一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，包括以下步骤，步骤一，根据电力电子学，建立APF逆变器的非线性动力学模型；步骤二，根据步骤一中建立的非线性动力学模型，使用自抗扰与重复控制相结合的方法设计APF逆变器控制器；步骤三，采用自抗扰控制器提高逆变器电流控制回路的动态响应性能；步骤四，采用重复控制器提高逆变器电流控制回路的稳态响应性能；步骤五，采用PI算法，设计逆变器的电压回路控制器，解算出逆变器输出电流所需跟踪的参考电流值。本发明中提出的自抗扰和重复控制结合的方法具有设计过程简单、易于工程实现的优点，并进一步改善了逆变器输出跟踪电流的动态和静态响应性能。
【专利说明】一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，属于电力系统控制领域。
【背景技术】
[0002]随着电网拓扑结构和电路负荷的多样性增加，谐波污染对电网系统的影响越来越严重并且引起了人们广泛的关注。谐波污染不仅是对电力电子技术发展的阻碍，谐波也可能引起电力系统中发生局部串联谐振或并联谐波，从而放大谐波含量造成设备的烧毁，谐波还会对通信系统及电子设备等产生严重的干扰。由此可见，谐波污染使得电力系统偏离理想的、正常的电气过程与行为，电能质量的下降不仅影响了电力系统安全可靠的供电，同时也会给电力系统带来各种各样的危害，对人身安全与经济效益有着较为严重的影响。谐波所带来的危害已引起了越来越多的关注，不管是从供电系统正常工作、设备安全稳定运行的角度，还是从保证电力系统安全、可靠、经济运行的角度，对电力系统谐波污染的治理已成为急需解决的问题。
[0003]有源电力滤波器(APF)被公认为是谐波治理最为有力的工具，但是APF波形控制技术一直是PWM逆变器领域研究的难点和热点，各种控制理论在逆变器上都有所应用，常见的控制方案有PID控制、模糊控制、无差拍控制、重复控制、状态反馈控制等。它们在各自领域解决了某些控制问题，但同样具有各种相应的局限性。且由于PWM逆变器本质上是非线性和不确定性的，当前的所提的波形控制技术并没有很好兼顾系统的鲁棒性以及跟踪波形的动态响应和稳态响应。
[0004]为科学有效治理电网谐波这一困扰电网电能质量的实际紧迫问题。本发明提出，通过研究基于自抗扰和重复控制的APF控制技术，为APF控制方法提供科学判据。
【发明内容】
[0005]本发明的目的:本发明实现了一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
[0007]—种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，包括以下步骤，
[0008]步骤一，根据电力电子学，建立APF中的逆变器的非线性动力学模型；
[0009]步骤二，根据步骤一中建立的非线性动力学模型，设计APF逆变器控制器；
[0010]步骤三，采用自抗扰控制器提高逆变器电流控制回路的动态响应性能；
[0011]步骤四，采用重复控制器提高逆变器电流控制回路的稳态响应性能；
[0012]步骤五，采用PI算法，设计逆变器的电压回路控制器，解算出逆变器输出电流所需跟踪的参考电流值。
[0013]步骤一中逆变器的非线性动力学模型为，
【权利要求】
1.一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤一，根据电力电子学，建立APF中的逆变器的非线性动力学模型； 步骤二，根据步骤一中建立的非线性动力学模型，设计APF逆变器控制器； 步骤三，采用自抗扰控制器提高逆变器电流控制回路的动态响应性能； 步骤四，采用重复控制器提高逆变器电流控制回路的稳态响应性能； 步骤五，采用PI算法，设计逆变器的电压回路控制器，解算出逆变器输出电流所需跟踪的参考电流值。
2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，其特征在于:步骤一中逆变器的非线性动力学模型为， did R..1I
~ΤΓ = _ ~T ld ~^lq+ — mdUdc _ ~ Vsd at LLL ^iq _.及.丄 II s-— COl /--1 H--/Ti U /--U dt dLqL q c L sq dudc _ md._^τ.~?Γ~ ~c d Cq
V 其中，id，Iq为a，b，c三相电流转换至d，q坐标下的电流；md，mq为旋转坐标系下的调制系数；usd，usq为旋转坐标系下电网电压；L，R为逆变器交流侧的电感和等效电阻；C，ud。分别表示逆变器直流侧的电容及其电压，ω = 50Hz为工频，t表示时间。
3.根据权利要求2所述的一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，其特征在于:步骤二中在设计逆变器自抗扰控制器之前需要先改写非线性动力学模型，如下， x{t) = f (x{t)) + bu{t)
其中，x(t) = [X1 (t), x2(t)]T = [id, iq]T, u(t) = [md，mjT，厂1 T
~~rx\(() —ωχ2(0 ~~u,d h_ L dcf (xit)) = L? ，I
— — X2(t) — — V0 ~udc _LL.LL J
T 表示转置，X1 (t) = id, x2 (t) = iq0
4.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，其特征在于:步骤三中采用自抗扰控制器提高逆变器电流控制回路的动态响应性能的过程为，自抗扰控制器包括非线性跟踪微分器、扩展状态观测器和非线性状态误差反馈控制律，首先非线性跟踪微分器用来实现对逆变器电流控制回路输入信号的无超调跟踪，并给出微分信号，其次通过扩张状态观测器对有源滤波器的状态和扰动进行估计，最后利用非线性状态误差反馈控制律获得扰动分量的补偿作用。
5.根据权利要求4所述的一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，其特征在于:所述扩张状态观测器为，
其中，ε = Ζ2>1-χ, χ表示步骤二中逆变器非线性动力学模型的状态量；kn, k12, Ct1, S1 均为待选参数
表示逆变器非线性动力学模型状态量χ (t) 的估计值。Z2，2表示逆变器非线性动力学模型状态量x(t)的微分的估计值)。
6.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，其特征在于:所述重复控制器包括滤波器Q(z)、重复控制环路的补偿器C(Z) = KrZkS(z)和周期延迟环节z_N ;滤波器Q(Z)用于改进内模；重复控制环路的补偿器C(Z) = KrZkS(z)用以提供电流的幅值补偿和电流的相位补偿，确保重复控制构成的闭环回路的稳定性；周期延迟环节z_N用以使控制延迟一个周期起作用，周期延迟环节z_N的设置使超前环节可以等效实现；其中&为重复控制增益，Zk为超前环节，S(Z)为低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰和重复控制的有源电力滤波器控制方法，其特征在于:步骤五中采用PI算法，设计逆变器的电压回路控制器如下，
式中:KP，K1为PI控制器增益，V*为设定的电压参考轨迹，Vabc为逆变器的输出电压，i*(t)为计算得到的电流参考值，t0, 为初始和终止时间。
【文档编号】H02J3/01GK104135003SQ201410379699
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】王建明, 葛乐, 袁晓冬, 李强, 许德智 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司电力科学研究院, 南京工程学院