基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器及其运算电路的制作方法

本发明涉及电子领域，特别涉及基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器及其运算电路。

背景技术：

有源电力滤波器是一种用于实时补偿无功功率和抑制谐波电流的电力电子装置，能够对频率和大小都变化的谐波和变化的无功功率进行实时补偿，可以克服传统滤波器等谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点。基于谐波电流检测的控制方式和双闭环控制方式是主要的两种控制方式。基于谐波电流检测的控制方式基本原理为首先检测负载电流中的谐波和无功分量，通过变换器输出与其大小相等、方向相反的补偿电流来进行抵消，实现谐波抑制和无功功率补偿的目的。

但是这种方法需要检测负载电流、补偿电流和电网电压等检测量较多，同时需要比较复杂的数学公式算法来处理负载电流以提取谐波和无功分量,硬件方面需要较大的支持，比如较高级的处理芯片等，设备费用投入较大。相比之下双闭环控制方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠，采用双闭环控制方式的通常采用比例积分控制器来实时地调节输出电流的大小，但是我们可以了解到，用这种控制器的输出信号中是含有谐波信号的，达不到理想的效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器及其运算电路，在加快反应时间的前提下，极大地提升了有源电力滤波器的动态性能，参考电流使其对谐波的抑制能力可以最大实现。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器及其运算电路，包括：

电压环，根据测量直流侧电压实际值和电压参考值，输出直流侧电压实际值和电压参考值的差值；

pi控制器，比例积分控制器，与电压环输出相连，用于输出对应的参考电流；

非线性微分跟踪器，与比例积分控制器相连，可以更快速的跟踪参考电流以及导数信号，并滤除参考电流中的谐波；

锁相环，生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号，检测电网侧电压相位；

乘法器，与非线性跟踪微分器和锁相环的输出连接,得到电网侧电流的参考值。

作为本发明的一种优选技术方案，所述跟踪微分器为非线性，具有两个输出端口，所述端口一用于采集跟踪输入信号，并对输入信号作带有滤波效果的光滑趋近，所述端口二输出滤波之后的电流信号以及广义导数电流信号，所述端口一与乘法器连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述非线性跟踪微分器具有可调参数r，通过r值的参数改变同时满足跟踪微分器的相位跟踪和滤波效果要求，所述非线性跟踪微分器的参数满足赫尔维茨矩阵，用于稳定非线性跟踪微分器设计构建。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了如下的技术方案：

所述电流跟踪控制电路包括电流检测器和电流环，所述电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，所述电流环同时与电流检测器和指令电流运算电路相连，输出电流的参考值与电流实际值的做差之后的差值信号。

作为本发明的一种优选技术方案，所述驱动电路，是与电流跟踪控制电路相连，并输出驱动信号；

主电路，是与驱动电路相连，根据驱动信号向负载侧输出电流信号，用于补偿电流；

主电路包括脉冲宽度调制变流器和在脉冲宽度调制变流器两侧并联电容器。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过基于谐波电流检测的控制方式和双闭环控制方式，是主要的两种控制方式，有源电力滤波器是一种用于实时补偿无功功率和抑制谐波电流的电力电子装置，能够对频率和大小都变化的谐波和变化的无功功率进行实时补偿，可以克服传统滤波器等谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点，基于谐波电流检测的控制方式基本原理为首先检测负载电流中的谐波和无功分量，通过变换器输出与其大小相等、方向相反的补偿电流来进行抵消，实现谐波抑制和无功功率补偿的目的，双闭环控制方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠，非线性跟踪微分器中参数的变化对跟踪微分效果亦有重要影响，当被跟踪信号为常数时，要保证跟踪且没有超调，非线性跟踪微分器能明显改善跟踪品质，加快响应速度，当存在噪声时，可以达到更好的滤波效果，同时较小的快速因子r就能取得较满意的效果，而且滤波因子的增大可以更好的达到滤波效果，相比于原有源电力滤波器，跟踪微分器改进的有源电力滤波器在提高反应时间的前提下，极大地提升了单相有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的现有有源电力滤波器原理图；

图2是本发明的基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器原理图；

图3是本发明的非线性跟踪微分器示意图；

图4是本发明的基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器的pi调节器输出；

图5是本发明的有源电力滤波器simulink仿真图；

图6是本发明的非线性负载电路图；

图7是本发明的跟踪控制电路图；

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-7所示，本发明提供基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器及其运算电路，包括：

电压环，根据测量直流侧电压实际值和电压参考值，输出直流侧电压实际值和电压参考值的差值；

pi控制器，比例积分控制器，与电压环输出相连，用于输出对应的参考电流；

非线性微分跟踪器，与比例积分控制器相连，可以更快速的跟踪参考电流以及导数信号，并滤除参考电流中的谐波；

锁相环，生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号，检测电网侧电压相位；

乘法器，与非线性跟踪微分器和锁相环的输出连接,得到电网侧电流的参考值。

跟踪微分器为非线性，具有两个输出端口，端口一用于采集跟踪输入信号，并对输入信号作带有滤波效果的光滑趋近，端口二输出滤波之后的电流信号以及广义导数电流信号，端口一与乘法器连接。

非线性跟踪微分器具有可调参数r，通过r值的参数改变同时满足跟踪微分器的相位跟踪和滤波效果要求，非线性跟踪微分器的参数满足赫尔维茨矩阵，用于稳定非线性跟踪微分器设计构建。

电流跟踪控制电路包括电流检测器和电流环，电流检测器检测电网侧电流实际值并输出给电流环，电流环同时与电流检测器和指令电流运算电路相连，输出电流的参考值与电流实际值的做差之后的差值信号。

驱动电路，是与电流跟踪控制电路相连，并输出驱动信号；

主电路，是与驱动电路相连，根据驱动信号向负载侧输出电流信号，用于补偿电流；

主电路包括脉冲宽度调制变流器和在脉冲宽度调制变流器两侧并联电容器。

具体的，双闭环控制的有源电力滤波器的基本原理如图1所示，由直流侧电压外环经pi控制得到网侧电流幅值参考值，将之与通过锁相环得到的同电网电压同频同相的单位正弦量相乘，得到网侧电流的参考值，之后通过内环电流环，使实际电网电流跟踪参考值，图中，vdc是直流侧电容两端电压，vdcref是直流侧电压参考值，vs是电网电压，is是电网侧电流，isref是网侧电流参考值，il是负载电流，ic是补偿电流；

为了观测该方法的效果，搭建了相应的仿真模型，如图6所示，相关参数为：电网电压为220v、50hz，负载为单相全桥不控整流电路，直流侧电容c＝1500μf，输出滤波器l＝0.004h，图6为非线性负载；

探究原因，发现pi控制器的输出信号中含有谐波，如此，其与单位正弦信号相乘所得的电流参考信号中一定也是含有大量谐波，最终会使得电流中谐波含量过大，可能会存在很大的谐波污染；

为了提高双闭环控制方式有源电力滤波器的相关性能，本设计使用非线性跟踪微分器对pi控制器输出信号进行滤波处理，跟踪出其输入信号，还可以得出存在谐波信号的导数信号；

图2是基于非线性跟踪微分器的有源电力滤波器原理图，包括电流运算电路、电流跟踪控制电路和主电路；

其中指令电流运算电路在pi控制器与乘法器之间设置非线性跟踪微分器，非线性跟踪微分器是这样一种机构，如图3所示输入信号v(t)，可以输出两个信号v1和v2。其中v1是输入信号v(t)的光滑逼近，v2是导数信号，即v1的导数信号，该求导过程可以避免高频噪声及不可导点的影响，而且r的取值很小就可以获得非常好的跟踪滤波效果，由于本设计中不需要输出导数信号，所以跟踪微分器只输出跟踪信号，为单入单出；

对如下系统

非线性跟踪微分器的一般形式为

从自抗扰控制技术一书的研究中可以得出函数u＝flan(x1,x2,r,h)的解释如下：

本设计使用的是非线性跟踪微分器，线性跟踪微分器可以提高电路响应时间；

其中是r可调参数，此可调参数决定跟踪微分器的滤波性能的好坏，h0为滤波因子，参数h0的扩大起着很好的滤波作用，r如果设置过高也会降低非线性微分跟踪器的滤波性能，r不需要设置很高的参数就可以达到滤波效果，本设计中取值为r＝30，满足非线性跟踪微分器的相位跟踪和滤波效果；

为了观测该方法的效果,搭建了相应的仿真模型并得到了仿真结果；

实验结果如图4所示经非线性跟踪微分器改进后，pi控制器输出基本不含谐波，极大地提升了有源电力滤波器的谐波抑制能力，达到了理想的控制效果；

非线性跟踪微分器对系统反应时间的影响，原有源电力滤波器及非线性跟踪微分器改进的有源电力滤波器，两种控制方式的反应时间的变化；

综上，相比于原有源电力滤波器，跟踪微分器改进的有源电力滤波器在提高反应时间的前提下，极大地提升了单相有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力。

本发明通过基于谐波电流检测的控制方式和双闭环控制方式，是主要的两种控制方式，有源电力滤波器是一种用于实时补偿无功功率和抑制谐波电流的电力电子装置，能够对频率和大小都变化的谐波和变化的无功功率进行实时补偿，可以克服传统滤波器等谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点，基于谐波电流检测的控制方式基本原理为首先检测负载电流中的谐波和无功分量，通过变换器输出与其大小相等、方向相反的补偿电流来进行抵消，实现谐波抑制和无功功率补偿的目的，双闭环控制方式只需检测电网侧的电压和电流，无需检测负载电流和补偿电流，且不需要进行谐波和无功提取，算法简单，易于实现，更加经济可靠，非线性跟踪微分器中参数的变化对跟踪微分效果亦有重要影响，当被跟踪信号为常数时，要保证跟踪且没有超调，非线性跟踪微分器能明显改善跟踪品质，加快响应速度，当存在噪声时，可以达到更好的滤波效果，同时较小的快速因子r就能取得较满意的效果，而且滤波因子的增大可以更好的达到滤波效果，相比于原有源电力滤波器，跟踪微分器改进的有源电力滤波器在提高反应时间的前提下，极大地提升了单相有源电力滤波器的动态性能，增强了其谐波抑制能力。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。