CN112994004A

CN112994004A - 一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略

Info

Publication number: CN112994004A
Application number: CN202011580570.4A
Authority: CN
Inventors: 杜夏冰; 赵成勇; 杨勇平
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2021-06-18

Abstract

本发明涉及一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，以应用于高压直流输电的混合型有源滤波器作为研究对象，属于一种新型的谐振抑制方法。但混合型有源滤波器阻抗特性复杂，容易产生谐振风险，此外，由于计算延时和采样延时，混合型有源滤波器可能呈现负阻抗特性，极大的危害交直流系统的稳定性。因此本发明通过建立阻抗模型，分析了数字延时对系统稳定性的影响，设计了一种基于最小均方算法的自适应谐振抑制策略，采用前馈补偿的设计思路，利用预测下一时刻的波形来消除控制延时带来的相位滞后，不仅可以改善滤波器的阻抗特性，而且能自适应调整预测矩阵，使其可应用于工况以及电路参数变化的情况。

Description

一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略

技术领域

本发明涉及一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，属于系统稳定性、电力电子器件的应用领域。

背景技术

混合型有源滤波器作为抑制谐波污染的一种手段，以其优越的性能得到了广泛的关注。采用基于级联H桥型有源滤波器可以在有限的器件容量下实现有源滤波器补偿容量的自由扩展，可以应用于高压直流输电工程。但是，从交流侧看，有源滤波器可以认为是一个有复杂内阻特性的电压源，且换流站母线上还接有无功补偿电容器，因此其交流母线耦合点处的阻抗特性复杂，容易产生谐振风险，极大地危害交流系统和直流系统的稳定性。目前，关于抑制电力电子器件在系统中引起的谐振的方法有很多，如增加系统阻尼、改变谐振点、阻抗改造等，但较少考虑控制延时引起混合型有源滤波器和系统谐振的问题，事实上，有源滤波器的控制对实时性的要求很高，由于可控器件死区效应的存在以及系统采用数字化控制，控制延时不可忽略。因此，研究考虑控制延时的谐振抑制策略具有十分重要的意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略。

本发明的目的在于提出一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，可以避免应用于高压场合的混合型有源滤波器呈现负阻抗特性，从而解决其和系统的谐振问题。

本发明所采用的技术方案是：混合型有源滤波器拓扑采用无源和有源滤波器串联结构，其中无源滤波器采用12次和24次单调谐滤波器并联，有源滤波器基于级联H桥结构，可通过增加级联子模块数来实现高压大功率输出。谐波检测环节采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，即i_p-i_q法；谐波电流补偿环节采用多个并联的准比例谐振控制器。首先，通过建立滤波器阻抗模型，得到滤波器等效阻抗和频率特性，可初步判断系统在某一延时下是否会发生谐振。其次进行谐振机理分析，采用线性化小信号模型分析系统特性，两个交互系统的稳定条件为阻抗比满足奈奎斯特稳定判据。滤波器的控制延时导致滤波器的阻抗特性发生改变，从而使系统存在谐振风险。最后，通过设计一种前馈补偿的方法，利用预测下一时刻的波形来消除控制延时带来的相位滞后，提出了基于最小均方算法的谐振抑制策略。其预测过程如下：

步骤1：获取当前时刻的输入变量以及上一时刻的预测值，计算误差向量；

e(k)＝y^*(k)-x(k)

步骤2：更新预测系数矩阵；

P(k)＝P(k-1)+2μe(k)x^T(k)

步骤3：利用预测矩阵和当前的输入变量，得到下一时刻的预测值；

y*(k+1)＝P(k)x(k)

步骤4：重复步骤1、2、3，不断迭代，最速下降法使得预测误差趋向极小值。

与现有技术相比，本发明具有的优势为：

1)建立了包含实际控制延时环节的HAPF阻抗模型，分析了滤波器阻抗及电网阻抗的频率特性，得到了控制延时与混合有源滤波系统的谐振规律。

2)基于最小均方算法的自适应谐振抑制策略不需要信号的统计特征且计算复杂度低，通过预测电流波形，等效补偿了控制延时，从而消除了滤波器的负阻抗特性。该方法在一个周期内有效地抑制了谐振，并且能自适应调整预测矩阵，使其适用于电路参数变化以及发生电容器投切的情况，具有良好的稳态和动态性能。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1示出了一种考虑控制延时的混合型有源滤波器的控制结构框图，包括谐波检测、谐波电流控制、无源滤波器和延时环节；

图2示出了两个交互系统的等效电路图。

图3示出了混合型有源滤波器存在控制延时的详细控制过程。

图4示出了基于最小均方算法的谐振抑制策略的具体流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

一种考虑控制延时的混合型有源滤波器的控制结构框图如图1所示，包括谐波检测、谐波电流控制、无源滤波器和延时环节。根据控制框图建立HAPF的频域模型：

式中，Gs(s)、G_A(s)、G_HPF(s)、G_T(s)和G_LC(s)分别代表交流系统导纳、准比例谐振控制、高通滤波器、延时环节和无源滤波器的传递函数。

由此，可得HAPF等效阻抗Z_HAPF(s)为：

图2是两个交互系统等效电路图，两个交互系统的稳定条件为阻抗比满足奈奎斯特稳定判据。

图3为混合型有源滤波器信号处理流程图，图中各个环节都给APF引入延时，以下做具体分析。

数字化控制的特点是控制指令每隔一定的周期更新一次，控制指令的更新周期大于等于系统的采样周期，从当前周期更改了控制指令的时刻开始，到下一个周期更改控制指令之前，系统的控制信号保持不变，并不是跟随控制对象的变化而变化，因此，数字化控制器控制信号的离散化是产生系统延时的重要原因。信号处理阶段延时是指微处理器完成计算任务所需要的时间，主要与谐波电流检测算法、控制算法及处理器的速度有关。主电路中开关器件的死区效应会引入比较大的延时，并且由于固有的关断和导通时间，也会存在一定的延时，控制器的调制波输出环节的最小延时大概是100μs以上。综合分析，有源滤波器在实际工程中的延时是有可能达到200μs以上。

图4为基于最小均方算法的谐振抑制策略的具体流程图。已知补偿电流i_F存在相位滞后，因此在原控制系统的基础上，引入基于最小均方算法的预测环节。选择补偿电流作为预测输出，使预测后的补偿电流i_F ^*的相位超前于原补偿电流i_F。为保证预测效果，预测环节选取的输入量应与输出量有较强的相关性。输入、输出量表示如下：

代入最小均方算法，得到：

P(k)＝P(k-1)+2μe(k)[u_C12(k),u_C24(k),i_L12(k),i_F(k),u′_F(k)]

在每次控制周期中，输出量通过反馈环节计算滤波器的调制信号，改变滤波器出口电压，每次迭代，次数k增加1次。由当前时刻的输出值预测下一周期的输入值，即预测值构成的电流波形相位超前实际波形一个控制周期。

要想滤波器预测模块稳定启动，并经过迭代后，预测系数矩阵能收敛到精确值，需要确定初始预测矩阵。为此建立微分方程如下：

将上述方程整理成状态方程并离散化，得初始矩阵：

式中：ω₁和ω₂分别表示12/24次无源滤波器的谐振角频率。

可知，初始预测矩阵和电路参数紧密相关，在迭代过程中，不断通过采样值修正预测矩阵，因此，即使实际参数有偏差，算法也能收敛到适应系统的值，具有一定的自适应性。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims

1.一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，其特征在于：以应用于高压直流输电的混合型有源滤波器作为研究对象，其具有动态跟踪负载谐波电流和无功补偿电流的特点，具有良好的滤波和动态无功补偿效果。但有由于计算延时和调制环节的采样延时的存在，将可能使混合型有源滤波器呈现负阻抗特性，极大的危害交流系统和直流系统的稳定性。谐振抑制策略通过预测电流波形，可以等效缩短延时，提高系统稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，其特征在于：混合型有源滤波器由无源滤波器串联有源滤波器构成，其无源滤波器的组成结构为12次和24次单调谐滤波器并联，无源滤波器具有一定的调谐带宽，可以给11、13、23、25次谐波电流提供低阻抗通路。有源滤波器基于级联H桥结构，可通过增加级联子模块数来实现高压大功率输出。

3.根据权利要求1所述的一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，其特征在于：其控制单元由电流互感器、谐波检测、谐波和无功电流控制以及调制环节组成。在高压场合下，由于可控器件的死区效应和数字化控制给滤波器的控制过程引入较大的控制延时，目前的逆变器采样频率通常在6.4～20kHz之间，对应的实际控制延时约为1.5倍采样周期，较大的控制延时导致混合型有源滤波器呈现负阻抗特性，导致高频谐振风险。

4.根据权利要求1所述的一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，其特征在于：通过电路等效变换，得到的2个交互系统等效电路图，采用线性化小信号模型分析系统特性。根据奈奎斯特稳定判据，可以判断系统是否发生谐振，以及得到在不同延时下系统的稳定裕度。

5.根据权利要求1所述的一种考虑控制延时的混合型有源滤波器谐振抑制策略，其特征在于：谐振抑制策略基于最小均方算法，其在预测过程中不需要大量历史数据或数据的统计特性，具有原理简单、计算复杂度低，可在预测过程中修正滤波参数，使之与实际系统自动匹配等优点。为保证预测效果，预测环节选取的输入量应与输出量有较强的相关性。在迭代过程中，不断通过采样值修正预测矩阵，因此，即使实际参数有偏差，算法也能收敛到适应系统的值，具有自适应性。