抗干扰性能。本发明基于重复+LADRC串联无差 拍电流控制器来实现目标。自抗扰控制(LADRC)具有很强的抗干扰性能，但参 数过多，控制器设计难度大，线性自抗扰控制器对其进行线性化，减少参数数 量，本发明将线性自抗扰控制应用到三电平APF。线性自抗扰控制器将包括电 流耦合在内的干扰视为综合扰动，并通过线性扩状态观测器对其进行观测，进 而对其进行补偿，具有很强的鲁棒性，但相比于自抗扰控制补偿精度降低。为 此，将重复控制引入线性自抗扰控制器，提高了谐波补偿的精度。将重复+LADRC 应用到三电平APF中，增强了抗干扰能力，改善了谐波抑制效果。与无差拍控 制串联可以起到控制电流更精确并且可以互补消除周期性稳态误差。本发明极 大的增强了抗干扰能力，提高了有源电力滤波器对谐波电流的抑制效果，且拥 有较好的动态性能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述：

图1为本发明有源滤波器的电流控制装置结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种有源滤波器的电流控制装置，包括线性自抗扰控 制器LADRC和重复控制补偿回路RC，线性自抗扰控制器LADRC和重复控制补偿 回路RC并联后串联无差拍电流控制器。所述线性自抗扰控制器包括线性扩张状 态观测器LESO，采用线性状态误差反馈控制律LSEF。

所述重复控制补偿回RC路包括辅助补偿器Q(z)、补偿器S(z)、以及一个 周期的延时环节z^-N，参考信号在补偿器S(z)以及一个基波周期的延迟环节z^-N的共同作用下，依据重复内模累加的结果，能够在下个基波周期一个合适的时 刻发出控制信号，实现减小误差的目的。其中N是一个周期的采样点数量。所 述线性自抗扰控制器被应用到三电平APF中。RC与LADRC并联，此时，控制器 的输出不在只是线性自抗扰器输出，而是线性自抗扰控制器与重复控制器输出 的叠加，提高了控制器精度。同时，自抗扰控制算法可将补偿电流在d、q轴的电流分量之间的耦合当做内部扰动来处理，省去了单纯采用重复控制APF所 需的电流解耦环节，简化了整个控制系统。重复控制补偿回路+线性自抗扰控制 器控制结合了重复控制与线性自抗扰控制的优点，能够保证系统的动态性能和 静态性能。

如图1所示，所述的一种有源滤波器的电流控制装置的电流控制方法，包 括以下步骤：

(1)对三电平APF的数学建模可知其状态方程，如式(1.1)

若令ω_d＝ωLi_q-u_sd，ω_q＝-ωLi_q-u_sd，则式(1.2)可变为：

由式(1.2)可知，此时三电平APF补偿电流在DP坐标系下的d、q轴分量 不在相互干扰，从而解除了耦合。从原理上看，线性自抗扰控制器是将ω_d与ω_q当 做内部扰动进行观测并进行补偿的。

(2)分别对补偿电流d、q轴分量设计线性自抗扰控制器，由于两轴在线 性自抗扰控制器的设计过程完全相同，所以下面以d轴为例进行控制器设计。 因为三电平APF等效为一个一阶系统，所以只需采用两个一阶线性自抗扰控制 器即可。

设x₁＝i_cd，则有：

令

则式(1.3)可写为：

线性扩张状态观测器(LESO)方程:

由式(1.4)可知，本发明需要一个二阶扩张状态观测器，其表达式为：

由式(1.5)可知，LESO有两个输出变量。其中，z₁跟踪系统反馈i_c，并作为控制 器的电流反馈信号；z₂被称作扰动补偿，被直接引入控制器的输出端，以便对 系统的扰动进行前馈补偿。

线性状态误差反馈控制律(LSEF)：

LSEF是一个一阶线性状态误差反馈控制律，其表达式为：

u₀＝k_p(i_c-z₁)(1.6)

所以线形自抗扰控制器总的输出为：

综上所述，线性自抗扰控制器的可调参数为：LSEF中的比例系数k_p，LESO中 的B1、B2。相比于自抗扰控制器，线性自抗扰控制器大大地降低了设计的难度。

(3)进行无差拍与线性自抗扰控制器+重复控制补偿回路的串联复合控制。 无差拍控制是数字系统中特有的控制方法，是由于系统下一拍的输出量总是可 以用当前时刻的输入量与系统状态变量的线性组合表示。

在复合控制系统中，无差拍控制输出电流和参考电流之间仅存在一个采样 周期的延时，可以快速地跟踪指令电流信号；而重复控制补偿回路在1/p个周 波的延迟，重复控制补偿回路输出几乎与前一个采样周期相同，经过1/p个周 波后，重复控制才开始起到修正的作用。因此在系统突变的瞬间，无差拍控制 可以提高系统的动态性能；1/p个周波后，重复控制开始输出，保证系统的稳 态性能。

采用无差拍控制器的差分方程可以表示为：

由于系统的电感和电阻值的不确定性,因此仅采用无差拍控制的传递函数 可以修正为：

显然从上式中可以得出，系统只要满足ΔL≥-0.5(L_r-T_sΔR)时，无差拍控制稳定。

电流环的闭环传递函数为：

设

为M,令闭环传递函数的特征方程为0，只要系统 的特征根M＝0都在单位圆内，系统保持稳定。即应满足：

本发明可以控制电流更精确并且可以互补消除周期性稳态误差。

Claims (3)

1.一种有源滤波器的电流控制装置，其特征在于：包括线性自抗扰控制器和重复控制补偿回路，线性自抗扰控制器和重复控制补偿回路并联后串联无差拍电流控制器。

2.根据权利要求1所述的一种有源滤波器的电流控制装置，其特征在于：

所述线性自抗扰控制器包括线性扩张状态观测器，所述重复控制补偿回路包括辅助补偿器Q(z)、补偿器S(z)、以及一个周期的延时环节z^-N，参考信号在补偿器S(z)以及一个基波周期的延迟环节z^-N的共同作用下，依据重复内模累加的结果，在下个基波周期一个合适的时刻发出控制信号，减小误差。

3.根据权利要求1或2所述的一种有源滤波器的电流控制装置的电流控制方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对三电平APF的数学建模可知其状态方程，如式(1.1)

若令ω_d＝ωLi_q-u_sd，ω_q＝-ωLi_q-u_sd，则式(1.2)可变为：

由式(1.2)可知，此时三电平APF补偿电流在DP坐标系下的d、q轴分量不在相互干扰，从而解除了耦合；从原理上看，线性自抗扰控制器是将ω_d与ω_q当做内部扰动进行观测并进行补偿的；

(2)分别对补偿电流d、q轴分量设计线性自抗扰控制器，由于两轴在线性自抗扰控制器的设计过程完全相同，所以下面以d轴为例进行控制器设计；因为三电平APF等效为一个一阶系统，所以只需采用两个一阶线性自抗扰控制器即可；

设x₁＝i_cd，则有：

令

则式(1.3)可写为：

线性扩张状态观测器(LESO)方程：

由式(1.4)可知，本发明需要一个二阶扩张状态观测器，其表达式为：

由式(1.5)可知，LESO有两个输出变量：其中，z₁跟踪系统反馈i_c，并作为控制器的电流反馈信号；z₂被称作扰动补偿，被直接引入控制器的输出端，以便对系统的扰动进行前馈补偿；

线性状态误差反馈控制律(LSEF)：

LSEF是一个一阶线性状态误差反馈控制律，其表达式为：

u₀＝k_p(i_c-z₁) (1.6)

所以线性自抗扰控制器总的输出为：

(3)进行无差拍与线性自抗扰控制器+重复控制补偿回路控制的串联复合控制：无差拍控制是由于系统下一拍的输出量总是可以用当前时刻的输入量与系统状态变量的线性组合表示；

采用无差拍控制器的差分方程可以表示为：

由于系统的电感和电阻值的不确定性,因此仅采用无差拍控制的传递函数可以修正为：

显然从上式中可以得出，系统只要满足ΔL≥-0.5(L_r-T_sΔR)时，无差拍控制稳定；

电流环的闭环传递函数为：

设

为M,令闭环传递函数的特征方程为0，只要系统的特征根M＝0都在单位圆内，系统保持稳定；即应满足：

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