一种有源电力滤波器自适应控制方法与流程

本发明属于有源电力滤波器控制技术领域，涉及一种有源电力滤波器直流侧电压自适应控制方法。

背景技术：

随着电力电子装置和非线性负载的广泛使用，公用电网的谐波污染日益严重。有源电力滤波器(APF)能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，是目前谐波治理的一项关键技术。但APF本身存在开关损耗和电阻损耗，并且在工作状态变化时需要从系统中吸收一定的有功功率，引起直流侧电压的波动或降低，直接影响APF的正常工作。在现有的APF直流电压控制策略中，PI控制应用最广泛、最成熟，传统的PI控制方法结构简单、精确度高，但PI参数较难整定，并且对APF的参数变化或非线性适应能力较差；模糊PI控制策略方法简单、稳态效果比常规的PI控制好，但动态过程的控制效果不理想；基于自适应滤波的控制方法较复杂，动态性能也不是很好；基于能量守恒的PI控制减少了非线性因素的影响，扩大了控制器的适应范围，系统的超调量减小和静差性能变好，但仍然存在PI参数难整定的缺点。因此，有必要采用新的控制方法解决上述APF直流侧电压控制存在的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种自适应PI控制策略，保证APF直流侧电压在供电系统输出功率变化时仍维持恒定，使APF能够保持良好的补偿品质。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：采用基于径向基函数(RBF)神经网络的自适应PI控制策略，实现对APF直流侧电压的自适应控制。基于RBF网络的自适应PI控制器包含PI自校正控制器和RBF网络2个组成部分，其中RBF网络的2个输入信号分别是PI自校正控制器的输出信号和PWM变流器的直流侧电压采样值。基于RBF网络的自适应控制系统采用增量式PI控制算法，自适应控制器采取梯度下降法调整PI控制参数。RBF网络对PWM变流器的直流侧电压进行跟踪检测，并把检测到的结果与其参考值进行比较，然后把误差送回到自适应控制器，RBF神经网络根据误差在线辨识得到梯度信息，PI参数根据梯度信息进行在线调整，确保APF在供电系统输出功率不同时均能找到合适的PI控制参数。

基于RBF网络的有源电力滤波器自适应控制系统主要由交流侧电流控制和直流侧电压控 制两部分组成。交流侧电流控制主要实现抑制谐波和补偿无功的功能，通过电流检测电路和补偿电流控制电路实现。电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测算法，利用三相/两相转换矩阵C32和两相/两相变换矩阵C将三相电流变换为三相瞬时有功电流和无功电流，经过低通滤波器滤波后分别得到其直流分量，然后依次进行两相/两相、两相/三相变换得到三相被检测电流的基波分量，从三相电流中减去其基波分量得到其谐波分量。如果要同时对谐波电流和无功电流进行补偿，则只需将有功电流直流分量进行两相/两相、两相/三相变换。电流检测电路的输出即为APF的补偿电流参考值，根据电压空间矢量(SVPWM)调制原理，首先通过电流电压转换电路将补偿电流参考值变换为三相电压参考值，然后根据SVPWM调制算法得到PWM变流器中开关器件的驱动信号，使PWM变流器输出三相补偿电流，抵消掉三相负载电流中的谐波和无功电流分量，从而达到抑制谐波和补偿无功的目的。

直流侧电压控制的目的是维持APF直流侧电容电压恒定，防止APF工作过程中直流侧电压的降低或波动影响APF的补偿效果，采用基于RBF网络的自适应PI控制策略。APF吸收的有功功率除了补充其开关损耗和支路电阻损耗外，主要使PWM变流器直流侧电容电压发生变化，因此电容电压的变化直接反映了APF吸收有功功率的变化。当电网电压不变时，APF吸收有功功率的变化则体现为有功电流的变化，因此通过调节有功电流的大小即可实现APF直流侧电压的控制。直流侧电容电压参考值与采样值的差经基于RBF网络的自适应PI自校正控制器调节后得到调节信号，将其与三相负载瞬时有功电流的直流分量相叠加，经坐标变换得到的补偿电流参考值中将包含一定的基波有功电流。通过改变PI控制器的调节信号即可控制交流侧电源对直流侧电容的充放电，实现直流侧电压的自适应PI控制。

附图说明

图1为本发明的有源电力滤波器自适应控制系统图；

图2为本发明的有源电力滤器系统仿真波形图；

图3为本发明的负载电流谐波分析结果示意图。

具体实施方式

下面将参考附图所示实施方式更详细地描述本发明。

实施例1

如图1所示，基于RBF网络的有源电力滤波器自适应控制系统图，主要由交流侧电流控制和直流侧电压控制两部分组成。i_Lai_Lbi_Lc为三相负载电流检测值，利用三相/两相转换矩阵C32和两相/两相变换矩阵C将i_Lai_Lbi_Lc变换为三相瞬时有功电流i_p和无功电流i_q，经过低通滤波器LPF滤波后分别得到其直流分量和对和依次进行两相/两相、两相/三相变换得 到三相被检测电流的基波分量i_af i_bf i_cf。从三相电流i_Lai_Lbi_Lc中减去其基波分量i_af i_bf i_cf得到其谐波分量i_ah i_bh i_ch。如果要同时对谐波电流和无功电流进行补偿，只需将无功电流直流分量处的开关断开即可。电流检测电路的输出即为APF的补偿电流参考值i_ca^*i_cb^*i_cc^*。通过电流电压转换电路将电流检测电路输出的补偿电流参考值i_ca^*i_cb^*i_cc^*变换为三相电压参考值，然后根据SVPWM调制算法得到PWM变流器中开关器件的驱动信号S_aS_bS_c，使PWM变流器输出三相补偿电流i_cai_cbi_cc，抵消掉三相负载电流i_Lai_Lbi_Lc中的谐波和无功电流分量，从而达到抑制谐波和补偿无功的目的。

直流侧电压控制采用基于RBF网络的自适应PI控制策略，直流侧电容电压参考值与采样值U_dc的差e_c经PI自校正控制器调节后得到调节信号i_dc，将i_dc与三相负载瞬时有功电流的直流分量相叠加，经坐标变换得到的补偿电流参考值i_ca^*i_cb^*i_cc^*中将包含一定的基波有功电流。通过改变PI控制器的调节信号i_dc即可控制交流侧电源对直流侧电容的充放电，实现直流侧电压的自适应PI控制。自适应PI控制器采用增量式PI控制算法得到调节信号，如式1。

式中：x_c1(k)＝e_c(k)-e_c(k-1)，x_c2(k)＝e_c(k)，K_p和K_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数。

自适应控制器采取梯度下降法调整PI控制参数，见式2，3。

设n为隐含层节点数，Jacobian阵算法见式4，5。

在式4和式5中：x是RBF网络的输入且x＝[x₁(k),x₂(k)]^T＝[U_dc(k-1),i_dc(k-1)]^T，w_j(k-1)、b_j(k-1)和c_j(k-1)分别是RBF神经网络的输出权值、高斯函数的节点中心参数和高斯函数的宽度参数，更新过程可以参照式6进行。

式中：η_c和a_c分别是PI控制器的学习速率和动量因子，η和a分别为RBF网络的学习速率和动量因子。

如图2和图3所示，在Matlab/Simulink环境下建立有源电力滤波器自适应控制系统的仿真模型，电网电压设置为380V/50Hz，开关频率为10kHz，谐波源采用三相不可控整流桥带阻感负载电路，两路负载参数均设置为电阻5Ω、电感2mH，RBF网络的隐含层节点数取为10，网络训练学习速率η＝0.8、动量因子a＝0.02，自适应PI控制器的学习速率η_c＝1、动量因子a_c＝0.04，仿真波形显示APF直流侧电容电压在系统启动后快速跟踪给定值800V，几乎无静差；系统在0.1s突增负载后，电容电压经过短暂调整很快重新稳定在给定值800V。0.15s之前只对谐波电流进行补偿，在无功电流的影响下电网电流波形滞后电压波形，谐波分析结果显示THD值为5.28％；0.15s之后同时对无功电流和谐波电流进行补偿，电网电流和电压波形很快实现同步，谐波分析结果THD值仅为1.86％，补偿效果非常理想。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。