一种并联型有源滤波器的恒功率控制的自抗扰控制系统的制作方法

本发明涉及一种自动化、电力电子领域，特别涉及一种并联型有源滤波器的恒功率控制的自抗扰控制系统。

背景技术：

近年来，随着非线性负载的大量使用，电力系统中的谐波污染日益严重，该问题会产生电力设备过热，电压波形畸变、闪变，干扰通信等一系列问题，因此，消除电网中的谐波污染是提高电能质量中的一个重要课题，有源电力滤波器作为抑制电网谐波污染、无功补偿、改善电能质量的电力电子设备受到越来越广泛的研究和关注；

三相有源电力滤波器，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，可以克服滤波器等传统谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点，然而，并联电力滤波器三相电流之间有强耦合非线性关系，使得实际补偿的电流(或功率)与指令信号产生误差，负载补偿效果受到严重影响，严重时甚至无法达到补偿效果，使负载不能正常工作，其主要有两种控制方式基于谐波电流检测的控制方式和双闭环控制方式；

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，然后使变换器输出与之大小相等、方向相反的补偿电流来抵消，从而使得电网侧电流中谐波含量降低且与电网电压同频同相，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、电网电流、补偿电流和电网电压，同时需要复杂的算法来处理负载电流以提取谐波和无功分量，需要多个电流互感器以及较高级的处理芯片，设备投入较大；

针对有源滤波器谐波电流检测的复杂性以及响应延迟，根据瞬时功率理论，提出了并联型有源滤波器恒功率控制策略，该控制策略通过实现逆变器有功功率和无功功率的解耦，分离出待补偿的功率分量，采用空间矢量调制算法，实现系统的恒功率控制，但是功率补偿解耦控制省去了坐标反变换环节，简化了控制系统结构，减少了中间系统响应延迟，提高了系统的响应速度，但与电流解耦控制相比，也存在补偿精度上的差距，因此需要在这种思路的基础上提出可以解决这种问题的控制方法。

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，提供一种并联型有源滤波器的恒功率控制的自抗扰控制系统，加入了自抗扰控制技术可以通过跟踪微分器滤出外来干扰，并且通过扩张状态观测器估计扰动，从而解决精度不够准确的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种并联型有源滤波器的恒功率控制的自抗扰控制系统，包括自抗干扰控制器，所述自抗干扰控制器包括有微分跟踪器、扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，其中微分跟踪器负责滤除忽略的非线性信号的扰动；扩张状态观测器负责采集控制电流和直流侧电压实际值，输出三相有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器；将自抗干扰控制器分别安装在低通滤波器以及直流侧电压处，将自抗扰控制系统应用在并联有源电力滤波器的恒功率控制上的具体步骤如下：

(1).根据瞬时无功理论，通过ea,eb,ec和ila,ilb,ilc实时计算负载的有功功率p和无功功率q；

(2).通过低通滤波器将功率的恒定部分和震荡部分分离出来作为功率控制指令信号；

(3).利用同样方法计算出的逆变器实际功率信号；

(4).根据直流侧电容两端电压、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流；

(5).经过自抗扰控制器产生实际控制信号，利用svpwm算法最终控制开关管的动作。

作为本发明的一种优选技术方案，所述扩张状态观测器实时估算出系统内部扰和外部扰的实时值，扩张状态观测器确定着整个自抗扰控制器的质量。

作为本发明的一种优选技术方案，所述观测器反馈控制回路设置控制参数，比例增益参数和积分增益参数工，生成控制电流控制参数的取值满足被控三相有源电力滤波器的控制要求，比例增益参数取值满足观测器反馈控制回路的反馈时间要求，积分增益参数取值同时满足观测器反馈控制回路反馈时间与反馈稳定性的要求。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、采用的自抗扰控制，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差；在低通滤波器后增加自抗扰控制，经由跟踪微分器，有随机噪声或不连续的量进微分信号以及连续信号的提取，可以提高系统的精度；

2、十分有效的提高了传统的并联有源电力滤波器的恒功率控制中的响应速度与精度之间的矛盾，保证了在响应速度提高的情况下，处理相应的电能质量问题时的准确性也相应的的提高，使得需要补偿的电压电流不会过大或者过小；

3、估计系统内部未建模动态和外部扰动不确定性，避免因忽略非线性因素而造成的误差。

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是本发明的并联型有源电力滤波器的恒功率控制原理图；

图2是本发明的自抗干扰控制器adrc结构图；

图3是本发明的td结构结构示意图；

图4是本发明的扩张状态观测器eso结构图；

图5是本发明的并联型有源电力滤波器的恒功率控制传统的原理图；

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1-5所示，本发明提供一种并联型有源滤波器的恒功率控制的自抗扰控制系统，包括自抗干扰控制器，自抗干扰控制器包括有微分跟踪器、扩张状态观测器和观测器反馈控制回路，其中微分跟踪器负责滤除忽略的非线性信号的扰动；扩张状态观测器负责采集控制电流和直流侧电压实际值，输出三相有源电力滤波器的状态量和扰动量；观测器反馈控制回路采集直流侧电压参考值和三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，生成控制电流反馈给扩张状态观测器；将自抗干扰控制器分别安装在低通滤波器以及直流侧电压处，低通滤波器用于将功率的恒定部分和震荡部分分离出来作为功率控制指令信号，首先将有源电力滤波器的直流侧电压的pi控制技术换成了自抗扰控制技术，再次将低通滤波器后面的pi控制器改成了自抗扰控制器，由于自抗扰控制是不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差，基于瞬时无功理论的并联型有源电力滤波器的恒功率控制方法加上自抗扰控制系统的原理图，即加上发明的原理图如图1所示，对系统输入信号安排过渡过程并提取微分信号的部分称为微分跟踪器(td)，对输入信号实现快速跟踪，并抑制超调的发生，自抗扰控制器是把内部扰动(把系统自身的不确定性称为内部扰动)和外部扰动当做系统的总扰动，直接检测它们对系统的总影响，而总扰动是通过扩张状态观测器(eso)进行估计，非线性状态误差反馈(nlsef)主要是利用扩张状态观测器输入与输出的差值给出被控对象的控制策略，进而消除总扰动，自抗干扰控制器adrc的结构图如图2所示：在这个系统中自抗扰被用在两个地方，在低通滤波器之后的adrc主要是将功率的恒定部分和震荡部分分离出来作为功率控制指令信号输入，进而可以将相应的我们忽略的非线性扰动消除，进而可以提高精确度，而放在直流侧电压部分的自抗干扰控制器adrc被配置为采集直流侧电容两端电压和电压参考值，检测三相有源电力滤波器的状态量和扰动量，并根据直流侧电容两端电压、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流，以消除三相有源电力滤波器的非线性和外部扰动带来的影响，将自抗扰控制系统应用在并联有源电力滤波器的恒功率控制上的具体步骤如下：

(1).根据瞬时无功理论，通过ea,eb,ec和ila,ilb,ilc实时计算负载的有功功率p和无功功率q；

(2).通过低通滤波器将功率的恒定部分和震荡部分分离出来作为功率控制指令信号；

(3).利用同样方法计算出的逆变器实际功率信号；

(4).根据直流侧电容两端电压、电压参考值、状态量和扰动量输出控制电流；

(5).经过自抗扰控制器产生实际控制信号，利用svpwm算法最终控制开关管的动作，svpwm算法是控制开关管的动作。

扩张状态观测器实时估算出系统内部扰和外部扰的实时值，扩张状态观测器确定着整个自抗扰控制器的质量。

观测器反馈控制回路设置控制参数，比例增益参数和积分增益参数工，生成控制电流控制参数的取值满足被控三相有源电力滤波器的控制要求，比例增益参数取值满足观测器反馈控制回路的反馈时间要求，积分增益参数取值同时满足观测器反馈控制回路反馈时间与反馈稳定性的要求。

具体的，恒功率控制方式的基本原理图如图5所示，根据瞬时无功理论，通过ea,eb,ec和ila,ilb,ilc实时计算负载的有功功率p和无功功率q，并通过低通滤波器将功率的恒定部分和震荡部分分离出来作为功率控制指令信号，另外，需从电网中吸收一个小的有功功率将其施加到p^*，用来补偿逆变器的开关损耗和阻性损耗，从而保持直流电容器的电压稳定。然后与利用同样方法计算出的逆变器实际功率信号和-q比较，在此增加负号是为了电流的方向相一致，最后经过pi调节器产生实际控制信号，利用svpwm算法最终控制开关管的动作；

采用恒功率的方法由于省掉了坐标反变换的环节解决了传统的电流补偿解耦的响应速度慢的问题，但是却在补偿精度上出现了相应的问题，使得补偿效果不佳，为了解决上述问题我们引入了自抗扰控制技术；

自抗扰控制器是基于对现代控制理论过多地依赖于系统数学模型的反思，并吸收了工控制的思想精髓而提出的一种不依赖系统精确模型的控制方法，可以用来处理系统非线性、大不确定性和外部扰动的问题，自抗扰控制器由三个主要环节组成跟踪微分器、扩张状态观测器和基于扩张状态观测器的反馈控制；

跟踪微分器是为了改进pid中的d而提出的，由于在许多情况下，系统中都存在扰动，而d会将扰动放大，进而会导致噪声淹没我们所需要的信号，这就使得我们的工作不能正常的进行，而跟踪微分器对噪声的鲁棒性可以克服这一缺点，可以实时的跟踪扰动信号，使得我们采取的数据样本准确性提高；

扩张状态观测器是在普通状态观测器的基础上进行推广而得到的，与普通观测器的区别在于eso是通过系统输出的部分状态来估计其余状态，扩张状态观测器则不仅可以估计系统的状态，还可以估计系统内部未建模动态和外部扰动不确定性，这是扩张状态观测器名子的由来，同时也在一定程度上解释了自抗扰控制器不依赖于精确的数学模型；

本设计在两个地方采用自抗扰控制器，其一是在直流侧电压处，其二是在低通滤波器之后采用；

首先我们对直流侧电压处的自抗扰控制系统进行分析，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动经由扩张状态观测器观测出来，然后经过反馈环节加以消除，因此就可以消除因忽略非线性因素而造成的误差，进而提高准确性；

由于直流侧电压的参考值是一个常值，因此我们在设计的过程中忽略跟踪微分器，因此将扩张状态观测器按照此数学模块进行补偿响应速度的的补偿设计：

使得输入信号y(t)的每个状态能够对扩张后的状态进行分别跟踪，即：z1(t)→x1(t),…,zn(t)→xn(t),zn+1(t)→xn+1(t)＝f(x1,x2,…,xn)。

如果实现以上的跟踪目的，那么由zn+1(t)就可以实时估计出扰动而在实际的应用中我们根据电能质量问题的实际情况进行具体的建模研究，验证它的准确性即可；

再次我们对在低通滤波器之后加入自抗扰控制系统的部分进行分析，由于我们开始利用瞬时无功理论进行计算，进而利用相应的数学建模进行恒功率控制方法进行解耦，然后将相应的结果输入到低通滤波器之中，由于在这期间，我们都将各种非线性扰动情况忽略掉了，进而可能使得我们最终的得到的需要补偿的信息不准确，而我们要克服这种状况，主要采用定时跟踪微分器，因此我们在这一部分的设计过程中，对扩张状态观测器进行了忽略，由此我们通过数学建模设计相应的跟踪微分器，

在式子中采用非线性函数，在实际的电能质量问题中，我们根据此数学模型进行建模，设计相应的跟踪微分器，进而滤除相应的扰动；

与传统的电流解耦相比，方法从功率控制角度入手，省去了坐标反变换环节，简化了控制系统结构，减少了中间系统响应延迟，提高了抗干扰能力，同时也有效地抑制了系统谐波，保证单位功率因数运行，但是其直流侧和最后的控制环节使用pi控制器使得控制效果不理想，影响补偿精度，针对这一问题，设计了并联型有源电力滤波器的恒功率控制的自抗扰控制，可达到良好的控制效果，提高补偿精度。

综上所述，本发明采用的自抗扰控制，不依赖系统精确的数学模型，在控制的过程中将建模时忽略的非线性因素、不确定参数以及系统外部扰动经由扩张状态观测器观测出来，并通过反馈环节加以消除，从而可以避免因忽略非线性因素而造成的误差；在低通滤波器后增加自抗扰控制，经由跟踪微分器，有随机噪声或不连续的量进微分信号以及连续信号的提取，可以提高系统的精度；十分有效的提高了传统的并联有源电力滤波器的恒功率控制中的响应速度与精度之间的矛盾，保证了在响应速度提高的情况下，处理相应的电能质量问题时的准确性也相应的的提高，使得需要补偿的电压电流不会过大或者过小；估计系统内部未建模动态和外部扰动不确定性，避免因忽略非线性因素而造成的误差。

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。