一种并联混合型有源滤波系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于有源滤波器技术领域，具体涉及一种并联混合型有源滤波系统，本发 明还涉及并联混合型有源滤波系统的控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着电力电子技术的快速发展，在现代电力网络中非线性电力电子装置得到了广 泛的应用。电力电子装置的使用使得电网电压和电流发生严重的畸变，影响了电能的质量， 因此成为了现代工业中最主要的谐波源。并联混合型有源滤波器是由有源滤波器和无源滤 波器并联而成，综合了无源滤波器和有源滤波器的优点，既能够有效地对谐波进行补偿，相 比较于单纯的APF，又可以使成本降低，开始展现出极强的竞争力。如今，有源电力滤波器从 最常用的三角载波比较控制和电流滞环比较控制方法，到较复杂的控制方法如空间电压矢 量控制、无差拍控制、自适应控制等，它们都有各自的优缺点。
[0003] 三角波控制方法以其控制方法简单、开关频率固定被广泛使用，但是其缺点在于 鲁棒性较差。当有源电力滤波器应用于更广泛的非线性负载情况时，就必须考虑稳定性问 题。非线性负载和线路上的参数不确定或者未建模动态都有可能使系统失稳，这将严重限 制有源滤波器的广泛使用。所以，寻求一种能够很好的保证系统稳定性和鲁棒性的控制方 法并将其应用于有源电力滤波器系统是很必要的。自抗扰控制技术（Auto Disturbance Rejection Controller, ADRC)是近年来提出的一种非线性控制技术，该控制器不依赖于 被控对象具体的数学模型。它的核心优点在于通过扩张状态观测器观测出系统的状态变 量的同时，并观测出系统的综合扰动，得到广义状态误差并对扰动项进行前馈补偿、抵消， 因此使控制系统在稳定性和鲁棒性方面都有显著的提高。但是自抗扰控制给理论分析 和工程设计带来了较大困难，同时控制设计参数过多（10个左右），并且非线性控制器难 以进行工程上常用的频域分析以确定稳定性边界。所以针对以上问题，将所有控制器和 ESO都以线性形式实现得到线性自抗扰控制器（Linear active disturbance rejection control，LADRC)，LADRC将控制参数降到4个，而且都有比较明确的物理意义，十分便于工 程应用。但线性自抗扰控制器只能抵消系统的部分非线性，系统仍存在一定的不确定性，无 法实现良好的控制精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种并联混合型有源滤波系统，解决了现有技术中存在的有 源滤波器的控制精度差的问题。
[0005] 本发明的另一目的是提供一种并联混合型有源滤波系统的控制方法。
[0006] 本发明所采用的第一技术方案是，一种并联混合型有源滤波系统，包括三组分别 连接在交流电网三相线上的无源滤波器，三组无源滤波器又均连接至有源滤波器，交流电 网三相线上还连接有非线性负载。
[0007] 本发明第一技术方案的特点还在于，
[0008] 无源滤波器包括依次串联连接在交流电网三相线上的电容和电感。
[0009] 本发明所采用的第二技术方案是，一种并联混合型有源滤波系统的控制方法，基 于并联混合型有源滤波系统，具体按照以下步骤实施：
[0010] 步骤1、建立并联混合型有源滤波系统的数学模型：
[0012] 式⑴中：《为电路电流的角频率，r为系统的等效电阻值，L为无源滤波器电感 值，C为无源滤波器电容值，ia，ib，i。分别为三相网侧电流值，u d。为直流侧电压值，b awa、bbwb、 hw。表示开关损耗、检测误差以及外部因素对系统的干扰，u/(j = a、b、c)表示三相电网电 压等效值，SA，sB，Sc表示开关状态，S j (j = A, B, C)取值如下：
[0016] 式⑶中表示采样时间，T。为PWM开关周期，d为占空比，m表示采样点，m= 1，2, 3,…，
[0017] 将式（3)按傅里叶级数展开得：
[0019] 式⑷中，dj表示占空比，T。为PWM开关周期，
[0020]在高开关频率f下，忽略Sj (j = A，B，C)开关函数的高频谐波成分，得到低频模型 按傅里叶级数展开表达式为：
[0021]
[0022] 式（5)中，r为系统的等效电阻值，L为无源滤波器电感值，C为无源滤波器⑴电 容值，b awa、bbwb、b，。表示开关损耗、检测误差以及外部因素对系统的干扰，u/(j = a、b、c) 表示三相电网电压等效折算值，sA，sB，sc表示开关状态，d」(j = A，B，C)表示占空比，
[0023] 采用三角波调制，占空比dj(j = A，B，C)满足下式：
[0027]式（7)中，表示三相电流的微分值，r为系统的等效电阻值，L为无源滤波器电感 值，C为无源滤波器电容值，表示调制波幅值，V 表示载波幅值，u /(j = a、b、c)表示 三相电网电压等效折算值，bjWj表示开关损耗、检测误差以及外部因素对系统的干扰，UtkS 直流侧电压，
[0032] Uj= V rJ,
[0033] 式⑶中的k为扰动补偿因子，是决定补偿强弱的因子，在控制系统中作为可调 参数使用，从式（7)看出，fj不仅包含开关损耗、检测误差外部扰动信息，还包含与输出信息 有关的表征系统内部动态特性的信息；
[0034] 步骤2、当步骤1对并联混合型有源滤波系统建模结束后，建立线性自抗扰控制数 学模型：
[0035] 采用线性扩张状态观测器（Linear Extended State Observer -LESO)和线性状 态误差反馈控制律（Linear State Error Feedback -LSEF)作为一阶自抗扰控制器，一阶 自抗扰控制器的控制方程有线性扩张状态观测器（LESO)方程和线性状态误差反馈控制律 (LSEF)方程，线性扩张状态观测器（LESO)方程具体表示为：
[0037] 式（9)中，Z21、Z22为线性扩张状态观测器（LESO)方程的两个输出变量，e为误 差，:^为补偿电流信号，为系统反馈，B pB2为比例系数，由式（9)知，Z 21跟踪系统反馈I "， 并作为控制器的电流反馈信号，Z22被称作扰动补偿，跟踪系统总扰动a(t)，并被直接引入 线性自抗扰控制器的输出端，对系统的扰动进行前馈补偿，
[0038] 线性状态误差反馈控制律（LSEF)表示为：
[0040] 式（10)中，Z11为指令电流信号，e :为误差，作为线性状态误差反馈控制律（LSEF) 的输入，kp为比例系数，u ^为初始控制量，
[0041] 结合式（9)和式（10)，得到自抗扰控制器总输出u，u的表达式为：
[0042] u = (U0-Z22)/b (11)
[0043] 式（11)中，Utl为初始控制量，b为扰动补偿因子，
[0044] 由式（9)、式（10)、式（11)知，线性自抗扰控制器的控制过程中可调参数为：LSEF 中的比例系数k p，LESO中的比例系数B2，扰动补偿因子b，控制量u最终作用于被控对 象；
[0045] 步骤3、在步骤2已经建立好的线性自抗扰控制器的基础上，依据内模原理建立重 复控制补偿线性自抗扰控制模型，具体为：给定输入指令电流信号1。1，通过比较给定1。1 和实际输出补偿电流I c3得出的偏差e k，偏差ek经具有延迟环节的低通滤波器Q1(S)e+ 得到上一采样周期的偏差e (k-T)后，经过PID调节，最终得到以T为周期的重复控制输出 补偿信号Uk。，重复控制补偿线性自抗扰控制模型的表达式具体如下：
[0047] 式（15)中，为误差，作为指令电流信号1>与实际补偿电流1"的差值， e (k-T)为上一周期的误差，Uk为以T为周期的重复控制输出的补偿信号，
[0048] 步骤4、结合步骤3中的重复控制补偿线性自抗扰控制和步骤2中的线性自抗扰控 制两种算法，最终作用于系统的控制信号为
[0049] T = U-C+UKC (16)
[0050] 式（16)中，Uadkc为线性自抗扰控制器的输出信号，Uadkc为自抗扰控制器总输出u， %。为重复控制的输出补偿信号；
[0051] 步骤5、将以上得出的最终作用于系统的控制信号T输入被控对象中，进行控制：
[0052] 将最终作用于系统的控制信号T，经过三角波调制后，得到六路脉冲信号，将六路 脉冲信号输入有源滤波器（2)内的三相桥臂的6个开关管，通过对开关管的控制得出实际 的补偿电流I c3，最终实现并联混合型有源滤波系统的控制。
[0053] 本发明第二技术方案的特点还在于，
[0054] 尚开关频率f取值范围为f 3 f。，f。表不开关频率。
[0055] 本发明的有益效果是，一种并联混合型有源滤波的控制方法，采用线性自抗扰控 制方法可以通过扩张状态观测器观测出系统的状态变量的同时观测出系统的综合扰动，得 到广义状态误差并对扰动项进行前馈补偿、抵消，因此使控制系统在稳定性和鲁棒性方面 都有显著的提高，采用的重复控制方法把上一周期运行的偏差和现有偏差共同作为系统输 入，不仅可以提尚系统的跟踪精度，还能够提尚鲁棒性及改善系统控制品质。
【附图说明】
[0056] 图1是本发明一种并联混合型有源滤波系统的结构示意图；
[0057] 图2是本发明一种并联混合型有源滤波系统的控制方法中线性自