CN114825363A - 一种lcl型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法 - Google Patents

一种lcl型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，包括逆变器侧电流有源阻尼优化控制和电网电压有源阻尼优化控制。本发明的有益效果是：本发明采用基于级联谐振控制器的逆变器侧电流有源阻尼优化控制，获得了接近奈奎斯特频率的宽有源阻尼边界，并具备对基波电流分量的准确调节能力，从而保证电网阻抗大范围波动时系统的稳定运行。此外，本发明还采用基于加权比例降阶广义积分器的电网电压有源阻尼优化控制，解决了有源电力滤波器谐波控制单元由于大电网阻抗时相位裕量减小带来的潜在失稳风险。综上，本发明有效提升了LCL型有源电力滤波器的弱网适应性。

Description

一种LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法
技术领域
本发明涉及并网优化控制领域，更确切地说，它涉及一种ICL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法。
背景技术
随着全球环境的恶化和化石能源的枯竭，经济环保型发电方式得到快速发展。大量分布式发电系统接入电网，非线性电力电子装置占比日益提高，使得供电系统的电能质量逐渐恶化。LCL型有源电力滤波器是一种改善用户所用电能、使用户满意的典型电能质量治理设备，其在抑制谐波污染、降低电路损耗、确保用电设备的安全可靠运行等方面作用明显。
传统的LCL型有源电力滤波器电流控制策略除包含谐波电流控制外，通常会引入额外的有源阻尼控制和电网电压前馈控制，分别用于抑制LCL滤波器谐振和启动电流冲击，但该电流控制策略一般仅考虑工作于强网工况。现代电网因电力电子化程度加深而呈现出愈加明显的弱网特性，此时设备接入点处存在难以忽略的等效电网阻抗，并会随供电系统运行方式及用电负荷的变化而发生大范围波动。在该弱网工况下，传统的有源电力滤波器电流控制策略由于有源阻尼边界较窄、相位裕量随电网阻抗增加而减小等特性，在电网阻抗大范围波动或大电网阻抗时难以保证系统稳定运行，从而导致其弱网适应性较差。
现阶段，已对有源电力滤波器的优化控制开展了较为充分的研究，通常采用减小数字控制延迟或在电网电压前馈回路中消除电网阻抗分量的思想来改善系统性能。但现有减少数字控制延迟的优化控制难以得到接近奈奎斯特频率的宽有源阻尼边界。同时，现有消除电网阻抗分量的优化控制通常需要实时估算电网阻抗，其优化效果十分依赖电网阻抗的估算精度。此外，现有研究中往往仅关注单一优化控制，很少考虑有源电力滤波器电流控制策略的综合优化，从而造成对系统弱网适应性的提升效果较为有限。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供了一种LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，用于提高LCL型有源电力滤波器的弱网适应性，所述技术方案如下：
步骤1、进行逆变器侧电流有源阻尼优化控制；所述逆变器侧电流有源阻尼优化控制采用级联谐振控制器来构成逆变器侧电流反馈控制；
步骤2、进行电网电压有源阻尼优化控制；所述电网电压有源阻尼优化控制采用加权比例降阶广义积分器来构成电网电压前馈控制。
作为优选，步骤1中，所述级联谐振控制器由相位补偿谐振单元和基波谐振单元并联组成，所述级联谐振控制器的连续域表达式为：
Figure BDA0003592763710000021
其中，s为表征频域信息的复变量；Kd、
Figure BDA0003592763710000022
τd、ωd、ζ分别为相位补偿谐振单元的比例增益、补偿相角、时间常数、谐振角频率和阻尼系数；Kr1、φ1、ω1分别为基波谐振单元的谐振增益、补偿相角和基波角频率；
所述级联谐振控制器在数字控制系统中分别采用零极点匹配方法和预畸变Tustin方法对相位补偿谐振单元和基波谐振单元进行离散化处理，所述级联谐振控制器的离散域表达式为：
Figure BDA0003592763710000023
其中，
Figure BDA0003592763710000024
s为表征频域信息的复变量，Ts为采样周期；Md、nd1、nd2、dd1、da2为相位补偿谐振单元的离散系数，其表达式为：
Figure BDA0003592763710000025
Mf、nf1、nf2、df1、df2为基波谐振单元的离散系数，其表达式为：
Figure BDA0003592763710000026
作为优选，所述加权比例降阶广义积分器的连续域表达式为：
Figure BDA0003592763710000027
其中，Kpwm为逆变器增益，等于1/2的直流母线电压Udc；λ为加权系数；ωi为带宽系数；ω1为基波角频率；
所述加权比例降阶广义积分器在数字控制系统中采用零极点匹配方法进行离散化处理，所述加权比例降阶广义积分器的离散域表达式为：
Figure BDA0003592763710000031
其中，Ts为采样周期。
作为优选，所述相位补偿谐振单元的时间常数τd计算表达式为：
Figure BDA0003592763710000032
作为优选，所述相位补偿谐振单元的谐振角频率ωd、补偿相角
Figure BDA0003592763710000033
阻尼系数ζ分别选取ωd＝π/Ts、
Figure BDA0003592763710000034
0≤ζ≤1。
作为优选，所述相位补偿谐振单元比例增益Kd的取值使得强网工况下系统环路增益不存在开环不稳定极点。
作为优选，所述加权比例降阶广义积分器的加权系数λ、带宽系数ωi分别选取0≤λ≤1、ωi≥400rad/s，并使得弱网工况下系统环路增益的-180°穿越频率大于有源电力滤波器的最高谐波补偿频率。
作为优选，所述基波谐振单元谐振增益Kr1的取值使得弱网工况下基波角频率处的系统环路增益大于40dB。
本发明的有益效果是：本发明采用基于级联谐振控制器的逆变器侧电流有源阻尼优化控制，获得了接近奈奎斯特频率的宽有源阻尼边界，并具备对基波电流分量的准确调节能力，从而保证电网阻抗大范围波动时系统的稳定运行。此外，本发明还采用基于加权比例降阶广义积分器的电网电压有源阻尼优化控制，解决了有源电力滤波器谐波控制单元由于大电网阻抗时相位裕量减小带来的潜在失稳风险。综上，本发明有效提升了LCL型有源电力滤波器的弱网适应性。
附图说明
图1为LCL型有源电力滤波器的传统电流控制策略示意图；
图2为LCL型有源电力滤波器的复合有源阻尼优化控制方法示意图；
图3为在电网阻抗Lg大范围波动时复合有源阻尼优化控制方法的环路增益波特图；
图4为电网阻抗Lg＝0时，有源电力滤波器由复合有源阻尼优化控制方法变为传统电流控制策略对应的仿真示意图；
图5为电网阻抗Lg＝750μH时，有源电力滤波器由复合有源阻尼优化控制方法变为传统电流控制策略对应的仿真示意图；
图6为电网阻抗Lg＝1.5mH时，有源电力滤波器由复合有源阻尼优化控制方法变为传统电流控制策略对应的仿真示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例1：
LCL型有源电力滤波器的传统电流控制策略如图1所示，由基波电流控制器、谐波电流控制器和电网电压前馈控制器构成控制回路，从而实现谐波补偿、母线能量平衡、安全启动等控制目标。
基波电流控制器主要用于调节逆变器侧电流iinv，使其跟随基波电流参考值
Figure BDA0003592763710000041
进而实现直流母线能量平衡。该基波电流控制器由比例谐振控制单元组成，其连续域表达式为：
Figure BDA0003592763710000042
其中，Kf、τf、φ1、ω1分别为基波电流控制器的比例增益、时间常数、补偿相角和基波角频率，s为表征频域信息的复变量。
在数字控制系统中，该基波电流控制器的离散域表达式为
Figure BDA0003592763710000043
其中，
Figure BDA0003592763710000044
Ts为采样周期。
谐波电流控制器主要用于调节电网电流ig的谐波分量，进而实现电网谐波电流补偿。该谐波电流控制器由比例单元和多个谐波控制单元并联而成，其连续域表达式为：
Figure BDA0003592763710000045
其中，s为表征频域信息的复变量，Kh为谐波比例增益；Krn、φn和ωn分别各谐波控制单元的谐振增益、补偿相角和谐振角频率；ωn＝nω1，n＝6k+1是谐波次数，k∈[1,2,3,4]。
在数字控制系统中，该谐波电流控制器的离散域表达式为：
Figure BDA0003592763710000051
其中，
Figure BDA0003592763710000052
Ts为采样周期。
电网电压前馈控制器主要用于前馈电网电压Ug，使系统具有优良的启动性能，减小其启动电流冲击。该电网电压前馈控制器采用比例单元，其连续域表达式与离散域表达式相一致，为
Figure BDA0003592763710000053
其中，Kpwm为逆变器增益，等于1/2的直流母线电压Udc。
需要说明的是，有源电力滤波器的传统电流控制策略存在有源阻尼边界较窄、相位裕量随电网阻抗增加而减小等特性，在电网阻抗大范围波动或大电网阻抗时难以保证系统稳定运行，具体表现为：逆变器侧电流有源阻尼边界仅为1/6采样频率，该采样频率远未达到LCL滤波器谐振频率的一般设计上限(即奈奎斯特频率)，且谐波控制单元容易在大电网阻抗时频繁穿越-180°，带来潜在失稳风险，因此传统电流控制策略下有源电力滤波器的弱网适应性较差。
实施例2：
一种LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，用于提高LCL型有源电力滤波器的弱网适应性，该方法在传统电流控制策略的基础上，综合引入了基于级联谐振控制器的逆变器侧电流有源阻尼优化控制和基于加权比例降阶广义积分器的电网电压有源阻尼优化控制，以获得接近奈奎斯特频率的宽有源阻尼边界，保证电网阻抗大范围波动时系统的稳定运行，并解决有源电力滤波器谐波控制单元由于大电网阻抗时相位裕量减小带来的潜在失稳风险，从而有效提升了有源电力滤波器的弱网适应性，如图2所示，该方法包括：
步骤1、进行逆变器侧电流有源阻尼优化控制；逆变器侧电流有源阻尼优化控制采用级联谐振控制器来构成逆变器侧电流反馈控制，以获得接近奈奎斯特频率的宽有源阻尼边界，保证电网阻抗大范围波动时系统的稳定运行，并具备对基波电流分量的准确调节能力；
步骤2、进行电网电压有源阻尼优化控制；电网电压有源阻尼优化控制采用加权比例降阶广义积分器来构成电网电压前馈控制，以解决有源电力滤波器谐波控制单元由于大电网阻抗时相位裕量减小带来的潜在失稳风险。
步骤1中，级联谐振控制器由相位补偿谐振单元和基波谐振单元并联组成，级联谐振控制器的连续域表达式为：
Figure BDA0003592763710000054
其中，s为表征频域信息的复变量；Kd、
Figure BDA0003592763710000055
τd、ωd、ζ分别为相位补偿谐振单元的比例增益、补偿相角、时间常数、谐振角频率和阻尼系数；Kr1、φ1、ω1分别为基波谐振单元的谐振增益、补偿相角和基波角频率；
级联谐振控制器在数字控制系统中分别采用零极点匹配方法和预畸变Tustin方法对相位补偿谐振单元和基波谐振单元进行离散化处理，级联谐振控制器的离散域表达式为：
Figure BDA0003592763710000061
其中，
Figure BDA0003592763710000062
s为表征频域信息的复变量，Ts为采样周期；Md、nd1、nd2、dd1、dd2为相位补偿谐振单元的离散系数，其表达式为：
Figure BDA0003592763710000063
Mf、nf1、nf2、df1、df2为基波谐振单元的离散系数，其表达式为：
Figure BDA0003592763710000064
加权比例降阶广义积分器的连续域表达式为：
Figure BDA0003592763710000065
其中，Kpwm为逆变器增益，等于1/2的直流母线电压Udc；λ为加权系数；ωi为带宽系数；ω1为基波角频率；
加权比例降阶广义积分器在数字控制系统中采用零极点匹配方法进行离散化处理，加权比例降阶广义积分器的离散域表达式为：
Figure BDA0003592763710000066
其中，Ts为采样周期。
相位补偿谐振单元的时间常数τd计算表达式为：
Figure BDA0003592763710000071
相位补偿谐振单元的谐振角频率ωd、补偿相角
Figure BDA0003592763710000072
阻尼系数ζ分别选取
Figure BDA0003592763710000073
Figure BDA0003592763710000074
0≤ζ≤1。
相位补偿谐振单元比例增益Kd的取值使得强网工况下系统环路增益不存在开环不稳定极点。
加权比例降阶广义积分器的加权系数λ、带宽系数ωi分别选取0≤λ≤1、ωi≥400rad/s，并使得弱网工况下系统环路增益的-180°穿越频率大于有源电力滤波器的最高谐波补偿频率。
基波谐振单元谐振增益Kr1的取值使得弱网工况下基波角频率处的系统环路增益大于40dB。
在完成上述步骤后，工作人员可以评估有源电力滤波器弱网适应性的提升效果，包括：
示例地，图3展示了采用表1所示的系统及控制参数，在电网阻抗Lg大范围波动时复合有源阻尼优化控制方法的环路增益波特图。其中，5次谐波控制单元和7次谐波控制单元受Matlab中Bode函数的精度限制并未绘出。由图3可知，根据奈奎斯特稳定判据，在电网阻抗Lg大范围波动时，复合有源阻尼优化控制方法可以始终保证系统的稳定运行，并且谐波控制单元未出现频繁穿越-180°的情况，避免了大电网阻抗下潜在的失稳风险，因此有源电力滤波器的弱网适应性得到了明显提升。
表1 LCL型有源电力滤波器的系统及控制参数
Figure BDA0003592763710000075
Figure BDA0003592763710000081
实施例3：
在Matlab/Simulink中搭建三相LCL型SAPF仿真模型，用于验证上述复合有源阻尼优化控制方法的有效性，该仿真模型的系统及控制参数与表1一致。
图4、图5、图6分别展示了电网阻抗Lg＝0、Lg＝750μH、Lg＝1.5mH时，有源电力滤波器在t＝0.2s由复合有源阻尼优化控制方法变为传统电流控制策略对应的仿真结果。图中，由上而下，分别表示电网电压Ug、电网电流ig、负载电流iL和有源电力滤波器的输出电流iout。对比图4、图5、图6，发现当Lg＝0时(即强网工况)，无论有源电力滤波器采用复合有源阻尼优化控制方法或传统电流控制策略，系统均可以稳定运行，并有效补偿电网的谐波电流；当Lg＝750μH或Lg＝1.5mH时(即弱网工况)，有源电力滤波器采用复合有源阻尼优化控制方法可以保证系统稳定运行，采用传统电流控制策略将出现电网电流畸变、系统失稳等现象，难以有效治理电网谐波。
综上所述，在传统电流控制策略的基础上，采用复合有源阻尼优化控制方法，可以获得接近奈奎斯特频率的宽有源阻尼边界，保证电网阻抗大范围波动时系统的稳定运行，并解决有源电力滤波器谐波控制单元由于大电网阻抗时相位裕量减小带来的潜在失稳风险，从而有效提升有源电力滤波器的弱网适应性。

Claims (8)

1.一种LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、进行逆变器侧电流有源阻尼优化控制；所述逆变器侧电流有源阻尼优化控制采用级联谐振控制器来构成逆变器侧电流反馈控制；
步骤2、进行电网电压有源阻尼优化控制；所述电网电压有源阻尼优化控制采用加权比例降阶广义积分器来构成电网电压前馈控制。
2.根据权利要求1所述的LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，步骤1中，所述级联谐振控制器由相位补偿谐振单元和基波谐振单元并联组成，所述级联谐振控制器的连续域表达式为：
Figure FDA0003592763700000011
其中，s为表征频域信息的复变量；Kd、
Figure FDA0003592763700000012
τd、ωd、ζ分别为相位补偿谐振单元的比例增益、补偿相角、时间常数、谐振角频率和阻尼系数；Kr1、φ1、ω1分别为基波谐振单元的谐振增益、补偿相角和基波角频率；
所述级联谐振控制器在数字控制系统中分别采用零极点匹配方法和预畸变Tustin方法对相位补偿谐振单元和基波谐振单元进行离散化处理，所述级联谐振控制器的离散域表达式为：
Figure FDA0003592763700000013
其中，
Figure FDA0003592763700000014
s为表征频域信息的复变量，Ts为采样周期；Md、nd1、nd2、dd1、dd2为相位补偿谐振单元的离散系数，其表达式为：
Figure FDA0003592763700000015
Mf、nf1、nf2、df1、df2为基波谐振单元的离散系数，其表达式为：
Figure FDA0003592763700000021
3.根据权利要求1所述的LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，步骤2中，所述加权比例降阶广义积分器的连续域表达式为：
Figure FDA0003592763700000022
其中，Kpwm为逆变器增益，等于1/2的直流母线电压Udc；λ为加权系数；ωi为带宽系数；ω1为基波角频率；
所述加权比例降阶广义积分器在数字控制系统中采用零极点匹配方法进行离散化处理，所述加权比例降阶广义积分器的离散域表达式为：
Figure FDA0003592763700000023
其中，Ts为采样周期。
4.根据权利要求2所述的LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，所述相位补偿谐振单元的时间常数τd计算表达式为：
Figure FDA0003592763700000024
5.根据权利要求2所述的LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，所述相位补偿谐振单元的谐振角频率ωd、补偿相角
Figure FDA0003592763700000025
阻尼系数ζ分别选取ωd＝π/Ts、
Figure FDA0003592763700000026
0≤ζ≤1。
6.根据权利要求2所述的ICL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，所述相位补偿谐振单元比例增益Kd的取值使得强网工况下系统环路增益不存在开环不稳定极点。
7.根据权利要求3所述的LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，所述加权比例降阶广义积分器的加权系数λ、带宽系数ωi分别选取0≤λ≤1、ωi≥400rad/s，并使得弱网工况下系统环路增益的-180°穿越频率大于有源电力滤波器的最高谐波补偿频率。
8.根据权利要求2所述的LCL型有源电力滤波器复合有源阻尼优化控制方法，其特征在于，所述基波谐振单元谐振增益Kr1的取值使得弱网工况下基波角频率处的系统环路增益大于40dB。
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