CN116565868A - 一种改进t型三电平apf滑模-重复控制的方法 - Google Patents
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Abstract
一种改进T型三电平APF滑模‑重复控制的方法包括：采集并网点三相电压、APF交流侧输出电流和三相负载电流的实时数据；构建APF连续数学模型，将其变换到αβ坐标系，并将APF在αβ坐标系下的连续数学模型离散化；获取需要补偿频次的谐波指令电流，将谐波指令电流变换到αβ坐标系下；构建重复控制器，将指令电流ixref和实际电流ix的差值输入到重复控制器；构建改进滑模控制器；将重复控制器嵌入改进滑模控制器中。本方法在改进滑模控制中嵌入重复控制，构成改进滑模‑重复控制作为APF电流环，改善滑模控制器补偿高频谐波精度不足的问题。该控制方法使APF对滤波电感参数变化具有很好的鲁棒性，并且实现了谐波电流分频补偿的控制效果，可以灵活补偿指定频次电流。
Description
技术领域：
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法。
背景技术：
越来越多的电力电子设备应用到电网中，但这些设备大都属于非线性负载，向电网注入大量的谐波，电网系统的谐波污染问题越来越不可忽视。有源电力滤波器由于具有良好的动态性能以及不受电网参数影响等诸多优点，被越来越多地应用于配电网谐波抑制与无功补偿等电能质量治理领域。基于PI控制器在旋转坐标下实现APF指定频次谐波电流控制策略，但是如果需要补偿多种频次谐波电流需要多个PI控制器，将显著增加算法复杂程度。在静止坐标系下应用多个PR控制器实现APF谐波电流分频补偿的控制策略，这样也存在增加数字系统的计算负担的问题。APF谐波电流环采用矢量谐振控制器进行谐波电流跟踪控制，其优点是省略了谐波检测算法，但是其必须同时补偿正负频次谐波电流，失去了灵活补偿指定频次电流的能力。APF在抑制谐波环节采用谐波分频检测和谐波分频补偿的控制策略，当APF电流内环使用滑模控制器时，补偿高频谐波时会存在跟踪精度不足的问题。APF的谐波电流环跟踪的精确性是衡量滤波器性能的重要指标，因此亟需提出一种针对APF的电流环控制方法。
发明内容：
针对上述问题，本发明提供了一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法以达到实现APF精准跟踪各频次谐波电流的目的。
一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：采集并网点三相电压、APF交流侧输出电流和三相负载电流的实时数据；
步骤2：根据基尔霍夫电压和电流定理构建APF三相abc坐标系的连续数学模型，将APF三相abc坐标系的连续数学模型变换到αβ坐标系，得到APF在αβ坐标系下的连续数学模型，并将所述APF在αβ坐标系下的连续数学模型离散化，得到APF离散数学模型；
步骤3：获取需要补偿频次的谐波指令电流，将APF三相abc坐标系需要补偿频次的谐波指令电流变换到αβ坐标系下的iαref-iβref，iαref是α轴参考电流；iβref是β轴参考电流；
步骤4：构建重复控制器，将需要补偿频次的谐波指令电流ixref和实际电流ix的差值输入到所述重复控制器，其中，x＝α，β；
步骤5：构建改进滑模控制器：所述改进滑模控制器包括设计滑模面、设计新型趋近律、设计等效控制律；
步骤6：将所述重复控制器嵌入所述改进滑模控制器中，构成改进滑模-重复控制的电流环，实现APF精准跟踪各频次谐波电流。
优选的，所述构建APF三相abc坐标系的连续数学模型为：
其中，ua、ub、uc分别为三电平APF交流侧输出电压；ea、eb、ec分别为三相电网电压；ia、ib、ic分别为有源滤波器输出电流；L为有源滤波器交流侧的滤波电感，R为有源滤波器交流侧等效电阻。
优选的，采用Clark变换公式将APF三相abc坐标系的连续数学模型变换到αβ坐标系。
优选的，利用ip-iq谐波提取方法获取需要补偿频次的谐波指令电流。
优选的，采用Clark变换公式将APF三相abc坐标系的连续数学模型变换到αβ坐标系的具体方法为：
Clark变换公式为：
将APF三相abc坐标系的连续数学模型通过所述Clark变换公式变换到αβ坐标系下，得到APF在αβ坐标系下的连续数学模型为：
其中，uα和uβ分别表示αβ坐标系下APF交流侧输出电压，eα和eβ分别表示αβ坐标系下并网点电压，iα和iβ分别表示αβ坐标系下APF交流侧输出电流；将所述APF在αβ坐标系下的连续数学模型进行离散得到APF离散数学模型。
优选的，所述将APF在αβ坐标系下的连续数学模型进行离散得到APF离散数学模型为：
其中，Ts为控制周期，uα(k)和uβ(k)分别表示k时αβ坐标系下APF交流侧输出电压，eα(k)和eβ(k)分别表示k时αβ坐标系下并网点电压，iα(k)和iβ(k)分别表示k时αβ坐标系下APF交流侧输出电流，iα(k+1)和iβ(k+1)分别表示k+1时αβ坐标系下APF交流侧输出电流。
优选的，所述步骤4中构建的重复控制器，其传递函数为：
其中，C(z)为补偿环节，式中变量M1的取值用于补偿系统滞后的相位，krepc为重复控制器的增益；
N为APF系统采样频率和APF系统基波频率的比值，Q(z)为内模系数，Q(z)是为了增强APF系统的稳定性，是为了让APF系统的闭环极点为了单位圆内，将其设计为一阶低通滤波器：
优选的，滑模面设计过程具体为：
在αβ坐标系中构造滑模面：
其中，s为滑模面，sα用于控制α轴电流量；sβ用于控制β轴电流量；
为克服传统趋近律抖振严重的缺点，设计一种新趋近律，所述设计的新趋近律为：其中，双曲正切函数tanh(s)<|M2|，M2是大于1的正数，k1，k2，k3>0；
在α和β坐标下的趋近律为：
为了使状态变量最终趋于原点，设计等效控制律，α和β坐标下的控制律uαeq和uβeq，所述等效控制律的设计过程为：
优选的，通过电压互感器、电流互感器器分别采集并网点三相电压、APF交流侧输出电流和三相负载电流的实时数据。
本发明公布的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，在改进滑模控制中嵌入重复控制，构成改进滑模-重复控制作为APF电流环，可以改善滑模控制器补偿高频谐波精度不足的问题。该控制方法使APF对滤波电感参数变化具有很好的鲁棒性，并且实现了谐波电流分频补偿的控制效果，可以灵活补偿指定频次电流。
附图说明：
附图1是本发明的三电平APF拓扑结构图。
附图2是改进滑模-重复控制器的电流环控制结构图。
图1中，P为高电平，O为零电平，Cdc为电容值，N为低电平，Tc为IGBT；图2中，C(z)是重复控制的补偿环节，GSMC是滑模控制器，ZOH是零阶保持器。
具体实施方式：
为了使本发明技术方案更容易理解，现结合附图对本发明设计的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法进行清晰、完整的描述。
以下结合说明书附图1～2对本发明提供的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法进行说明，所述方法具体包括以下步骤：
步骤100：通过电压互感器、电流互感器分别采集并网点三相电压ex、APF交流侧输出电流ix和三相负载电流的实时数据，其中，x＝a,b,c；
步骤110：根据基尔霍夫电压和电流定理构建APF三相abc坐标系的连续数学模型，采用Clark变换公式将APF三相abc坐标系的连续数学模型变换到αβ坐标系，得到APF在αβ坐标系下的连续数学模型，并将所述APF在αβ坐标系下的连续数学模型离散化，得到APF离散数学模型；其中，所述构建APF三相abc坐标系的连续数学模型为：
其中，ua、ub、uc分别为三电平APF交流侧输出电压；ea、eb、ec分别为三相电网电压；ia、ib、ic分别为有源滤波器输出电流；L为有源滤波器交流侧的滤波电感，R为有源滤波器交流侧等效电阻。
Clark变换公式为：
将APF三相abc坐标系的连续数学模型通过所述Clark变换公式变换到αβ坐标系下，得到APF在αβ坐标系下的连续数学模型为：
其中，uα和uβ分别表示αβ坐标系下APF交流侧输出电压，eα和eβ分别表示αβ坐标系下并网点电压，iα和iβ分别表示αβ坐标系下APF交流侧输出电流；将所述APF在αβ坐标系下的连续数学模型进行离散得到APF离散数学模型。
步骤120：利用ip-iq谐波提取方法获取需要补偿频次的谐波指令电流，将APF三相abc坐标系需要补偿频次的谐波指令电流变换到αβ坐标系下的iαref-iβref，iαref是α轴参考电流；iβref是β轴参考电流；具体的，APF系统中，如果需要检测5次负序谐波电流可按如下方法：三相负载电流通过与5次负序谐波角速度同步的旋转坐标变换，这样可以将该5次负序谐波电流变为直流量；将求出的直流量通过一个低通滤波器，然后将其变换到αβ坐标系下即可得到5次负序谐波电流的参考值ihα_5ref和ihβ_5ref。求取n次的谐波电流参考指令，参照5次负序谐波电流求取方法即可，得到n次谐波电流的参考值为ihα_nref和ihβ_nref，将需要补偿的各次谐波指令相加得到综合指令参考值：
式中，可以通过设置kh_n的值来选择n次谐波电流的补偿程度，kh_n为则1表示全补偿该频次谐波，kh_n为0则表示不补偿该频次谐波电流(0≤kh_n≤1)；n＝5、7、11、13、17、19、23、25，通过改变对应n次谐波参考电流的系数kh_n可以设置谐波补偿程度，iαref和iβref是补偿谐波指令电流在αβ坐标系下的分量。
步骤130：构建重复控制器，将需要补偿频次的谐波指令电流ixref和实际电流ix的差值输入到所述重复控制器，其中，x＝α，β；
所述重复控制器的传递函数为：
其中，C(z)为补偿环节，式中变量M1的取值用于补偿系统滞后的相位，krepc为重复控制器的增益；
N为APF系统采样频率和APF系统基波频率的比值，Q(z)为内模系数，Q(z)是为了增强APF系统的稳定性，是为了让APF系统的闭环极点为了单位圆内，将其设计为一阶低通滤波器：
步骤140：构建改进滑模控制器：所述改进滑模控制器包括设计滑模面、设计新型趋近律、设计等效控制律；
所述滑模面设计过程具体为：
在αβ坐标系中构造滑模面：
其中，s为滑模面，sα用于控制α轴电流量；sβ用于控制β轴电流量；
所述设计的新趋近律为：其中，双曲正切函数tanh(s)<|M2|，M2是大于1的正数，k1，k2，k3>0；
在α和β坐标下的趋近律为：
为了使状态变量最终趋于原点，设计等效控制律，α和β坐标下的控制律uαeq和uβeq，所述等效控制律的设计过程为：
步骤150：将所述重复控制器嵌入所述改进滑模控制器中，构成改进滑模-重复控制的电流环，实现APF精准跟踪各频次谐波电流。
应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和宗旨的的前提下，还可以做出若干改进、替换、变型和润饰，这些改进、替换、变型和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：采集并网点三相电压、APF交流侧输出电流和三相负载电流的实时数据；
步骤2：构建APF三相abc坐标系的连续数学模型，将APF三相abc坐标系的连续数学模型变换到αβ坐标系，得到APF在αβ坐标系下的连续数学模型，并将所述APF在αβ坐标系下的连续数学模型离散化，得到APF离散数学模型；
步骤3：获取需要补偿频次的谐波指令电流，将APF三相abc坐标系需要补偿频次的谐波指令电流变换到αβ坐标系下的iαref-iβref，iαref是α轴参考电流；iβref是β轴参考电流；
步骤4：构建重复控制器，将需要补偿频次的谐波指令电流ixref和实际电流ix的差值输入到所述重复控制器，其中，x＝α，β；
步骤5：构建改进滑模控制器：所述改进滑模控制器包括设计滑模面、设计新型趋近律、设计等效控制律；
步骤6：将所述重复控制器嵌入所述改进滑模控制器中，构成改进滑模-重复控制的电流环。
2.如权利要求1所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，所述构建APF三相abc坐标系的连续数学模型为：
其中，ua、ub、uc分别为三电平APF交流侧输出电压；ea、eb、ec分别为三相电网电压；ia、ib、ic分别为有源滤波器输出电流；L为有源滤波器交流侧的滤波电感，R为有源滤波器交流侧等效电阻。
3.如权利要求1所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，采用Clark变换公式将APF三相abc坐标系的连续数学模型变换到αβ坐标系。
4.如权利要求1所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，利用ip-iq谐波提取方法获取需要补偿频次的谐波指令电流。
5.如权利要求3所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，采用Clark变换公式将APF三相abc坐标系的连续数学模型变换到αβ坐标系的具体方法为：
Clark变换公式为：
将APF三相abc坐标系的连续数学模型通过所述Clark变换公式变换到αβ坐标系下，得到APF在αβ坐标系下的连续数学模型为：
其中，uα和uβ分别表示αβ坐标系下APF交流侧输出电压，eα和eβ分别表示αβ坐标系下并网点电压，iα和iβ分别表示αβ坐标系下APF交流侧输出电流；将所述APF在αβ坐标系下的连续数学模型进行离散得到APF离散数学模型。
6.如权利要求5所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，所述将APF在αβ坐标系下的连续数学模型进行离散得到APF离散数学模型为：
其中，Ts为控制周期，uα(k)和uβ(k)分别表示k时αβ坐标系下APF交流侧输出电压，eα(k)和eβ(k)分别表示k时αβ坐标系下并网点电压，iα(k)和iβ(k)分别表示k时αβ坐标系下APF交流侧输出电流，iα(k+1)和iβ(k+1)分别表示k+1时αβ坐标系下APF交流侧输出电流。
7.如权利要求1所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，所述步骤4中构建的重复控制器，其传递函数为：
其中，C(z)为补偿环节，式中变量M1的取值用于补偿系统滞后的相位，krepc为重复控制器的增益；
N为采样频率和基波频率的比值，Q(z)为内模系数，
8.如权利要求1所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，滑模面设计过程具体为：
在αβ坐标系中构造滑模面：
其中，s为滑模面，sα用于控制α轴电流量；sβ用于控制β轴电流量；
所述设计的新趋近律为：其中，双曲正切函数tanh(s)<|M2|，M2是大于1的正数，k1，k2，k3>0；
在α和β坐标下的趋近律为：
所述等效控制律的设计过程为：
9.如权利要求1所述的一种改进T型三电平APF滑模-重复控制的方法，其特征在于，通过电压互感器、电流互感器分别采集并网点三相电压、APF交流侧输出电流和三相负载电流的实时数据。
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|---|---|---|---|---|
| CN118381027A (zh) * | 2024-06-21 | 2024-07-23 | 广东电网有限责任公司中山供电局 | 基于模型预测的apf电路的控制方法和控制装置 |
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2023
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| CN118381027A (zh) * | 2024-06-21 | 2024-07-23 | 广东电网有限责任公司中山供电局 | 基于模型预测的apf电路的控制方法和控制装置 |
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