CN113964837A - 适用于lcl型并联有源电力滤波器的复合控制方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制方法和系统。本发明对传统的单闭环复合控制策略进行改进，在不增加成本的前提下通过检测电网侧电感电流和逆变侧电感电流提高控制精度和控制系统的响应速度。本发明提供的方法可使LCL型并联有源电力滤波器以最大速率调节响应抑制谐波电流。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合控制方法，特别是涉及一种适用于LCL型并联有源电力滤波器谐波补偿性能优化的复合控制方法。
背景技术
近些年，电力电子装置广泛的应用在可再生能源系统、智能微电网系统和分布式电源的并网运行中，提高了电能的使用效率和电力系统运行的经济效益。然而，非线性电力电子设备的大规模应用，使电网的谐波污染问题日益严重，这增加了电能的传输损耗，降低了供电质量，缩短了电力设备的寿命，不利于电网的稳定运行。并联有源电力滤波器可以实时追踪、主动补偿负载中的谐波分量，效果显著。随着电力电子设备成本的不断下探，并联有源电力滤波器逐渐成为治理谐波污染的主要手段。相较于传统单电感输出滤波的方式，采用LCL滤波的并联有源电力滤波器的电感更小、高频滤波效果更优，在减小装置体积和重量的同时，具备更高的工程应用价值。
补偿电流控制策略设计是并联有源电力滤波器的关键研究问题。传统的PI控制由于具有结构简单、运行可靠、设计难度低、稳定性优越等特点，被广泛应用于不同的控制领域。但并联有源电力滤波器的给定指令电流以及输出电流的频谱范围宽，包含较多的高次谐波。当采用传统的PI控制时，输出电流的相位滞后于给定指令电流，同时二者的幅值也有偏差，不能实现对给定信号和输出电流的稳态无静差的控制要求。相比于传统的PI控制策略，无差拍控制策略的控制带宽更广，对包含高次谐波的宽频谱给定信号有较好的控制精度。然而，无差拍控制策略对电路模型参数的准确度有较高的要求，在并联有源电力滤波器的工业运行中，实际电路参数的不可控变化将极大的影响补偿精度。重复控制能够实现对宽频带周期信号的积分跟踪，对渐稳闭环系统有较高的控制精度，然而单纯采用重复控制的控制系统的动态响应时间长。采用单一的控制策略，如PI控制、无差拍控制、重复控制，难以满足在快速动态响应下对不同频率给定信号的无静差追踪。
发明内容
本发明的目的是在原有的LCL型并联有源电力滤波器复合控制方法的基础上，在保持传统PI控制稳定性高、参数设计简单和重复控制稳态无静差、高控制精度的优势的前提下，提出一种对网侧电感电流和逆变侧电感电流的双闭环复合控制策略。
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
一方面，本发明提供适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制方法，其中LCL型并联有源电力滤波器包括LCL型滤波器和三相变流器，所述方法包括：
基于电网电压、负载电流、网侧三相电感电流和LCL型并联有源电力滤波器逆变侧电感电流，分别确定负载谐波电流的q轴分量、网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流和逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流；
将负载谐波电流的q轴分量和网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差，获得网侧电流外环控制的差值信号；
对所述网侧电流外环控制的差值信号经过重复控制，得到重复控制的输出信号，将网侧电流外环控制的差值信号和重复控制的输出信号相加得到PI控制的输入信号，将PI控制的输入信号经过比例积分环节得到网侧电流外环控制的输出信号；
将网侧电流外环控制的输出信号和所述逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差得到逆变侧电流内环控制的差值信号，将逆变侧电流内环控制的差值信号经过比例控制环节得到逆变侧电流内环控制的输出信号；
将变侧电流内环控制的输出信号与电网电压us的前馈信号比较后生成驱动信号，控制变流器开关器件的通断。
另一方面，本发明提供一种适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制系统，其中并联有源电力滤波器包括：LCL型滤波器和三相变流器，所述复合控制系统包括：参数确定模块、网侧电流外环控制单元、逆变侧电流内环控制单元和驱动信号生成模块；
所述参数确定模块，用于基于电网电压、负载电流、网侧三相电感电流和LCL型并联有源电力滤波器逆变侧电感电流，分别确定负载谐波电流的q轴分量、网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流和逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流；
将负载谐波电流的q轴分量和网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差，获得网侧电流外环控制的差值信号；
所述网侧电流外环控制单元，用于对所述网侧电流外环控制的差值信号经过重复控制模块，得到重复控制的输出信号，将网侧电流外环控制的差值信号和重复控制的输出信号相加得到PI控制的输入信号，将PI控制的输入信号经过比例积分环节得到网侧电流外环控制的输出信号；
所述逆变侧电流内环控制单元，用于将网侧电流外环控制的输出信号和所述逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差得到逆变侧电流内环控制的差值信号，将逆变侧电流内环控制的差值信号经过比例控制环节得到逆变侧电流内环控制的输出信号；
所述驱动信号生成模块，用于将变侧电流内环控制的输出信号与电网电压的前馈信号比较后生成驱动信号，控制变流器开关器件的通断。
本发明的优势在于：
(1)补偿精度高，动态性能好。本发明对LCL型并联有源电力滤波器的网侧电感电流和逆变侧电感电流采用双闭环控制，电流外环采用重复控制和PI控制相结合的复合控制方案，电流内环采用比例控制方案，大大的提高了系统的补偿精度和动态性能。
(2)电路拓扑兼容性高，电路参数宽容度高。本发明适用于任一采用LCL型滤波的逆变电路拓扑，同时，相较于其它形式的复合控制，采用重复控制和PI控制复合的控制策略，对实际电路参数变化的宽容度更高，更适合工程实际应用。
附图说明
图1为本发明实施例的方框图；
图2为本发明实施例中全桥LCL型并联三相有源电力滤波器的电路原理图；
图3为三相中点钳位式LCL型并联三相有源电力滤波器的电路原理图；
图4为本发明实施例中全桥LCL型并联三相有源电力滤波器在电网电流畸变严重时采用本发明前后电网电流波形的仿真图；其中4(a)为补偿前电网电流波形的仿真图，4(b)为现有技术中采用单PI控制的电网电流波形的仿真图；4(c)为采用本发明提供的复合控制方法后电网电流波形的仿真图；
图5为本发明实施例中全桥LCL型并联有源电力滤波器的动态补偿效果的仿真图；其中5(a)为补偿前电网电流波形和采用单重复控制后的电网电流波形的仿真对比图；5(b)为补偿前电网电流波形和采用本发明提供的复合控制方法后电网电流波形的仿真对比图；
图6为本发明实施例中全桥LCL型并联有源电力滤波器的输出电流动态响应波形的仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。本实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于本实施例。
实施例1：
参照图2，对全桥并联LCL型三相有源电力滤波器应用本发明。所述全桥并联LCL型三相有源电力滤波器是并联LCL型三相有源电力滤波器的一种，包括LCL型滤波器和三相变流器，可选地，三相变流器为二极管钳位型三电平变流器或者全桥变流器。图2所示变流器由三相全桥变流器构成。
本发明LCL型并联有源电力滤波器谐波补偿性能优化的复合控制方法步骤如下：
(1)对负载电流iload、网侧三相电感电流iL_grid、LCL型并联有源电力滤波器逆变侧电感电流iL_conv和电网电压us分别进行采样；
(2)依据步骤(1)得到的电网电压us，根据锁相环算法PLL，得到电网电压的相位信息θ；
(3)根据步骤(1)中得到的负载电流iload和步骤(2)中得到的电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，将负载电流iload由三相静止坐标系变为两相旋转坐标系，得到负载电流在两相旋转坐标系下的电流值iload_dq；
(4)步骤(3)中得到的负载电流在两相旋转坐标系下的电流值iload_dq经过零阶保持器和低通滤波器后得到负载电流的低频分量
(5)对步骤(4)中得到的负载电流的低频分量
进行dq-abc变化，得到负载电流在三相静止坐标系下的低频分量
(6)将步骤(5)得到的负载电流在三相静止坐标系下的低频分量
和步骤(1)得到的负载电流iload作差，得到负载电流的高次谐波分量Δiload，并根据步骤(2)中得到的电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，得到负载谐波电流的q轴分量Δiload_q；
(7)对步骤(1)得到的网侧三相电感电流iL_grid和步骤(2)中得到的电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，得到的网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流iq_grid；
(8)将步骤(6)得到的负载谐波电流的q轴分量Δiload_q和步骤(7)得到的网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流iq_grid作差、得到网侧电流外环控制的差值信号ΔiL_grid：
ΔiL_grid＝Δiload_q-iq_grid
(9)对步骤(8)得到的网侧电流外环控制的差值信号ΔiL_grid进行重复控制和PI控制，得到网侧电流外环控制的输出信号
(a)重复控制由补偿环节、积分环节和周期延迟环节构成；
(b)差值信号ΔiL_grid经过由补偿环节构成的正反馈环节后，通过延时环节和积分环节后，得到重复控制的输出信号为ΔiPR_grid；
(c)步骤(8)得到的网侧电流外环控制的差值信号ΔiL_grid和(b)得到的重复控制的输出信号ΔiPR_grid相加，得到PI控制的输入信号ΔiPI_grid：
ΔiPI_grid＝ΔiL_grid+ΔiPR_grid
(d)步骤(c)得到的PI控制的输入信号ΔiPI_grid通过比例积分环节后，得到PI控制的输出信号
(10)将步骤(1)得到的LCL型并联有源电力滤波器逆变侧电感电流iL_conv和步骤(2)中得到的电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，将逆变侧电流iL_conv由三相静止坐标系变为两相旋转坐标系，得到逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流iq_conv；
(11)将步骤(9)得到的网侧电流外环控制的输出信号
和步骤(10)得到的逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流iq_conv作差，得到逆变侧电流内环控制的差值信号ΔiPI_conv：
(12)逆变侧电流内环控制的差值信号ΔiPI_conv经过比例控制环节后与步骤(1)得到的电网电压us的前馈信号比较后生成驱动信号，控制全桥变流器三个桥臂开关器件的通断。
参照图4，为本发明实施例中全桥LCL型并联有源电力滤波器在电网电流畸变严重时采用本发明前后电网电流波形的仿真图。如图4(a)所示，补偿前电网电流的总谐波畸变率达到24.6％；如图4(b)所示，采用PI控制补偿后，总谐波畸变率降到5.8％；如图4(c)所示，采用本发明后，电网电流呈现完美的正弦波形，总谐波畸变率为1％。
参照图5，为本发明实施例中全桥LCL型并联有源电力滤波器的动态补偿效果的仿真图。如图5(a)和图5(b)所示，在0.12s时给定启动补偿信号，采用本发明的全桥LCL型并联有源电力滤波器立即开始输出谐波电流，响应速度很快，一个电网周期后的补偿率达到90％以上。
参照图6，为本发明实施例中全桥LCL型并联有源电力滤波器的输出电流动态响应波形的仿真图。采用本发明的全桥LCL型并联有源电力滤波器的电流阶跃响应时间在4ms左右，动态响应速度快。
实施例2：与实施例1提供的适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制方法相对应地，本实施例提供了适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制系统，所述LCL型并联有源电力滤波器包括LCL型滤波器和三相变流器，其特征在于，所述系统包括：参数确定模块、网侧电流外环控制单元、逆变侧电流内环控制单元和驱动信号生成模块；
所述参数确定模块，用于基于电网电压、负载电流、网侧三相电感电流和LCL型并联有源电力滤波器逆变侧电感电流，分别确定负载谐波电流的q轴分量、网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流和逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流；
将负载谐波电流的q轴分量和网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差，获得网侧电流外环控制的差值信号；
所述网侧电流外环控制单元，用于对所述网侧电流外环控制的差值信号经过重复控制模块，得到重复控制的输出信号，将网侧电流外环控制的差值信号和重复控制的输出信号相加得到PI控制的输入信号，将PI控制的输入信号经过比例积分环节得到网侧电流外环控制的输出信号；
所述逆变侧电流内环控制单元，用于将网侧电流外环控制的输出信号和所述逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差得到逆变侧电流内环控制的差值信号，将逆变侧电流内环控制的差值信号经过比例控制环节得到逆变侧电流内环控制的输出信号；
所述驱动信号生成模块，用于将变侧电流内环控制的输出信号与电网电压的前馈信号比较后生成驱动信号，控制变流器开关器件的通断。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，模块/单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (8)
1.适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制方法，所述LCL型并联有源电力滤波器包括LCL型滤波器和三相变流器，其特征在于包括：基于电网电压、负载电流、网侧三相电感电流和LCL型并联有源电力滤波器逆变侧电感电流，分别确定负载谐波电流的q轴分量、网侧三相电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流和逆变侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流；
将负载谐波电流的q轴分量和网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差，获得网侧电流外环控制的差值信号；
对所述网侧电流外环控制的差值信号经过重复控制，得到重复控制的输出信号，将网侧电流外环控制的差值信号和重复控制的输出信号相加得到PI控制的输入信号，将PI控制的输入信号经过比例积分环节得到网侧电流外环控制的输出信号；
将网侧电流外环控制的输出信号和所述逆变侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差得到逆变侧电流内环控制的差值信号，将逆变侧电流内环控制的差值信号经过比例控制环节得到逆变侧电流内环控制的输出信号；
将变侧电流内环控制的输出信号与电网电压的前馈信号比较后生成驱动信号，控制变流器开关器件的通断。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：所述三相变流器为二极管钳位型三电平变流器或者全桥变流器。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定负载谐波电流的q轴分量，包括：
基于电网电压，根据锁相环算法，得到电网电压的相位信息θ；
根据负载电流iload和电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，将负载电流iload由三相静止坐标系变为两相旋转坐标系，得到负载电流在两相旋转坐标系下的电流值iload_dq；
将得到的负载电流在两相旋转坐标系下的电流值iload_dq经过零阶保持器和低通滤波器后得到负载电流的低频分量
将得到的负载电流的低频分量
进行dq-abc变化，得到负载电流在三相静止坐标系下的低频分量
将得到的负载电流在三相静止坐标系下的低频分量
和负载电流iload作差，得到负载电流的高次谐波分量Δiload，并根据电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，得到负载谐波电流的q轴分量Δiload_q。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重复控制包括补偿环节构成的正反馈环节，以及依次设置的延时环节和积分环节。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定网侧三相电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流，包括：
基于电网电压，根据锁相环算法，得到电网电压的相位信息θ；
根据网侧三相电感电流iL_grid和电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，得到的网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流iq_grid。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定逆变侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流，包括：
基于电网电压，根据锁相环算法，得到电网电压的相位信息θ；
逆变侧电感电流iL_conv和电网电压的相位信息θ进行abc-dq变换，将逆变侧电感电流iL_conv由三相静止坐标系变为两相旋转坐标系，得到逆变侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流iq_conv。
7.适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制系统，所述LCL型并联有源电力滤波器包括LCL型滤波器和三相变流器，其特征在于，所述系统包括：参数确定模块、网侧电流外环控制单元、逆变侧电流内环控制单元和驱动信号生成模块；
所述参数确定模块，用于基于电网电压、负载电流、网侧三相电感电流和LCL型并联有源电力滤波器逆变侧电感电流，分别确定负载谐波电流的q轴分量、网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流和逆变侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流；
将负载谐波电流的q轴分量和网侧电感电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差，获得网侧电流外环控制的差值信号；
所述网侧电流外环控制单元，用于对所述网侧电流外环控制的差值信号经过重复控制模块，得到重复控制的输出信号，将网侧电流外环控制的差值信号和重复控制的输出信号相加得到PI控制的输入信号，将PI控制的输入信号经过比例积分环节得到网侧电流外环控制的输出信号；
所述逆变侧电流内环控制单元，用于将网侧电流外环控制的输出信号和所述逆变侧电流在两相旋转坐标系中的q轴电流作差得到逆变侧电流内环控制的差值信号，将逆变侧电流内环控制的差值信号经过比例控制环节得到逆变侧电流内环控制的输出信号；
所述驱动信号生成模块，用于将变侧电流内环控制的输出信号与电网电压的前馈信号比较后生成驱动信号，控制变流器开关器件的通断。
8.根据权利要求7所述的适用于LCL型并联有源电力滤波器的复合控制系统，其特征在于，重复控制模块包括补偿环节、延时环节和积分环节，所述补偿环节作为正反馈环节。
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