基于跟踪微分器的有源滤波器空间矢量电流控制方法与流程

本发明针对电力系统中的谐波电流补偿环节，特别是对参考输出电压的准确计算，为有源滤波器(APF)进行谐波补偿过程中的谐波电流补偿部分提供可靠基础。

背景技术：

近年来，大量非线性负荷投入电力系统运行引起的电能质量问题备受关注。并联有源电力滤波器(APF)被认为是抑制谐波最有效的设备之一。当检测出负载侧电流谐波含量后，如何控制实际补偿电流迅速且准确的跟踪参考补偿电流成为能否实现有源滤波器功能的关键，在复杂的谐波环境中更是显得尤为重要。

谐波电流控制方法主要分为两种方式，一种是瞬时值比较方式，这种方式以滞环控制为代表，虽然该方法实现简单，电流响应速度快，不含特定阶次谐波，但是半导体器件的开关频率是变化的，有可能超出器件的最高工作频率而导致其损坏；另一种是三角波比较方式，其不直接将参考补偿电流与三角波比较，而是讲参考补偿电流和实际电流的偏差经过放大器后再与三角波比较，其输出电压所含谐波较少，但跟随误差较大，且电流响应较慢。因此，如何准确迅速的跟踪参考补偿电流，特别是在保证功率器件安全可靠的情况下，现有的控制方法有待优化改善。

技术实现要素：

为了克服上述传统的电流跟踪控制方法存在的不足，本发明提出一种基于跟踪微分器的有源滤波器空间矢量电流控制方法。通过预先设计的跟踪微分器，可以计算得到电感两端的电压值，从而将参考补偿电流转化为参考输出电压，而将参考输出电压转化到α-β坐标系得到电压矢量，并将电压矢量分解到各个开关周期上得逆变器开关信号，再输出实际补偿电流以达到补偿网侧电流的目的。该方法能较好的补偿谐波，减少开关频率，且对外部干扰和内部扰动具有很好的适应性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于跟踪微分器的有源滤波器空间矢量电流控制方法，

首先设计跟踪微分器TD以实现功能

x₁(k+1)＝x₁(k)+h·x₂(k)

x₂(k+1)＝x₂(k)+h·fhan(x₁(k)-v(k)，x₂(k)，r，h)

式中，r为跟踪速率，h为采样周期，v(k)为系统在k时刻的输入，在系统调试阶段只需调节r的值就可以得到很好的跟踪效果。

其中

式中，d＝r·h，d₀＝h·d,y＝x₁+h·x₂,

通过前期的谐波电流检测算法，得到有源滤波器需要向网侧补偿的参考谐波电流量，然后通过跟踪微分器和信号放大器将参考谐波电流量转换为滤波器的参考输出电压，其次通过静止坐标系变换，将参考输出电压转换到α-β坐标系，即得到了α-β参考输出电压矢量，将电压矢量投影到三相开关状态矢量方向上，得到了在一个周期内三相参考电压矢量，再通过与特定三角波进行比较而得到逆变器控制输出信号，最后有源滤波器输出和与负载谐波电流频率相同幅值相等而方向相反的电流补偿掉网侧的谐波。

更进一步地，参考补偿电流与实际逆变器输出电流的差值经过包含之前设计的跟踪微分器的电流电压转换单元，即可以的到逆变器输出端和网侧电压端的电压差，得到的电压差加上当前时刻的网侧电压即得到参考输出电压。计算得到的参考输出电压转换到α-β坐标系中，得到α-β坐标系下的参考输出电压矢量，将其分解到最近的两个状态矢量方向上，通过相似三角形定理得到在一个开关周期内保持两个开关状态量的时间，即可得出矢量占空比，再同三角波比较得到了逆变器的开关信号。将开关信号输入到逆变器以控制输出补偿电流补偿网侧谐波。

其中实现难点为微分部分，普通的微分器实现是通过延迟环节实现，但也带来了很多毛刺和噪声，因此设计一款跟踪微分器来实现微分功能十分有必要。

设计一款跟踪微分器，使得其输出能逼近于输入的理想微分信号，且使得毛刺和噪声到达可接受范围以内。

通过电流电压转换器后得到了参考输出电压，将参考输出电压转换到a-b平面得到了a-b坐标系下的电压矢量，

转化矩阵为

其中

得到α-β坐标系下的参考电压矢量将其分解到其三角形区域上的开关状态矢量上，并通过适当的运算将其转化为pwm控制信号输出，使得逆变器输出补偿电流补偿电网谐波。

有益效果：本发明的基于跟踪微分器的有源滤波器空间矢量电流控制方法突破了传统的滞环电流控制开关频率不可控，调节效果受滞环宽带等影响；相较于载波移向脉宽调制其开关频率更小，且能更好的补偿谐波电流。

附图说明

图1为本发明实施例中并联型有源滤波器主电路结构图。

图2为本发明实施例中基于跟踪微分器的空间矢量电流控制方法示意图。

图3为本发明实施例中空间矢量分区示意图。

图4为本发明实施例中第一区域的矢量分解示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本发明创造的技术方案做进一步的说明。

本实施例的基于跟踪微分器的空间矢量的有源滤波器电流控制方法，首先通过前期的谐波检测算法，得到有源滤波器需要向网侧补偿的电流量，然后通过跟踪微分器和信号放大器将补偿电流量转换为滤波器的参考输出电压，其次通过静止坐标系变换，将参考输出电压转换到α-β坐标系，即得到了α-β参考输出电压矢量，将电压矢量投影到三相开关状态矢量方向上，得到了在一个周期内三相参考电压矢量，再通过与特定三角波进行比较而得到逆变器控制输出信号，最后有源滤波器输出和与负载谐波电流频率相同幅值相等而方向相反的电流补偿掉网侧的谐波。该方法突破了传统的滞环电流控制开关频率不可控，调节效果受滞环宽带等影响；相较于载波移向脉宽调制其开关频率更小，且能更好的补偿谐波电流。

本发明以补偿非线性负载产生的各次谐波为例，详细说明本发明的实施方式。图2为本发明实施例中基于跟踪微分器的空间矢量电流控制方法示意图。

Step1：设计跟踪微分器

x₁(k+1)＝x₁(k)+h·x₂(k)

x₂(k+1)＝x₂(k)+h·fhan(x₁(k)-v(k)，x₂(k)，r，h)

式中，r为跟踪速率，h为采样周期,v(k)为当前输入，

其中

式中，d＝r·h，d₀＝h·d,y＝x₁+h·x₂,

Step2：计算参考输出电压。

由基尔霍夫定理可知

微分部分通过跟踪微分器求得，而U_sa,U_sb,U_sc经由电压检测直接获得逆变器输出电压，电阻为滤波器输出端到电网的电阻。

Step3：坐标系转换

将得到的参考输出电压转换到α-β坐标系上，得到α-β坐标系下的参考电压矢量指令，其坐标转换函数为：

Step4：区域判断

在图1的主电路中，可以得到8中开关模式所对应的并联有源滤波器交流测输出电压矢量u_k(k＝0，1，…，7)，并且将矢量空间分为6个三角形区域，如图3所示，U_α-β即落在所化三角形区域内。

Step5：矢量计算(以第一区域为例)

在上一步中将U_α-β矢量分解到所在三角形区域的两条相邻的两条边上，如图4所示：

U_α-β＝(V_α,V_β)

其中，Ts为开关周期，Vdc为电容电压，T1，T2即为在一个周期内，开关状态1和开关状态2所持续的时间。而状态1和状态2即为三组互斥的开关对组成，所以

通过[y_a y_b y_c]^T与三角波作比较得到pwm作为逆变器的控制输出信号。

Step6：驱动补偿

逆变器输出补偿电流，补偿掉负载侧的谐波，使得电网谐波含量减少，以达到谐波补偿的目的。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。