一种基于扰动反馈系统的APF电流控制系统及方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种基于扰动反馈系统的APF电流控制系统及方法。

背景技术：

新世纪以来，电力电子装置产生的谐波对公共电网造成的危害日趋严重，如何有效抑制或减少谐波成为当代人们密切关注的话题。

为了有效抑制谐波可以从两方面着手，其一：寻找谐波根源对电力电子器件进行改造，比如改变电路拓扑结构、优化控制策略、增设滤波装置等。虽然这些方法能一定程度上减少谐波，但因为电力装置本身具有的非线性特性，无法完全有效抑制谐波。其二：外加谐波补偿装置，根据能量来源的不同，可以分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器是电阻、电容和电感的串并联组合。常规有源滤波器的基本工作原理是从负载电流中提取谐波和无功电流，由PI控制器驱动补偿装置产生与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，以使得电网电流为标准基波电流，但由于实际工作时存在许多扰动，传统PI控制器在跟踪谐波电流时存在较大的跟踪误差，且负载波动时的动态响应性能亦不佳，无法实现有源滤波器的最佳补偿效果。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术的不足，为了提高APF补偿精度，本发明提供一种基于扰动反馈系统的APF电流控制系统。

本发明的另一目的是提供一种基于扰动反馈系统的APF电流控制方法。

技术方案：一种基于扰动反馈系统的APF电流控制系统，包括数据采集模块、dq变换模块、谐波和无功提取单元、PI控制模块、扰动反馈系统及功率驱动单元；所述数据采集模块用于采集三相电网电压、负载三相电流、直流母线电压及APF生成的补偿电流；所述dq变换模块用于将所述三相电网电压和负载三相电流转换成两相旋转坐标轴上的电压和电流；所述谐波和无功提取单元用于提取负载电流中的谐波和无功分量；所述PI控制模块用于稳定所述直流母线电压并实现补偿电流与负载电流中的谐波和无功分量的实时跟踪；所述扰动反馈系统的输出端与扰动反馈系统的输入端以及功率驱动单元的输入端连接。

进一步的，所述PI控制模块包括比较器、PI控制器、功率单元等效模型、被控对象，输入电流接比较器的输入端，比较器的输出端依次经PI控制器与功率单元等效模型后接扰动反馈系统，扰动反馈系统的输出端反馈至比较器的反相输入端；所述扰动反馈系统包括替代模型与低通滤波器。

进一步的，所述低通滤波器的低频段的变化率与高频段的变化率相等。

进一步的，所述替代模型的阶次差小于等于低通滤波器的阶次差。

一种使用基于扰动反馈系统的APF电流控制系统的方法，该方法包括以下步骤：

(1)数据采集模块采集系统输出电流和负载电流，所述系统输出电流和负载电流经dq变换模块转换成对应两相旋转坐标轴上的电流，谐波和无功提取单元基于瞬时无功功率理论提取负载电流中的谐波和无功分量；

(2)所述负载电流中的谐波和无功分量与系统输出电流经过比较器后再通过PI控制模块，缩小系统输出电流与负载电流中的谐波和无功分量间的差值；

(3)经过PI控制模块输出的电流通过扰动反馈系统进行扰动反馈补偿，基于SPWM控制APF的输出电流。

有益效果：相比较现有技术，本发明提供的一种基于扰动反馈系统的APF电流控制系统及方法，在传统双环PI控制器的电流环前向通路中加入扰动反馈系统，一方面能实时快速跟踪负载变化，补偿负载谐波和无功电流，鲁棒性能好，响应速度快；另一方面针对实际工况中电网电压和APF直流侧储能电压上下波动以及死去效应的存在，扰动反馈系统可将其看成一个等效扰动进行估值并反馈至系统输入端，结构简单，能有效抑制系统扰动对补偿精度造成的影响。

附图说明

图1是含有扰动反馈的电流环控制框图。

图2是电流环PI控制框图。

图3是扰动反馈系统结构图。

图4是系统流程图。

图5是加入扰动反馈前的APF系统网侧电流仿真波形图。

图6是加入扰动反馈前的APF系统网侧电流的频谱分析图。

图7是加入扰动反馈后的APF系统网测电流仿真波形图。

图8是加入扰动反馈后的APF系统网测电流的频谱分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于扰动反馈系统的APF电流控制系统，包括数据采集模块、dq变换模块、谐波和无功提取单元、PI控制模块、扰动反馈系统及功率驱动单元；所述数据采集模块用于采集三相电网电压、负载三相电流、直流母线电压及APF生成的补偿电流，并利用锁相环获取所述电网电压相位；所述dq变换模块用于将所述三相电网电压和负载三相电流转换成两相旋转坐标轴上的电压和电流；所述谐波和无功提取单元用于提取负载电流中的谐波和无功电流；所述PI控制模块用于稳定所述直流母线电压并实现补偿电流与负载电流中的谐波和无功电流的实时跟踪；所述扰动反馈系统的输出端与扰动反馈系统的输入端以及功率驱动单元的输入端连接。

图2是电流环PI控制框图，所述PI控制模块包括比较器、PI控制器G_PI(s)、功率单元等效模型G_pwm(s)、被控对象P(s)，被控对象即为电网与逆变器之间的实际模型。输入电流接比较器的输入端，比较器的输出端依次经PI控制器与功率单元等效模型后接扰动反馈系统，扰动反馈系统的输出端反馈至比较器的反相输入端；所述扰动反馈系统包括替代模型与低通滤波器，所述低通滤波器的低频段的变化率与高频段的变化率相等，所述替代模型的阶次差小于等于低通滤波器的阶次差。

电流环PI控制的工作原理为：基于瞬时无功功率理论提取的谐波和无功指令电流i^*(s)经过PI控制器获取调制波，通过正弦脉冲宽度调制控制三相功率单元通断，实现补偿电流i(s)的输出。

将APF的逆变器看成具有一阶惯性环节特性的电压信号放大器，放大增益为K_pwm，大小取决于相电压幅值与直流侧电压之间的比值。G_pwm(s)用来表示变换器的传递函数，τ_s表示变换器中功率单元的开关延时，一般取整个开关周期的一半。其中：

$G_{pwm}\left(s\right)=\frac{K_{pwn}}{{\mathrm{\τ}}_{s}s+1}$

$G_{PI}\left(s\right)=K_p+\frac{K_I}{s}$

如图3所示，扰动反馈系统包括替代模型和低通滤波器，定义替代模型为P_n(s)，低通滤波器为Q(s)。估测扰动时无需知道具体的系统模型P(s)，只需将系统扰动前的输出与替代模型的输出之间的差值看作是作用于P_n(s)上的扰动，并将所得差值扰动反馈至系统输入端抵消作用于P_n(s)上的扰动。

扰动反馈系统中Q(s)的取值将直接影响系统扰动的补偿效果。在设计Q(s)时主要需考虑时间常数、分子和分母的阶次。时间常数越小，系统的鲁棒性能就越高，而且Q(s)的时间常数远小于系统的时间常数。分子分母的阶次也会影响系统的鲁棒性，阶次越高性能越好，但同时阶次的差值越小系统越容易有更好的鲁棒性。

为了能较好的抑制扰动，Q(s)在频域内需满足：低频段时|Q(jω)|的变化率与高频段时|1-Q(jω)|的变化率相等。式(1)、式(2)分别是被控对象P(s)和低通滤波器Q(s)的通用表达式。

$P\left(s\right)=\frac{{\Π}_{i=1}^n(s+z_i)}{s^l{\Π}_{j=1}^n(s+z_j)}---\left(1\right)$

$Q\left(s\right)=\frac{1+{\Σ}_{k=1}^N{a}_k{\left(\mathrm{\τ}s\right)}^k}{1+{\Σ}_{k=1}^{N+r}{a}_k{\left(\mathrm{\τ}s\right)}^k}---\left(2\right)$

上述两式中，l+m>n，τ为时间常数，r为阶次差，r≥l+m-n。

$1-Q\left(s\right)=\frac{{\Σ}_{k=N+1}^{N+r}{a}_k{\left(\mathrm{\τ}s\right)}^k}{1+{\Σ}_{k=N+1}^{N+r}{a}_k{\left(\mathrm{\τ}s\right)}^k}---\left(3\right)$

根据|Q(jω)|和|1-Q(jω)|之间变化率的关系可以确定阶次差r：

$\frac{d\left|Q\left(j\mathrm{\ω}\right)\right|}{d\mathrm{\ω}}=\frac{d|1-Q\left(j\mathrm{\ω}\right)|}{d\mathrm{\ω}}---\left(4\right)$

如图4所示为系统的流程图，使用基于扰动反馈系统的APF电流控制系统的方法，包括以下步骤：

(1)数据采集模块采集系统输出电流和负载电流，所述系统输出电流和负载电流经dq变换模块转换成对应两相旋转坐标轴上的电流，谐波和无功提取单元基于瞬时无功功率理论提取负载电流中的谐波和无功分量；

(2)所述负载电流中的谐波和无功分量与系统输出电流经过比较器后再通过PI控制模块，缩小系统输出电流与负载电流中的谐波和无功分量间的差值；

(3)经过PI控制模块输出的电流通过扰动反馈系统进行扰动反馈补偿，基于SPWM控制APF的输出电流。

该系统与传统PI控制相比，能有效抑制实际工况中电网电压和APF直流侧储能电压上下波动以及死去效应的存在给系统精确性造成的影响。扰动反馈系统结构简单，由替代模型和低通滤波器组成，无需考虑扰动具体模型，将系统参数变化、非线性波动或其他扰动等效成一个扰动进行估值，反馈至系统输入端抵消部分扰动。在电流环前向通路中添加扰动反馈系统不仅能提高APF补偿精度，还能加强系统的鲁棒性和抗干扰能力。

为了验证有益效果进行了实验，图5至图8是加入扰动反馈前后的APF系统网侧电流仿真波形图与频谱分析。从图5和图7的对比以及图6和图8的对比中可以看出：未加扰动反馈时电流波形正弦度较差，不光滑且低次谐波含量较高；而加入扰动反馈后，电流低次谐波含量明显减小，电流波形正弦度得到改善，其THD从6.15％下降到2.27％。