一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合控制方法，特别是涉及一种并联型混合有源电力滤波器的复 合控制方法。
【背景技术】
[0002] 并联型混合有源电力滤波器由PF (无源部分）和APF (有源部分）两部分构成，如 图1所示： 通过检测负载或者电网中的谐波成分，将有源电力滤波器APF控制成受控电流源Iapf 或者电压源Uapf，单相等效电路如图2所示： 其中，采用APF控制成受控电流源的策略使得APF (有源部分）要承担基波电压，导致 有源容量较大，很难体现成本优势，故目前多采用APF控制成受控电压源的策略，并采用网 侧电流的电压控制，原理如下： 根据叠加原理可分解如图3所示： 目前应用较多的是PI控制器，为了实现多频率下的高补偿精度，也有采用比例正弦积 分控制，多旋转坐标系下的积分控制等等，以提高混合有源滤波器的补偿精度。
[0003] 常规PI控制器只能实现参考信号为直流时的无静差跟踪。而在混合有源电力滤 波器中，其参考和反馈电压是由多次谐波叠加而成，PI调节器无法准确跟踪。另外由于器 件开关频率受到限制，为了保证对开关频率纹波的衰减，PI调节器的带宽又不能取得过大。 因此，常规PI控制器在混合有源滤波器的应用中受到了极大地限制， 比例正弦积分控制，多旋转坐标系下的积分控制都是基于选择性谐波补偿的思想，因 此需要在每个谐波频率下分别嵌入控制器进行补偿，在实际应用中程序实现较繁琐，且无 法实现全带宽内谐波补偿。
【发明内容】
[0004] 本发明主要解决的技术问题是：如何提供一种对目前并联型混合有源电力滤波器 的控制器存在的不足，提出一种复合控制方法，采用PI内环加重复控制外环构成的双环复 合控制算法，不但能实现对奇次，偶次和基波负序谐波的高补偿精度，而且大大降低了系统 的复杂度，节省了成本，易于工程实践的。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种并联型混合有源 电力滤波器的复合控制方法，包括：以下操作步骤， (1) 获取电网、并联型混合有源电力滤波器的状态信息； (2) 从电网电流中提取电压指令； (3) 计算电压误差信号； (4) 对电压差信号进行重复控制及PI调节，得到调制信号。； (5) 构造 PffM信号。
[0006] 其中，所述并联型混合有源电力滤波器包括无源部分和有源部分。
[0007] 在本发明一个较佳实施例中，在步骤（1)中，利用电压电流传感器采集电网电压、 电网电流、有源部分的直流母线电压以及有源部分经过滤波后的输出电压。
[0008] 在本发明一个较佳实施例中，在步骤（2)中，利用锁相环提取电网电压的相位，根 据相位对负载电流进行谐波指令提取，并首先通过以下传递函数对负载电流进行带通滤 波，得到负载电流的各次谐波信号；对各次谐波信号进行叠加得到电网电流的总谐波信号； 计算谐波电压指令信号；根据电网电压的相位对进行变换，得到轴输出电压谐波分量和轴 输出电压谐波分量；根据电网电压的相位对输出电压行变换，得到有功轴输出电压分量、无 功轴输出电压分量和零轴输出电压分量。
[0009] 在本发明一个较佳实施例中，在步骤（3 )中，对直流母线电压进行调节得到直流侧 电压调节量，给定的直流侧电压值减去直流母线电压得到直流母线电压误差信号；同时，直 流母线电压误差信号经PI调节得到直流侧电压调节量，有功轴谐波电压指令减去有功轴 实际输出电压分量得到有功轴电压误差信号，无功轴谐波电压指令减去无功轴实际输出电 压分量再加上直流侧电压调节量得到无功轴电压误差信号。
[0010] 在本发明一个较佳实施例中，在步骤（4)中，令有功轴电压误差信号作为输入，对 其进行内模更新，得到内模更新电压误差信号，令无功轴电压误差信号和零轴电压误差信 号分别作为输入，得到无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号；将有功轴电压指令信号、 无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号进行反变换得到调制信号。
[0011] 在本发明一个较佳实施例中，在步骤（5)中，利用调制器使调制信号与给定的三角 载波信号进行比较，生成脉冲宽度调制信号。
[0012] 本发明的有益效果是：对目前并联型混合有源电力滤波器的控制器存在的不足， 提出一种复合控制方法，采用PI内环加重复控制外环构成的双环复合控制算法，不但能实 现对奇次，偶次和基波负序谐波的高补偿精度，而且大大降低了系统的复杂度，节省了成 本，易于工程实践。
【附图说明】
[0013] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使 用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它 的附图，其中： 图1是【背景技术】中，并联型混合有源电力滤波器的无源部分和有源部结构示意图； 图2是【背景技术】中，单相等效电路图，即先串后并混合型单相等效电路图； 图3是【背景技术】中，叠加原理可分解示意图，即先串后并混合型电压源控制单相等效 及分离电路图； 图4是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的系 统结构图； 图5是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的 HAPF的整个系统控制系统图； 图6是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的复 合控制方法的框图； 图7是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的并 联型有源电力滤波去的复合控制方法流程图； 图8是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的不 控整流负载进行谐波补偿原理图； 图9是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的稳 态补偿效果中采用PI控制器的效果图； 图10是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的稳 态补偿效果中采用采用复合控制器效果图； 图11是本发明的一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法一较佳实施例的采 用复合控制负载由50%切换到100%时动态响应效果图。
【具体实施方式】
[0014] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范 围。
[0015] 本发明实施例提供如下技术方案。
[0016] 本发明涉及一种并联型混合有源电力滤波器（HAPF)的复合控制方法。随着生产力 的不断进步和科学技术的高度发展，钢铁、冶金、化工、新能源等现代工业得到了迅速提升， 但其中电力电子装置的大量使用也使得电力系统内负荷的复杂性和多样性大大增加。其 中，冲击性波动性负荷以及非线性负荷的大量应用造成的电网内电压电流畸变、电压波动 闪变等非正常现象日趋严重。无功补偿和谐波治理设备得到了大力提倡和推广。
[0017] 由于传统无源滤波器存在有效材料消耗大，体积大，占地多，易与系统发生谐振， 导致谐波放大，引起无源滤波器过载，甚至烧毁，危及电网安全的问题。近年来有源电力滤 波器在低压配电网得到了迅猛的发展，但是由于半导体器件成本以及耐压限制，很难应用 到高压电网系统中。混合有源电力滤波器能将传统的无源电力滤波器和有源电力滤波器技 术相结合，既能有效解决无源滤波器固有的问题，又能有效降低成本，是目前高压系统中谐 波治理应用较为广泛的装置。本发明针对并联型混合有源电力滤波器提出一种复合控制方 法，能有效提高HAPF的谐波补偿精度及控制性能，且易于工程实践，具有较大的应用价值。
[0018] 在本实施例中提供一种并联型混合有源电力滤波器的复合控制方法，所述的并联 型混合有源电力滤波器的复合控制方法包括：以下操作步骤， (1) 获取电网、并联型混合有源电力滤波器的状态信息； (2) 从电网电流中提取电压指令； (3) 计算电压误差信号； (4) 对电压差信号进行重复控制及PI调节，得到调制信号。； (5) 构造 PffM信号。
[0019] 其中，所述并联型混合有源电力滤波器包括无源部分和有源部分。
[0020] 在步骤（1)中，利用电压电流传感器采集电网电压、电网电流、有源部分的直流母 线电压以及有源部分经过滤波后的输出电压。
[0021] 在步骤（2)中，利用锁相环提取电网电压的相位，根据相位对负载电流进行谐波指 令提取，并首先通过以下传递函数对负载电流进行带通滤波，得到负载电流的各次谐波信 号；对各次谐波信号进行叠加得到电网电流的总谐波信号；计算谐波电压指令信号；根据 电网电压的相位对进行变换，得到轴输出电压谐波分量和轴输出电压谐波分量；根据电网 电压的相位对输出电压行变换，得到有功轴输出电压分量、无功轴输出电压分量和零轴输 出电压分量。
[0022] 在步骤（3)中，对直流母线电压进行调节得到直流侧电压调节量，给定的直流侧电 压值减去直流母线电压得到直流母线电压误差信号；同时，直流母线电压误差信号经PI调 节得到直流侧电压调节量，有功轴谐波电压指令减去有功轴实际输出电压分量得到有功轴 电压误差信号，无功轴谐波电压指令减去无功轴实际输出电压分量再加上直流侧电压调节 量得到无功轴电压误差信号。
[0023] 在步骤（4)中，令有功轴电压误差信号作为输入，根据以下算式对其进行内模更 新，得到内模更新电压误差信号，令无功轴电压误差信号和零轴电压误差信号分别作为输 入，得到无功轴电压指令信号和零轴电压指令信号；将有功轴电压指令信号、无功轴电压指 令信号和零轴电压指令信号进行反变换得到调制信号。
[0024] 在步骤（5)中，利用调制器使调制信号与给定的三角载波信号进行比较，生成脉冲 宽度调制信号。
[0025] 在一个具体实施例中，本发明针对由PF (无源部分）和APF (有源部分）串联的并 联型有源电力滤波器的控制，系统结构图如图4。
[0026] I，APF被控制为谐波电压源，迫使负载中的谐波电流流入PPF，使电网电流中不含 谐波。为了降低系统损耗，无源滤波器组仅采用5,7,11次单调谐滤波器，同时去掉耦合变 压器以节省成本，适应高压应用场合。其中i sA，分别表示电网谐波电流和负载谐波电 流，心为HAPF输出的电流，包括基波无功电流和补偿谐波电流。&为电网电压，％为APF 输出控制电压，^为直流侧电压。4