一种控制器参数在线可调的混合型有源电力滤波器的制作方法

专利名称：一种控制器参数在线可调的混合型有源电力滤波器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力系统中消除谐波的有源滤波器技术，具体涉及一种控制器参 数可调的混合型有源电力滤波器控制方法。
技术背景在中低压分布式系统中，无源滤波器(PF)已被广泛地用于抑制谐波。_无 源滤波器相对来讲能处理大功率谐波并且结构简单和易于实现的特点，但是无源 滤波器对温度和系统结构变化等其他因素影响较为敏感。随着电力电子和计算机 技术的发展，有源滤波器(APF)作为治理谐浓污染、改善电能质量的新型电力 电子装置更是受到关注，在电力系统中得到日益广泛的应用。和无源滤波器相 比，有源滤波器能够同时抑制多次谐波，因此，它能够大大节省各次谐波所用无 源滤波器的费用。另外，有源滤波器在调整控'制方案时具有更大的灵活性，以适 应系统频率和阻抗的变化。为了克服有源电力滤波器要求容量大这一缺点，近年 来，出现了众多的电路拓扑结构和控制方案，这其中，将传统的无源滤波器和 APF结合起来，互相取长补短，组成混合型有源滤波器，是当前APF研究领域的 一个重要方向。在混合型有源滤波器系统中，有源滤波器主动向电网中注入一个 与负荷中的谐波电流幅度相等、相位相反的补偿谐波电流以抵消负荷中的谐波。 一方面，由于有源滤波器的输出电流包含高次谐波和暂态电流，要求其实际输出 电流对指令电流有很高的跟踪能力，当有源滤波器的主回路及控制对象均己确 定的情况下，其输出电流的控制方法将对有源滤波器性能和效率有着重要影响。 另一方面，由于串联无源滤波器而引起的补偿衰减与相移使得混合有源滤波器的 控制器设计十分困难，因此，合适的控制策略一直是决定混合型有源滤波器性能 的关键所在。传统的有源滤波器控制方法主要应用以下两种技术1) 设计宽带电流源向主电网注入谐波。这种技术主要源于反馈控制原理， 考虑与EMI滤波器电感相连接的鬼压源逆变器(VSI)来模拟控制电流源，然后 被控电流源被用于注入谐波以抵消负载谐波，无差拍控制、滞环电流控制就属于 此类控制。基于滞环电流控制技术的控制器相对于具有固有一个周期延迟的无差 拍控制具有更好的性能。但是，滞环电流控制不易于实现并且对于电路元件十分 敏感。2) 第二种控制技术中，VSI作为一个可控制的电压源，使用反馈控制以减 少网侧谐波。在现有的文献当中，这种技术大多采用并联有源滤波器或混合有源 滤波器减小谐波，这种技术比第一种技术具有更好的性能，尽管这两种技术对于3一些特定的负载能够很好的起作用，但对普通的负载并不适用。以上技术在实现控制算法时，由于采样时所固有的一个周期延迟，其稳定性较差。发明内容本发明的目的在于，提出一种控制器参数在线可调的混合型有源电力滤波器 控制方法。该滤波器采用谐振型混合有源电力滤波器结构(见

图1)，其控制方 法主要是基于前馈谐波抵消。众所周知，针对系统的不确定性，前馈谐波抵消具 有良好的鲁棒性。但是要获得满意的谐波抵消效果，该技术要求能够精确生成要 消除的谐波。由于控制环增益和相位变化大，所以在交流连接谐振型有源电力滤 波器中应用这种技术比较困难。因此，在PWM型控制器设计中这种技术并非最 佳方案。本发明所提出混合有源滤波器的控制当中，以上缺点可以通过在线调整内部 电流控制环而得到克服，这样高质量的补偿通过用DSP控制整个系统得到实现。 该发明提供了一种在系统中进行快速和精确补偿谐波的技术。另外，同以前算法 相比，在计算中不再要求测量交流连接电压。为了实现上述目的，本发明所提出 的一种混合有源滤波器的控制结构如图2所示。具体实现过程如下首先利用人工神经网络(ANN)来估计负荷谐波，同时快速傅立叶变换也 能够被用来替代ANN，由于在特定次谐波估计中，ANN具有更快的响应和较少 计算负担，因此，ANN是一种比较理想的选择。这些谐波然后被注入APF电流 控制器，其中，APF电流控制器包括三个控制环。1) 比例电流反馈环。内部反馈环控制器实际上是一个简单的比例控制器G1， 如图2所示。图1给出了比例反馈环的方框图，与前述滤波器控制环设计相比较， 在控制环设计中，无源滤波器可以看作是一个三支路网络，通过合适的采样点直 接进行反馈以改善整个网络的稳定性以及在PCC处抑制电压谐波。与直流电压 型逆变器有源滤波器相比，交流谐振型有源滤波器由于其特有的更高阶次结构总 会增加零点和极点。在以往的技术当中，交流线电压和谐振电容器电压经过采样 与前馈以使系统干扰减到最小。在本发明提出的控制方案中，通过实现低增益电 流控制环将这种影响减到最小，电流控制环的作用是在由交流谐振环节和公共点 耦合阻抗作用引起的极点附近增加系统的衰减率，电流控制环中越高的增益值可 以导致高频极点向虚轴移动，并导致越小的相位裕度。2) 前馈环与在线参数估计。为了进一步改善滤波器的性能，在Gl的前面 生成对应各次谐波频率的前馈电压并直接用于PWM电压源逆变器。为了实现谐 波补偿，各次谐波的前馈增益和相位首先通过滤波器的解析变换函数进行计算， 这种计算前馈增益的方法对于高阶EMI滤波器来说，仅能提供一个近似的增益, 这是由于高阶滤波器对元件的参数变化十分敏感。所以，前馈信号的解析表达式 实际上很难得到。为了解决这一问题，实施了从PWM输入到APF输出电流的 在线增益和相位测量。用图2中的估计器Est来估计这些信息，在线估计算法以类似于离线方法来估计系统的相位和增益信息。在这种方法中，梳状滤波器G2 在APF的输出获取谐波信息，首先计算关于输入谐波的同步相位和求积分值(这 里输入谐波与通过ANN计算的负荷谐波电流反相)，然后通过低通滤波器，其 输出经过处理并计算出实际输出与期望输出(ANN输出)的差值，考虑到与离 线形式得到系统增益和相位计算值的微小变化，估计的同步相位值(ANN输出) 与系统增益成正比，求积分值(对ANN的输出求积分)与系统同步相位变化成 正比。同步相位大小与输入要进行归一化处理并从给定中减去。经过位于Est估 计器内部的低速PI控制器产生周期性更新信号，然后通过前馈控制器G4调整 系统的增益。为了在G4中更新相位信息，求积分信号与同步相位分量进行归一 化处理并输入到位于Est估计器内部的另一个PI控制器，从而产生信号以调整 前馈信号。因此，要产生高精度谐波，对于控制器的精确调整可以通过在线得以 实现。 一旦获得这些参数值就可以通过在线估计算法实现定期更新。由于参数更 新速度比电流控制环要求的慢，所以在线参数定期调整的计算负担相对较小。由 于这种调整能够精确生成前馈信号，电流控制环不再需要更大的增益。这样可以 获得较大的系统增益与相位裕度。3)低增益谐波反馈环。为了进一步改善有源滤波器控制器的性能，将梳状滤波 器G2的输出与输入参考信号相比较后乘以一个比例值G3构成一个小增益反馈 系统，该反馈系统的增益能够在一个适当范围保持系统的稳定性。这种方法进一 步改善了受控输出的精度，由于负荷谐波的快速计算可以通过人工神经网络 ANN来实现，因此，利用这种简单的控制算法使得快速的谐波补偿响应成为可 能。与已有技术相比，本发明具有以下不同之处1) 在传统的有源滤波器设计中，内部控制环中反馈给有源滤波器的电流在一点 或两点进行检测 一是公共耦合点(PCC)的负载侧二是PCC的网侧；三 是有源滤波器的输出支路。在本发明中，反馈电流在内部无源滤波器的某些 点进行测量。2) 在传统设计中，内环反馈的目标是减小有源滤波器的电流输出误差和增大有 源滤波器系统的稳定性。而本发明的设计中，反馈的目标是增大要消除谐波 源侧的电压和增加系统的稳定性。3) 传统方法采用高的反馈增益以减小谐波误差，而本发明中，通过输入参考信 号的精确前馈来减小有源滤波器的输出电流误差。因此，本发明所用方法能 够很好的维持有源滤波器的稳定性，小增益反馈环仅被用来进一步改善系统的动态性能。4) 传统方法中线性EMI滤波器通过分析模型进行动态集成，本发明中，对于特 定谐波频率的动态输出模型的控制进行在线估计，然后采用前馈环来减小输出误差。示例本发明所提出的方法已通过仿真和试验方法进行了验证。算法仿真在Matlab仿真工具中进行，在仿真的基础上，所用方法在容量为单相220V/30kW 并联混合型有源滤波器上进行了测试(见图3)。 APF控制器由两个 TMS320LF2812 DSP和Cyclone eplc6 FPGA.构成。SKM300GB128DA功率模块 作为主回路的开关器件。两个DSP以主从模式工作，二者之间通过MCBSP串 口进行通信，数据采集在主DSP中以10KHz采样率进行采集，然后通过与从 DSP的通信进行ANN的计算。直流测电容C-10000uF.直流测电压维持在300V， 三电平PWM工作在lOKHz以进一步在输出减小EMI。图4与图5给出了测试 结果。图6为谐波补偿前后的谐波情况。需要指出的是，虽然以特定的实施例描述了本发明，但本发明不限于以上描 述的实施例。按照本发明的技术原理，本领域普通技术人员按照上述技术原理对 上述实施例进行修改和变形均属于本发明的保护范围。
权利要求
1. 一种由有源和无源滤波器构成的混合型有源电力滤波器。其特征在于，滤波器采用无源滤波器与有源滤波器组成谐振型混合有源电力滤波器，并与电压逆变器VSI相连接。
2. —种权利要求1所述的混合型有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，控 制器控制方法主要是基于前馈谐波抵消方法，该方法包括以下步骤(1) 同时检测包括公共耦合点负载侧、公共耦合点网侧和APF输出支路电流信 号给APF控制器。(2) 利用人工神经网络(ANN)来估计负荷谐波，这些谐波然后被注入APF电 流控制器。(3) 设计APF电流控制器，包括三个控制环，其控制算法参数在线可调。
3. 根据权利要求2所述的混合型有源电力滤波器的控制方法，其特征在于，所 述的APF控制器设计包括以下步骤(1) 比例电流反馈环。内部反馈环控制器设计为一个简单的比例控制器，无源 滤波器看作是一个三支路网络，并通过合适的采样点直接进行反馈以改善整个网 络的稳定性以及在PCC处抑制电压谐波。(2) 前馈环与在线参数估计器。为了进一步改善滤波器的性能，在内环控制器 的前面生成对应各次谐波频率的前馈电压并直接用于PWM电压源逆变器。同时 为了实现谐波补偿，通过设计估计器Est来估计从PWM输入到APF输出电流的 在线增益和相位信息，并通过梳状滤波器在APF的输出获取谐波信息，经过位 于Est估计器内部的低速PI控制器产生周期性更新信号，然后通过前馈控制器 G4调整系统的增益。通过位于Est估计器内部的另一个PI控制器，产生信号以 调整前馈信号，从而在线调整控制器的参数。(3) 低增益谐波反馈环。将梳状滤波器G2的输出与输入参考信号相比较后乘 以一个比例值G3构成一个小增益反馈系统，该反馈系统的增益能够在一个适当 范围内保持系统的稳定性。从而进一步改善有源滤波器控制器的动态性能。
全文摘要
本发明公开了一种控制器参数在线可调的混合型有源电力滤波器及其控制方法。滤波器采用无源滤波器与有源滤波器组成谐振型混合有源电力滤波器，并与电压逆变器相连接。滤波器控制器由比例电流反馈环、前馈环与在线估计、低增益谐波反馈环三个环路构成；电流采样点包括公共耦合点负载侧、公共耦合点网侧和APF输出支路。本发明控制算法参数能够在线可调，对于可选的谐波可以实现快速和精确补偿。
文档编号H02J3/01GK101262131SQ20071006426
公开日2008年9月10日 申请日期2007年3月8日 优先权日2007年3月8日
发明者Mansoor Khan Muhammad, 之 叶 申请人:北京博旺天成科技发展有限公司