一种有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，更为具体地讲，涉及一种有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法。

背景技术：

随着分布式发电技术的快速发展，非线性负载得到了大规模的应用，而这也导致了电网内严重的谐波污染问题。为了改善电网电能质量，有源电力滤波器得到了广泛的应用。目前，有源电力滤波器中的电流控制技术因其能够有效地提高谐波电流补偿精度而成为了一个研究热点。

滞环控制器可以用来提高电流控制回路的增益，进而提高谐波电流补偿精度。然而，滞环控制器的开关频率是变化的，而且抗干扰能力较差。重复控制器能够提高电流环增益且开关频率固定,特别适用于周期信号的跟踪和干扰信号的抑制。然而,它的频率适应性较差，且存在一个基波周期的延时。文献《Frequency-Adaptive Fractional-Order Repetitive Control of Shunt Active Power Filters》(Transaction on Industrial Electronics,IEEE[J],2015,62(3):1659-1668)中提出了用于并联型有源电力滤波器的分数阶重复控制器，在提高频率适应性的同时还具有良好的动态性能。然而，它的控制算法较为复杂，计算量较大。文献《High-Performance Digital Resonant Controllers Implemented With Two Integrators》(Transaction on Power Electronics,IEEE[J],2011,26(2):563-576)中提出了基于二阶广义积分的谐振控制器，其在中心频率点处有无限增益，使其能够完全消除系统稳态误差。然而，系统中需要多个不同中心频率的谐振控制器进行不同次谐波的跟踪，这会大大增加控制系统的计算量。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法，采用降次广义积分器，以减少控制系统的计算量，同时在中心频率处进行相位补偿，以增加系统稳定裕度，提高系统响应时间和稳定性。

为实现上述发明目的，本发明一种有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、采集公共耦合点的三相电压u_pcc，利用锁相环对其进行锁相，得到公共耦合点电压的频率f_pll和相位角θ；

(2)、采集非线性负载电流i_L，对其进行abc-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的负载电流i_Lαβ，再通过谐波电流检测模块得到电流控制器谐波参考信号i_refαβ；

(3)、采集有源电力滤波器输出电流i_O，对其进行abc-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的输出电流i_Oαβ；

(4)、计算静止参考坐标系下的输出有功电流指令Δi_dαβ：

(4.1)、直流电压给定量u_dcref与采集到的直流电压u_dc做差，所得差值通过直流电压控制器得到同步旋转坐标系下的输出有功电流Δi_d；

(4.2)、将同步旋转坐标系下的输出有功电流Δi_d进行dq-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的输出有功电流指令Δi_dαβ；

(5)、计算电流控制器的输出控制量u_piαβ：

(5.1)、计算电流控制器误差信号Δi_Lαβ：将电流控制器谐波参考信号i_refαβ与静止参考坐标系下的输出电流i_Oαβ作差，再与静止参考坐标系下的输出有功电流指令Δi_dαβ求和，得到电流控制器误差信号Δi_Lαβ：

Δi_Lαβ＝i_refαβ-i_Oαβ+Δi_dαβ；

(5.2)、电流控制器根据步骤(1)所得的频率f_pll，将误差信号Δi_Lαβ依次送入到谐波控制器和PI控制器，得到输出控制量u_piαβ；

(6)、计算PWM调制指令值V_a V_b V_c：

(6.1)、将公共耦合点的三相电压u_pcc经过abc-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的公共耦合点电压u_pccαβ；

(6.2)、采集LCL滤波器电容电流i_C，经过abc-αβ坐标变换得到静止参考坐标系下的电容电流i_Cαβ，接着通过有源阻尼增益模块，得到静止参考坐标系下的有源阻尼反馈量u_Cαβ：

u_Cαβ＝k_D·i_Cαβ；

其中，k_D为有源阻尼增益；

(6.3)、将电流控制器输出控制量u_piαβ、静止参考坐标系下公共耦合点电压u_pccαβ以及有源阻尼反馈量u_Cαβ三者相加，再通过αβ-abc坐标变换，得到PWM调制指令值V_a V_b V_c；

(7)、PWM模块根据步骤(6)所得的调制指令值V_a V_b V_c得到对应的开关控制信号，进而控制有源电力滤波器各个IGBT的通断。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法，首先采集公共耦合点三相电压，利用锁相环得到该电压频率f_pll和相位θ；接着，谐波检测模块提取非线性负载电流i_L的谐波信号指令，与通过直流电压控制器得到输出有功电流指令相加，再与输出电流反馈信号相减得到电流控制器的输入误差信号；然后通过由谐波控制器和PI控制器构成的电流控制器得到输出控制量；最后，输出控制量、公共耦合点电压前馈量和通过有源阻尼模块的滤波器电容电流反馈量三者相加得到PWM波调制指令信号。本发明方法中的谐波控制器由一组不同次谐波信号对应的改进型谐振控制器以并联形式构成，而改第h次谐波信号对应的改进型谐振控制器采用基于相位补偿的降次广义积分方式，该方式算法简单，计算量小，减少了高频系统中算法计算时间，同时改进型谐振控制器还引入相位补偿，增加了系统稳定裕度，提高了系统响应时间和稳定性。

同时，本发明一种有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法还具有以下有益效果：

(1)、该算法结构简单，可采用C语言编程，在DSP等控制器芯片上易于实现；

(2)、采用降阶广义积分器，计算量较小，缩短了控制器计算时间，节约控制芯片存储空间；

(3)、能够应用于有源电力滤波器进行电网、微电网内谐波治理，并且具有较高谐波电流补偿精度，频率适应性较高。

附图说明

图1为有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法系统示意图；

图2为电流控制器控制框图；

图3为未采用本发明方法补偿负载谐波效果波形图；

图4为采用本发明方法补偿负载谐波效果波形图；

图5为补偿负载谐波时负载谐波电流和电网电流频谱图；

图6为未采用本发明方法补偿负载谐波动态响应波形图；

图7为采用本发明方法补偿负载谐波动态响应波形图；

图8为采用本发明方法在电网频率上升时补偿负载谐波效果波形图；

图9为采用本发明方法在电网频率下降时补偿负载谐波效果波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了方便描述，本实施例以三相并联型有源电力滤波器补偿非线性负载产生的谐波为例，叙述在控制频率f_s＝10KHz的情况下，补偿电网内电流的5、7、11、13次谐波信号的具体方法：

本实施例中，如图1所示，本发明一种有源电力滤波器改进宽频自适应谐振控制方法，包括以下步骤：

(1)、采集公共耦合点的三相电压u_pcc，利用锁相环对其进行锁相，得到公共耦合点电压的频率f_pll和相位角θ；

(2)、采集非线性负载电流i_L，对其进行abc-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的负载电流i_Lαβ，再通过谐波电流检测模块得到电流控制器谐波参考信号i_refαβ；

(3)、采集有源电力滤波器输出电流i_O，对其进行abc-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的输出电流i_Oαβ；

在本实施例中，abc-αβ坐标变换为

(4)、计算静止参考坐标系下的输出有功电流指令Δi_dαβ：

(4.1)、直流电压给定量u_dcref与采集到的直流电压u_dc做差，所得差值通过直流电压控制器得到同步旋转坐标系下的输出有功电流Δi_d；

其中，直流电压控制器采用PI控制方式，PI控制方式传递函数为：

其中K_pv和K_iv分别表示比例系数和积分系数，z表示Z域算子。在本实施例中，根据对直流电压控制回路的建模分析，得到当K_pv＝1.6和K_iv＝0.005时，该直流电压控制器有较好的静态和动态效果。

(4.2)、将同步旋转坐标系下的输出有功电流Δi_d进行dq-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的输出有功电流指令Δi_dαβ；

在本实施例中，为了对输出有功电流Δi_d进行dq-αβ坐标变换，同步旋转坐标系下的无功电流Δi_q取0，dq-αβ坐标变换为

(5)、计算电流控制器的输出控制量u_piαβ：

(5.1)、计算电流控制器误差信号Δi_Lαβ：将电流控制器谐波参考信号i_refαβ与静止参考坐标系下的输出电流i_Oαβ作差，再与静止参考坐标系下的输出有功电流指令Δi_dαβ求和，得到电流控制器误差信号Δi_Lαβ：

Δi_Lαβ＝i_refαβ-i_Oαβ+Δi_dαβ；

(5.2)、电流控制器，根据步骤(1)所得的频率f_pll，将误差信号Δi_Lαβ依次送入到谐波控制器和PI控制器，得到输出控制量u_piαβ，电流控制器控制回路框图如图2所示；

其中，谐波控制器由一组不同次谐波信号对应的改进型谐振控制器以并联形式构成，谐波控制器的表达式为：

h表示谐波次数；x为正负号，x为“+”表示为正序，x为“-”表示为负序，在本实施例中，谐波次数h＝1,5,7,11,13，谐波控制器表达式为HC(z)＝G₁₊(z)+G_5-(z)+G₇₊(z)+G_11-(z)+G₁₃₊(z)；

其中，第h次谐波信号对应的改进型谐振控制器采用基于相位补偿的降次广义积分方式，第h次谐波信号对应的改进型谐振控制器的传递函数为：

K_Ih表示积分增益；T为系统的控制周期；θ_h为相位补偿角；ω₁＝2πf_pll表示基波角频率，在本实施例中，T＝1/f_s＝1/10KHz，K_I1＝K_I5＝K_I7＝K_I11＝K_I13＝100，θ₁＝θ₅＝θ₇＝θ₁₁＝θ₁₃＝π/4。

其中，PI控制器传递函数为：

K_pi和K_ii分别表示比例系数和积分系数，在本实施例中，K_pv＝5.56和K_iv＝9.05，当K_pv＝5.56和K_iv＝9.05时，控制器具有良好的动态性能和稳定性。

(6)、计算PWM调制指令值V_a V_b V_c：

(6.1)、将公共耦合点的三相电压u_pcc经过abc-αβ坐标变换，得到静止参考坐标系下的公共耦合点电压u_pccαβ；

(6.2)、采集LCL滤波器电容电流i_C，经过abc-αβ坐标变换得到静止参考坐标系下的电容电流i_Cαβ，接着通过有源阻尼增益模块，得到静止参考坐标系下的有源阻尼反馈量u_Cαβ：

u_Cαβ＝k_D·i_Cαβ；

其中，k_D为有源阻尼增益，在本实施例中，k_D＝9；

(6.3)、将电流控制器输出控制量u_piαβ、静止参考坐标系下公共耦合点电压u_pccαβ以及有源阻尼反馈量u_Cαβ三者相加，再通过αβ-abc坐标变换，得到PWM调制指令值V_a V_b V_c；

在本实施例中，abc-αβ坐标变换为

(7)、PWM模块根据步骤(6)所得的调制指令值V_a V_b V_c得到对应的开关控制信号，进而控制有源电力滤波器的各个IGBT的通断。

图3为未采用本发明方法的基于二阶广义积分的谐振控制器补偿负载谐波效果波形图，图4为采用本发明方法的基于降阶广义积分的谐振控制器补偿负载谐波效果波形图：

从图3和图4可以看出，有源电力滤波器补偿谐波电流后，电网侧电流波形接近正弦波，且有源电力滤波器输出电流对参考电流指令的跟踪误差较小，说明基于二阶广义积分的谐振控制器和采用本发明方法的基于降阶广义积分的谐振控制器都具有良好的补偿效果和较高的补偿精度，但从两者的传递函数表达式可以看出，基于二阶广义积分的谐振控制器的阶数为二阶，基于降阶广义积分的谐振控制器的阶数为一阶，后者的计算量明显少于与前者。

图5为补偿负载谐波时负载谐波电流和电网电流频谱图：

从图5中可以看出，谐波电流经过有源电力滤波器补偿作用后，电网电流各次谐波含量明显降低，说明了采用本发明方法的基于降阶广义积分的谐振控制器在减少计算量的同时还具有良好的谐波电流补偿性能。

图6为未采用本发明方法的基于二阶广义积分的谐振控制器补偿负载谐波动态响应波形图，图7为采用本发明方法的基于降阶广义积分的谐振控制器补偿负载谐波动态响应波形图：

从图6和图7中可以看出，有源电力滤波器启动补偿后，基于降阶广义积分的谐振控制器的动态响应时间明显少于基于二阶广义积分的谐振控制器的动态响应时间，说明基于降阶广义积分的谐振控制器引入补偿相位后，动态响应速度变快，具有更好的动态性能。

图8为采用本发明方法在电网频率上升时补偿负载谐波效果波形图，图9为采用本发明方法在电网频率下降时补偿负载谐波效果波形图：

从图8和图9中可以看出，当电网频率上升和下降达到稳态后，电网电流谐波含量仍然保持在很低的水平，且动态过程很短，说明采用本发明方法的基于降阶广义积分的谐振控制器可以在电网频率波动时保证较高的谐波补偿精度，具有良好的电网频率适应性，且频率适应范围较宽，为±5HZ。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。