有源滤波器电流预测滞环控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种有源滤波器电流预测滞环控制方法，属于电网的电能质量治理领 域。
【背景技术】
[0002] APF是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小 和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收 固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控 制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵销负载中相应电流，实现了动态 跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。
[0003] 随着我国日新月异的工业化进程，电网接入了大量的非线性和冲击性负载，这些 负载产生的谐波、无功对电网的电能质量带来了巨大的挑战。传统的无源滤波器、投切电容 器组等补偿设备已无法满足要求，而APF以其不受电网参数影响，可进行动态、快速精细化 补偿等优点，正在被广泛的推广。有源滤波器的补偿效果，一方面取决于电流检测算法的准 确性，另一方面取决于电流控制算法的性能。
[0004] 常用的控制算法有滞环控制、电压矢量控制、无差拍控制、预测控制等，这些算法 控制效果各有所长。电流滞环控制以其快速的动态响应、鲁棒性好、有内在限流能力等优 点，是工程应用最广泛的控制算法。目前对滞环控制的研究主要在以下几个方面：1)通过引 入频率反馈，对开关频率进行闭环控制，稳定了开关频率;2)根据开关频率与环宽的函数关 系，采用可变环宽来实现定频;3)利用控制器的过采样算法稳定了开关频率，同时提高了控 制精度;4)在滞环控制中引入空间矢量控制，优化了滞环控制的开关状态。以上研究主要是 对滞环控制的开关频率及开关状态进行了优化，而对滞环控制的精度研究较少。通过有源 滤波器的工程实践应用，发现实际控制误差无法完全控制在理论误差范围以内。本发明为 改善滞环控制的控制精度，将基于模型的电流预测方法和传统滞环控制有机结合，提出一 种基于电流预测的APF滞环控制方法。该方法可提高有源滤波器的控制精度，具有很高的工 程实践价值。
[0005]
【发明内容】
[0006] 为了解决上述问题，本发明提出一种有源滤波器电流预测滞环控制方法，用于电 网的电能质量的治理，包括如下步骤： 步骤1:提取电网相位和指令电流。运用锁相环(PLL)提取电网相位;基于瞬时功率理论 的ip-iq法提取负载的谐波与无功电流； 步骤2:构建输出电流预测模型。
[0007] 由图2其电路原理可知： "" 5 · di at _di_ ：. u. u " di 式中AAA分别为网侧电压，\分别为逆变器输出电压，分别为逆变器 输出电流，?为输出侧电感，S为输出侧电阻。
[0008]定义每个桥臂的开关状态为： fi上桥臂导通，下桥臂关断 v_i〇下桥臂导通，上桥臂关断娜~ di： di €?? -di 设三相电路是对称的则 1^+?+0, = 〇 {W;，〇 联立方程组解出 .. 3 化为 di 3： ,7 -? I 0-； 2%- Sa - 士、. L~dt+Rh =-i-u 紅一， { di c3 : & 由于控制器只能处理离散的数据，因此将有源滤波器的模型离散化可得：
式中：分别为abc三相的实际采样点电流，巧,?，?：为每个桥臂的开 关状态。
[0009] k为某采样时刻，I；为采样周期。根据有源滤波器的离散模型可知，通过上一个采 样时刻的数据可推算出下一个采样时刻的电流，以A相为例，k+Ι时刻的电流为：
式中：y；A·)为a相的实际采样点电流，％为APF主电路中电容两端电压，\％为每 个桥臂的开关状态。
[0010] 由于的值非常小，因此可以忽略，上式化简为：
式中：4④为a相的实际采样点电流，％-为APF主电路中电容两端电压，4 ,? , ?为每 个桥臂的开关状态。
[0011] 由上式可知，若人为虚拟的设置一个周期Γ替换采样周期7；:，仍将成立，改写为： .,',1Y . 了「2? (>〇 -巧(《) - \ (>) 心:W +1) = V 厂丨 + ζ -2-& (句-\切) 式中：yh为a相的实际采样点电流，SAPF主电路中电容两端电压，，％，今为每 个桥臂的开关状态。
[0012] 此时^(奸：〇为y m经过·Τ时间之后的值，利用上式预须彳两个采样点之间的值。令 7； = iVT，ν为大于1的整数，〃:=〇，···?-1，U幻为实际采样点，』?为预测值，贝>J预测值 与实际采样点的关系如下：
式中：UP为实际采样点电流，;?为电流预测值，f为采样周期弋㈨为电网电压。
[0013] 由于直流侧电压在一个采样周期内基本保持稳定，则
式中：?^为APF主电路中电容两端电压。
[0014] 电网电压e?是正弦变换的，通过采样点的相位就可以推算出若干时刻后的电 压，g为工频周期，Γ为预测周期，再玲为尤采样时刻的相位，每经过一个预测周期相位增 侦 加，则两个采样点之间的电网电压函数如下： ' :^(0) = ?^) .... Ρ 'dsin 1 ts " = ^(^+1) 步骤3:构建预测指令电流。滞环控制的本质是电流跟随，预测出APF的输出电流后，必 须也要预测出相应时刻的指令电流，才能进行比较控制。令Λ&)为k采样时刻检测到的谐 波电流，由于在两个采样点之间谐波的变化很小，因此可假设两个采样周期内指令电流近 似为直线，即<(卜1)、<⑷和<认十1)在同一直线上。将以为端点的直线延 长，该延长线上的点即为;?> + 〗)之间的预测值，在每一个预测周期内变化量是一个常 量且为，则指令电流;>)的预测函数为：
步骤4:电流滞环控制。令采样周期为雜，传统的滞环控制电流只在采样时刻参与比 较，因此如果采样率不高，就会导致较大的控制延时，输出电流超出环宽后较长时间内无法 改变开关状态，导致控制误差增大，如图3电流走向为A-B-D-E，控制误差为~'2+Δ^。本方 明方法与传统的滞环控制的最大不同之处是，在滞环比较器前加入了电流预测环节，用预 测电流代替实际采样电流参与滞环控制。在一个采样周期中对输出电流与指令电流分别进 行预测，令预测周期为T，7；=5T，利用APF模型预测出一个采样周期中的4个输出电流 值，同时预测出一个采样周期中的4个指令电流，将这些值进行滞环比较。由于预测周期是 采样周期的五分之一，因此可以在输出电流超出环宽后的较短时间内改变逆变器的开关状 态。如图3所示在取）时刻系统预测出电流超出环宽，发出指令关断开关，电流开始下降，控 制误差为~'2+以，电流走向变为A-B-C，很明显Μ 系统控制误差减小了。每一次逆变 器改变开关状态，都会将开关状态反馈给预测算法，使得每一次的预测都是根据APF的实际 状态得出的。该预测算法只在一个采样周期内进行预测，一旦系统接收到新的采样点，就舍 弃前一次的预测数据利用最新的采样数据重新开始预测，因此能自动修正预测误差，避免 预测误差的累计。
[0015] 本发明的技术效果： 1)改变了传统滞环控制只能在采样时刻判断输出电流是否超出环宽的不足，一旦预测 出电流超出环宽就及时改变电流方向，这样就大大减小了输出电流超出环宽的幅值，提高 了控制精度。
[0016] 2)克服了预测算法的误差，采用只在一个采样周期内部进行预测，一旦有新的采 样值就重新开始预测，自动修正误差，避免误差的累积。
【附图说明】
[οοπ]图1为本发明的有源滤波器电流预测滞环控制方法的基于电流预测的APF滞环控 制的不意图； 图2为APF主电路模型的示意图； 图3为输出电流控制特性图； 图4为控制器软硬件结构示意图； 图5 (a)为APF传统滞环控制的网侧电流波形图； 图5(b)为APF传统滞环控制的微观电流波形图； 图5 (c)为APF传统滞环控制的补偿前的电流FFT分析图； 图5(d)为基于电流预测的滞环控制的补偿后的电流FFT分析图； 图6(a)为基于电流预测的滞环控制的网侧电流波形图； 图6(b)为基于电流预测的滞环控制的微观电流波形图； 图6(c)为基于电流预测的滞环控制的补偿后的电流FFT分析图。
[0018]
【具体实施方式】
[0019] 本发明一种有源滤波器电流预测滞环控制方法的流程图如图1所示。本方法可概 括为四个阶段:提取电网相位和指令电流、构建输出电流预测模型、构建预测指令电流和电 流滞环控制。该方法主要包括如下步骤： 步骤1:运用锁相环(PLL)提取电网相位;基于瞬时功率理论的ip-iq法提取负载的谐波 与无功电流。
[0020] 步骤2:由图2其电路原理可知： Aj at ??^ + ? (1) at rdi. ? = & L· ~~-Η" Ri : di 式中Α分别为网侧电压，分别为逆变器输出电压，分别为逆变器 输出电流，^为输出