一种有源滤波器输出电流的控制系统及方法与流程

本发明涉及有源滤波器输出电流调节的技术领域，尤其涉及一种单相有源滤波器输出电流的高精度控制方法。

背景技术：

在单相电力电子变流器的控制中，输出电流可以包含有多个不同的频率成分，使用电流波形瞬时值控制方法，对于交流信号必然存在跟踪控制误差。为提高控制精度，增加外环控制器，对每个频率成分进行独立控制。对于基波频率下控制环路的设计已有成熟方法，但当需要同时控制多个频率成分时，每个频率成分的控制效果会互相影响耦合，对每个频率成分控制器的控制参数设计带来困难。现有应用中大都采用试凑的方法，不利于工程推广。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种对有源滤波器输出电流高精度调节的有源滤波器输出电流的控制系统及方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

包括变流器、lcl输出滤波网络、内环控制器及外环控制器；

所述变流器的交流侧与所述lcl输出滤波网络电连接，所述内环控制器的反馈信号输入端与所述变流器的输出端电连接，所述内环控制器的信号输入端与所述外环控制器的输出端电连接，所述内环控制器的输出端与所述变流器的信号输入端电连接，所述外环控制器的反馈信号输入端与所述lcl输出滤波网络的输入端电连接，所述外环控制器的信号输入端与所述lcl输出滤波网络的输出端电连接；

所述外环控制器包括锁相电路pll、多个det模块、多个频率成分控制器、多个idet模块及一个求和模块，所述锁相电路pll的输入端与所述lcl输出滤波网络的输出端电连接，所述锁相电路pll的输出端分别与多个所述det模块及多个所述idet模块一一电连接，每个det模块的输出端各与一个所述频率成分控制器的反馈信号输入端电连接，每个所述频率成分控制器的输出端各与一个所述idet模块的输入端电连接，所有所述idet模块的输出端均与所述求和模块的输入端电连接，所述求和模块的输出端与所述内环控制器的输入端电连接。

变流器的输出端与lcl输出滤波网络电连接可用于同时补偿多个频率成分的谐波电流，控制系统的外环设置有闭环控制每个频率成分的幅值与相位的外环控制器，实现了对每个频率成分的精确控制，通过外环控制器后的输出信号通过内环控制器控制，解决了同时控制多个频率成分时，每个频率成分的控制效果会互相影响耦合的问题，实现多频率成分组合波形的精确控制。

优选的，所述频率成分控制器为pi控制器，多个所述频率成分控制器依次为基波控制器以及第2～n次谐波控制器，所述第2～n次谐波控制器控制幅值的比例控制系数为：

kp1n＝kp11/n^0.5；

所述第2～n次谐波控制器控制幅值的积分系数为：

kiln＝ki11/n^0.5；

所述第2～n次谐波控制器控制相位的比例系数为：

kp2n＝kp21；

所述第2～n次谐波控制器控制相位的积分系数为：

ki2n＝ki21。

频率成分控制器控制多个频率成分的幅值和相位，通过设置每个频率成分控制器的控制幅值的比例控制系数、控制幅值的积分系数、控制相位的比例系数、控制相位的积分系数从而控制频率成分控制器的积分系数及比例系数。

优选的，所述基波控制器对幅值控制的比例系数和对基波成分的相位控制的比例控制系数相等，

kp11＝kp21；

所述基波控制器对幅值控制的积分系数和对基波成分的相位控制的积分系数相等，

ki11＝ki21。

在基波成分的控制中，基波成分的参数设置为对幅值控制的比例系数和对基波成分的相位控制的比例控制系数相等，以及对幅值控制的积分系数和对基波成分的相位控制的积分系数相等。

优选的，所述内环控制器包括三角波发生器、放大器a、运算放大器c、两个二极管d1、d2、两个三极管q1、q2及电源ud，所述放大器a的信号输入端与所述外环控制器的输出端电连接，所述放大器a的反馈信号输入端与所述变流器的输出端电连接，所述运算放大器c的同相输入端与所述放大器a的输出端电连接，所述运算放大器c的反相输入端与所述三角波发生器的输出端电连接，所述运算放大器c的输出端分别与所述三极管q1、q2的基极电连接，所述三极管q1的发射极分别与所述三极管q2的集电极及所述变流器的信号输入端电连接，所述二极管d1、d2的正极分别与所述三极管q1、q2的发射极电连接，所述二极管d1、d2的负极与所述三极管q1、q2的集电极电连接，所述电源ud的正极与所述三极管q1的集电极电连接，负极与所述三极管q2的发射极电连接。

三角波发生器用于发生三角波，放大器a设有比例积分特性用于对外环控制器输出信号的放大处理，运算放大器c用于比较放大器放大后的输出信号与三角波信号，电源ud用于为两个三极管提供电源。

一种有源滤波器输出电流的控制方法，包括所述的有源滤波器输出电流的控制系统，包括以下步骤：

步骤a.数据采样，采集变流器的电网侧电流ig为外环控制器的反馈信号，以变流器的电网侧输出电流为外环控制器的输入信号，通过外环控制器计算后的信号为内环控制器的输入信号，内环控制器以采样变流器侧电流il为反馈信号，以生成的变流器驱动逻辑信号d为输出信号，驱动逻辑d控制变流器的输出电压vl，变流器输出电压vl与电网电压vg同时作用在lcl输出滤波网络上，生成所需要的电流ig；

步骤b.锁相控制，dft模块和idft模块所需的同步正弦、余弦信号由电网电压vg通过锁相电路pll后获得；

步骤c.外环控制，变流器网侧电流信号ig(t)进入外环控制器后通过det模块进行傅里叶变换后分解成多个频率成分i1(m)～in(m)，电网侧的输出电流进入外环控制器后分解成多个频率成分i1(m)～in(m)的每个频率成分均由幅值amp(in(m))和相位ang(in(m))两个变量组成，的每个频率成分均由幅值和相位两个变量组成，对i1(m)～in(m)的每个频率成分的幅值amp(in(m))和相位ang(in(m))及的幅值和相位分别对应通过多个频率成分控制器闭环控制，将通过频率成分控制器后的每个频率成分的输出信号分别为s1(m)～sn(m)，将输出信号s1(m)～sn(m)通过idft模块进行傅里叶反变换后通过求和模块相加，生成外环控制器的输出信号

步骤d.内环控制，外环控制器的输出信号通过内环控制器采用电流波形电流波形瞬时值跟踪控制，输出逻辑信号d；

步骤e.输出信号，逻辑信号d输出到变流器中，控制变流器的输出电压vl。

变流器的输出端与lcl输出滤波网络电连接可用于同时补偿多个频率成分的谐波电流，控制系统的外环设置有闭环控制每个频率成分的幅值与相位的外环控制器，实现了对每个频率成分的精确控制，通过外环控制器后的输出信号通过内环控制器控制，解决了同时控制多个频率成分时，每个频率成分的控制效果会互相影响耦合的问题，实现多频率成分组合波形的精确控制。

优选的，所述电流波形瞬时值跟踪控制为三角波比较追踪方法，包括以下步骤：

步骤d1.把指令电流和逆变电路实际输出的电流il进行比较，求出偏差电流；

步骤d2.由三相三角波产生器产生三角波；

步骤d3.偏差电流通过放大器a放大后与三角波进行比较，产生输出信号d。

内环控制器内设有三角波发生器，通过运算放大器c将三角波发生器的三角波与放大后的外环控制器输出信号比较，产生的pwm信号即为内环控制器的输出信号d，三角波比较追踪方法开关频率一定，避免频率不固定造成的较为严重的噪音。

本发明的有益效果为：变流器的输出端与lcl输出滤波网络电连接可用于同时补偿多个频率成分的谐波电流，控制系统的外环设置有闭环控制每个频率成分的幅值与相位的外环控制器，实现了对每个频率成分的精确控制，通过外环控制器后的输出信号通过内环控制器控制，解决了同时控制多个频率成分时，每个频率成分的控制效果会互相影响耦合的问题，实现多频率成分组合波形的精确控制。

附图说明

附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明其中一个实施例的控制系统结构示意图；

图2是本发明其中一个实施例的外环控制器的结构示意图；

图3是本发明其中一个实施例的第n次频率成分控制器的控制示意图；

图4是本发明其中一个实施例的内环控制器的控制示意图。

其中，变流器11、lcl输出滤波网络12、内环控制器3、外环控制器4、锁相电路pll、det模块41、频率成分控制器42、idet模块43、求和模块44、三角波发生器31、放大器a、运算放大器c、二极管32、三极管33、电源ud。

具体实施方式

下面结合附图1～3并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例的一种有源滤波器输出电流的控制系统，其特征在于，包括变流器11、lcl输出滤波网络12、内环控制器3及外环控制器4；

所述变流器11的交流侧与所述lcl输出滤波网络12电连接，所述内环控制器3的反馈信号输入端与所述变流器11的输出端电连接，所述内环控制器3的信号输入端与所述外环控制器4的输出端电连接，所述内环控制器3的输出端与所述变流器11的信号输入端电连接，所述外环控制器4的反馈信号输入端与所述lcl输出滤波网络12的输入端电连接，所述外环控制器4的信号输入端与所述lcl输出滤波网络12的输出端电连接；

所述外环控制器4包括锁相电路pll、多个det模块41、多个频率成分控制器42、多个idet模块43及一个求和模块44，所述锁相电路pll的输入端与所述lcl输出滤波网络12的输出端电连接，所述锁相电路pll的输出端分别与多个所述det模块41及多个所述idet模块43一一电连接，每个det模块41的输出端各与一个所述频率成分控制器42的反馈信号输入端电连接，每个所述频率成分控制器42的输出端各与一个所述idet模块43的输入端电连接，所有所述idet模块43的输出端均与所述求和模块44的输入端电连接，所述求和模块44的输出端与所述内环控制器3的输入端电连接。

det模块41用于对lcl输出滤波网络12的输出信号进行傅里叶变换，idet模块43用于对频率成分控制器42的输出信号进行傅里叶反变换，锁相电路pll用于提供傅里叶变换和傅里叶反变换所需要的正弦及余弦参数。

变流器11的输出端与lcl输出滤波网络12电连接可用于同时补偿多个频率成分的谐波电流，控制系统的外环设置有闭环控制每个频率成分的幅值与相位的外环控制器4，实现了对每个频率成分的精确控制，通过外环控制器4后的输出信号通过内环控制器3控制，解决了同时控制多个频率成分时，每个频率成分的控制效果会互相影响耦合的问题，实现多频率成分组合波形的精确控制。

所述频率成分控制器42为pi控制器，多个所述频率成分控制器42依次为基波控制器以及第2～n次谐波控制器，所述第2～n次谐波控制器控制幅值的比例控制系数为：

kp1n＝kp11/n^0.5；

所述第2～n次谐波控制器控制幅值的积分系数为：

kiln＝ki11/n^0.5；

所述第2～n次谐波控制器控制相位的比例系数为：

kp2n＝kp21；

所述第2～n次谐波控制器控制相位的积分系数为：

ki2n＝ki21。

频率成分控制器42控制多个频率成分的幅值和相位，通过设置每个频率成分控制器42的控制幅值的比例控制系数、控制幅值的积分系数、控制相位的比例系数、控制相位的积分系数从而控制频率成分控制器42的积分系数及比例系数。

所述基波控制器对幅值控制的比例系数和对基波成分的相位控制的比例控制系数相等，

kp11＝kp21；

所述基波控制器对幅值控制的积分系数和对基波成分的相位控制的积分系数相等，

ki11＝ki21。

在基波成分的控制中，基波成分的参数设置为对幅值控制的比例系数和对基波成分的相位控制的比例控制系数相等，以及对幅值控制的积分系数和对基波成分的相位控制的积分系数相等。

所述内环控制器3包括三角波发生器31、放大器a、运算放大器c、两个二极管d1、d2、两个三极管q1、q2及电源ud，所述放大器a的信号输入端与所述外环控制器4的输出端电连接，所述放大器a的反馈信号输入端与所述变流器11的输出端电连接，所述运算放大器c的同相输入端与所述放大器a的输出端电连接，所述运算放大器c的反相输入端与所述三角波发生器31的输出端电连接，所述运算放大器c的输出端分别与所述三极管q1、q2的基极电连接，所述三极管q1的发射极分别与所述三极管q2的集电极及所述变流器31的信号输入端电连接，所述二极管d1、d2的正极分别与所述三极管q1、q2的发射极电连接，所述二极管d1、d2的负极与所述三极管q1、q2的集电极电连接，所述电源ud的正极与所述三极管q1的集电极电连接，负极与所述三极管q2的发射极电连接。

三角波发生器31用于发生三角波，放大器a设有比例积分特性用于对外环控制器输出信号的放大处理，运算放大器c用于比较放大器放大后的输出信号与三角波信号，电源ud用于为两个三极管33提供电源。

单相有源滤波器输出电流的控制方法，包括以下步骤：

步骤a.数据采样，采集变流器11的电网侧电流ig为外环控制器4的反馈信号，以变流器11的电网侧输出电流为外环控制器4的输入信号，通过外环控制器4计算后的信号为内环控制器3的输入信号，内环控制器3以采样变流器11侧电流il为反馈信号，以生成的变流器11驱动逻辑信号d为输出信号，驱动逻辑d控制变流器11的输出电压vl，变流器11输出电压vl与电网电压vg同时作用在lcl输出滤波网络12上，生成所需要的电流ig；

步骤b.锁相控制，dft模块41和idft模块42所需的同步正弦、余弦信号由电网电压vg通过锁相电路pll后获得；

步骤c.外环控制，变流器11网侧电流信号ig(t)进入外环控制器4后通过det模块41进行傅里叶变换后分解成多个频率成分i1(m)～in(m)，电网侧的输出电流入外环控制器4后分解成多个频率成分i1(m)～in(m)的每个频率成分均由幅值amp(in(m))和相位ang(in(m))两个变量组成，的每个频率成分均由幅值和相位两个变量组成，对i1(m)～in(m)的每个频率成分的幅值amp(in(m))和相位ang(in(m))及的幅值和相位分别对应通过多个频率成分控制器42闭环控制，将通过频率成分控制器42后的每个频率成分的输出信号分别为s1(m)～sn(m)，将输出信号s1(m)～sn(m)通过idft模块43进行傅里叶反变换后通过求和模块44相加，生成外环控制器4的输出信号

步骤d.内环控制，外环控制器4的输出信号通过内环控制器3采用电流波形电流波形瞬时值跟踪控制，输出逻辑信号d；

步骤e.输出信号，逻辑信号d输出到变流器中，控制变流器的输出电压vl。

变流器11的输出端与lcl输出滤波网络12电连接可用于同时补偿多个频率成分的谐波电流，控制系统的外环设置有闭环控制每个频率成分的幅值与相位的外环控制器4，实现了对每个频率成分的精确控制，通过外环控制器4后的输出信号通过内环控制器3控制，解决了同时控制多个频率成分时，每个频率成分的控制效果会互相影响耦合的问题，实现多频率成分组合波形的精确控制。

所述电流波形瞬时值跟踪控制为三角波比较追踪方法，包括以下步骤：

步骤d1.把指令电流和逆变电路实际输出的电流il进行比较，求出偏差电流；

步骤d2.由三相三角波产生器31产生三角波；

步骤d3.偏差电流通过放大器a放大后与三角波进行比较，产生输出信号d。

内环控制器3内设有三角波发生器31，通过运算放大器c将三角波发生器的三角波与放大后的外环控制器4输出信号比较，产生的pwm信号即为内环控制器3的输出信号d，三角波比较追踪方法开关频率一定，避免频率不固定造成的较为严重的噪音。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。