CN1747274B - 有源电力滤波器的预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有源电力滤波器的预测控制方法，将补偿前的当前时刻电网畸变电流信号通过i_p，i_q算法得到它的基波信号，利用自适应预测滤波器获得预测输出的下一时刻电网电流基波信号，将补偿前的当前时刻电网畸变电流信号与预测得到的当前时刻电网电流基波信号相减，得到当前时刻电网电流谐波分量，即为有源电力滤波器需要补偿的谐波电流信号，将得到的谐波分量进行PWM调制，即得到PWM脉冲信号。本有源电力滤波器的自适应预测控制方法预测精度高，收敛速度快，有效地减小了有源电力滤波器数字化控制系统中存在的延时，以及延时对有源电力滤波器补偿性能的影响。

Description

有源电力滤波器的预测控制方法

技术领域

本发明专利属于有源电力滤波技术，特别涉及一种有源电力滤波器的预测控制方法。

背景技术

随着现代工业发展，电力负荷越来越复杂，形成了电力系统谐波的容量大、时变的特点。传统的LC无源滤波器越来越不能满足现代工业应用和电力系统的要求，随着有源电力滤波器(APF)的出现，为电网谐波治理提供了一种重要的方式。有源电力滤波器通过向电网注入一定补偿电流来抵消负载所产生的谐波电流，其应用克服了LC滤波器等传统的谐波抑制方法的一些缺点，它既可补偿非线性负荷产生的高次谐波，又能自动适应电网阻抗和频率的快速变化，并且具有高可控性和快速响应性。

有源电力滤波器数字化控制系统中存在着两个方面的延时，一方面是有源电力滤波器数字化控制器的信号在每个环节的信号处理中都会引起有源电力滤波器补偿电流相位的滞后；另一方面，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，并不是实时跟随控制对象的变化而变化，这是引起数字化控制器控制误差的更重要的原因。

理论研究表明在同一延时下，谐波次数越高，补偿残余度越大；对于某次谐波，延时越大，补偿残余度越大。解决数字化控制器的延时有两种措施，一是采用快速微处理器，二是采用信号预测方法。第一种方法只能缓解数字化控制器引起的延时，并不能有效地减小延时对有源电力滤波器补偿性能的影响，因此，不是理想的解决措施。信号预测方法是从信息处理方面解决延时问题的，它有较强的处理复杂的非线性、时变性和不确定性工业过程控制的能力，可完全由软件实现，不需增加任何硬件，因而是一种较经济的解决措施。

但是，采用信号预测方法的前提是信号具有可预测性。考虑到大多数电力负荷属于可预测性负荷，而且，电力系统主要的谐波污染源——各种变流装置也属于可预测性负载，因此，有源电力滤波器选择使用信号预测方法，来研究解决有源电力滤波器数字化控制器延时的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有源电力滤波器的预测控制方法。这种预测控制方法能够有效的解决数字化控制器的延时问题，从而使有源电力滤波器的输出能跟踪电网电流的变化，实现谐波电流完全补偿。

本有源电力滤波器的预测控制方法包括以下步骤：

1)当前预测时刻对总的电网电流进行采样，预测采样周期为k，通过i_p，i_q算法得到电网电流的基波分量i_sf(n)，对电网电流的基波分量i_sf(n)进行幅值估计，得到其幅值大小，电网电流的基波分量i_sf(n)除以其幅值则得到单位信号i_sf(n)，i_sf(n)作为自适应预测滤波器的输入信号，滤波器的输乘即为预测得到的理想的下一个预测采样周期的电网电流基波分量

补偿前电网电流的基波分量与补偿后的电网电流信号相减得到补偿误差ε(n)，ε(n)与反馈校正系数λ相乘即为误差校证信号λε(n)，理想的下一个预测采样周期的电网电流基波分量

与λε(n)相加得到实际预测输出的下一个预测周期电网电流基波分量即为当前时刻后第k个周期的电网电流基波分量；补偿前的当前时刻电网畸变电流信号i_s(n)与预测得到的当前时刻电网电流基波分量相减，得到有源电力滤波器需要补偿的谐波电流信号；将得到的谐波电流信号进行PWM调制，即得到PWM脉冲信号，用PWM脉冲信号控制逆变器IGBT的通断，逆变器输出的谐波电流通过注入电路注入到电网中；

2)在预测采样周期之间的k-1个采样周期中，这些采样周期只检测总的电网电流，这些采样周期的电网基波电流采用内插值算法计算得到，将总的电网电流减去电网基波电流即得到需要补偿的电网电流谐波分量，将需要补偿的电网电流谐波分量信号进行PWM调制，即得到PWM脉冲信号，用PWM脉冲信号控制逆变器IGBT的通断，逆变器输出的谐波电流通过注入电路注入到电网中。

本发明的有益效果是：

本发明的有源电力滤波器的自适应预测控制方法预测精度高，收敛速度快，有效地减小了有源电力滤波器数字化控制系统中存在的延时，以及延时对有源电力滤波器补偿性能的影响，即使电网频率或幅值发生变化，仍可准确地得到期望结果。

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

附图说明

图1是基于FIR自适应滤波器的预测算法原理框图。

图2是基于自适应预测算法的计算有源电力滤波器补偿参考电流的整体思想结构图。

图3是自适应预测算法和内插值算法的数据流程图。

图4有源电力滤波器自适应预测控制方法的原理框图。

图5有源电力滤波器自适应预测控制方法的具体实现示意图。

具体实施方式

图1是基于FIR自适应滤波器的预测算法的原理框图。基于FIR模型的自适应预测滤波器的输出y可表示为当前和过去输入x的线性组合：

$\hat{y}(n+1)=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{k}x(n-k)=H^{\′}\·X\left(n\right)---\left(1\right)$

式中，X′(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-N+1)]为自适应预测滤波器输入信号向量。H′＝[ h₀，h₁，…，h_N-1]为预测滤波器的系数向量，是决定预测滤波器性能的关键因素，为了增强算法在动态条件下的适应性，应对它进行反复地在线优化。N为数据窗的长度，是影响滤波器性能的另外一个因素。自适应预测滤波器的原理框图如图1所示。图1中，y(n)为期望输出，

为预测计算结果，e(n)为期望输出与预测计算结果之间的误差，即

$e\left(n\right)=y\left(n\right)-\hat{y}\left(n\right)---\left(2\right)$

滤波器系数的自适应调整算法就是跟据该误差信号，采取一定的准则，来在线优化校正滤波器系数的。

图2是基于自适应预测算法的计算有源电力滤波器补偿参考电流的整体思想结构图。假设系统的采样频率为f_S，每电网周期采样M点数据。检测电网畸变电流，采用i_p，i_q谐波电流检测算法计算电网基波电流。从当前时刻开始，从过去的一个电网周期的电网基波电流数据中等间隔地抽取N个数据，根据这些历史基波数据(采样频率为f_S/k)，采用自适应预测算法预测从当前采样周期开始第k个采样周期的电网基波电流，当前采样周期与第k个采样周期之间的其它采样周期的电网基波电流采用内插值算法计算得到。

图3是自适应预测算法和内插值算法的数据流程图。图中左边虚线框中的数据即为直接预测计算结果，右边虚线框中数据为内插值计算结果。在接下来的k个采样周期内，只需检测总的电网电流，并执行一次减法运算，即从检测得到的电网电流中减去电网基波电流的预测值，就可得到有源电力滤波器的参考电流。本发明所提出的方法中，预测算法和内插值算法每k个采样周期执行一次，即只在n＝k*i(i＝0，1，...，N-1)的采样周期内进行预测计算，而在其它采样周期不进行预测计算，滤波器系数的自适应调整运算则安排在这些采样周期内完成，下一个n＝k*(i+1)(i＝0，1，...，N-1)采样周期到来之前，新的滤波器系数已准备好。这样分配计算任务的优点是，使得滤波器系数的自适应调整运算不影响功能程序的执行，并且保证系数的自适应调整运算有充裕的时间完成。

图4为有源电力滤波器自适应预测控制方法的原理框图。首先对输入信号进行信号预处理，从总的电网畸变电流中预测将来时刻的电网基波电流，在将来的那个采样周期，只需检测电网畸变电流，从总的电流中减去基波电流的预测值即为有源电力滤波器的参考电流，然后根据参考电流计算并发出PWM信号。期望信号——电网基波电流采用i_p，i_q法计算得到。

图5为有源电力滤波器自适应预测控制方法的具体实现示意图。其在工作过程如下：

1)将总的电网电流i_s(n)通过i_p，i_q算法得到它的基波分量i_sf(n)；

2)将电网电流基波分量i_sf(n)进行幅值估计，得到其幅值大小，电网电流基波分量i_sf(n)除以其幅值则得到单位信号i_sf(n)，i_sf(n)作为自适应预测滤波器的输入信号，自适应预测滤波器的输出信号与幅值相乘即为预测得到的理想的下一个预测采样周期电网电流基波分量

3)补偿前电网电流的基波分量与补偿后的电网电流信号相减得到补偿误差ε(n)，补偿误差ε(n)与反馈校正系数λ相乘即为误差校证信号λε(n)，下一个预测采样周期电网电流基波分量与λε(n)相加得到实际预测输出的下一个预测采样周期电网电流基波分量

4)补偿前的当前时刻电网畸变电流信号i_s(n)与预测得到的当前时刻电网电流基波分量

相减，得到当前时刻电网电流谐波分量，即为有源电力滤波器需要补偿的谐波电流信号；

5)将需要补偿的谐波电流信号进行PWM调制，即得到等效的PWM脉冲信号，PWM脉冲信号用于控制逆变器IGBT的通断，逆变器输出的谐波电流通过注入电路注入到电网中。

本发明的有源电力滤波器的自适应预测控制方法中，本时刻只需检测电网畸变电流，从总的电流中减去基波电流的预测值即为有源电力滤波器的参考电流。即在本时刻只需检测电网畸变电流，而不需做任何滤波算法，从而大大减少了信号处理过程中的延时。

Claims (1)

1.一种有源电力滤波器的预测控制方法，包括以下步骤：

1)当前预测时刻对总的电网电流进行采样，预测采样周期为k，通过i_p，i_q算法得到电网电流的基波分量i_sf(n)，对电网电流的基波分量i_sf(n)进行幅值估计，得到其幅值大小，电网电流的基波分量i_sf(n)除以其幅值则得到单位信号i_sf(n)，i_sf(n)作为自适应预测滤波器的输入信号，滤波器的输出信号与幅值相乘即为预测得到的理想的下一个预测采样周期的电网电流基波分量

；补偿前电网电流的基波分量与补偿后的电网电流信号相减得到补偿误差ε(n)，ε(n)与反馈校正系数λ相乘即为误差校证信号λε(n)，理想的下一个预测采样周期的电网电流基波分量

与λε(n)相加得到实际预测输出的下一个预测周期电网电流基波分量

，即为当前时刻后第k个周期的电网电流基波分量；补偿前的当前时刻电网畸变电流信号i_s(n)与预测得到的当前时刻电网电流基波分量相减，得到有源电力滤波器需要补偿的谐波电流信号；将得到的谐波电流信号进行PWM调制，即得到PWM脉冲信号，用PWM脉冲信号控制逆变器IGBT的通断，逆变器输出的谐波电流通过注入电路注入到电网中；

2)在预测采样周期之间的k-1个采样周期中，这些采样周期只检测总的电网电流，这些采样周期的电网基波电流采用内插值算法计算得到，将总的电网电流减去电网基波电流即得到需要补偿的电网电流谐波分量，将需要补偿的电网电流谐波分量信号进行PWM调制，即得到PWM脉冲信号，用PWM脉冲信号控制逆变器IGBT的通断，逆变器输出的谐波电流通过注入电路注入到电网中。

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