有源濾波器電流預(yù)測滯環(huán)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種有源濾波器電流預(yù)測滯環(huán)控制方法，屬于電網(wǎng)的電能質(zhì)量治理領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] APF是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮?和頻率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收 固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無功的分離，控 制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵銷負(fù)載中相應(yīng)電流，實現(xiàn)了動態(tài) 跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無功和不平衡。
[0003] 隨著我國日新月異的工業(yè)化進(jìn)程，電網(wǎng)接入了大量的非線性和沖擊性負(fù)載，這些 負(fù)載產(chǎn)生的諧波、無功對電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無源濾波器、投切電容 器組等補(bǔ)償設(shè)備已無法滿足要求，而APF以其不受電網(wǎng)參數(shù)影響，可進(jìn)行動態(tài)、快速精細(xì)化 補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點，正在被廣泛的推廣。有源濾波器的補(bǔ)償效果，一方面取決于電流檢測算法的準(zhǔn) 確性，另一方面取決于電流控制算法的性能。
[0004] 常用的控制算法有滯環(huán)控制、電壓矢量控制、無差拍控制、預(yù)測控制等，這些算法 控制效果各有所長。電流滯環(huán)控制以其快速的動態(tài)響應(yīng)、魯棒性好、有內(nèi)在限流能力等優(yōu) 點，是工程應(yīng)用最廣泛的控制算法。目前對滯環(huán)控制的研究主要在以下幾個方面：1)通過引 入頻率反饋，對開關(guān)頻率進(jìn)行閉環(huán)控制，穩(wěn)定了開關(guān)頻率;2)根據(jù)開關(guān)頻率與環(huán)寬的函數(shù)關(guān) 系，采用可變環(huán)寬來實現(xiàn)定頻;3)利用控制器的過采樣算法穩(wěn)定了開關(guān)頻率，同時提高了控 制精度;4)在滯環(huán)控制中引入空間矢量控制，優(yōu)化了滯環(huán)控制的開關(guān)狀態(tài)。以上研究主要是 對滯環(huán)控制的開關(guān)頻率及開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化，而對滯環(huán)控制的精度研究較少。通過有源 濾波器的工程實踐應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)實際控制誤差無法完全控制在理論誤差范圍以內(nèi)。本發(fā)明為 改善滯環(huán)控制的控制精度，將基于模型的電流預(yù)測方法和傳統(tǒng)滯環(huán)控制有機(jī)結(jié)合，提出一 種基于電流預(yù)測的APF滯環(huán)控制方法。該方法可提高有源濾波器的控制精度，具有很高的工 程實踐價值。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種有源濾波器電流預(yù)測滯環(huán)控制方法，用于電 網(wǎng)的電能質(zhì)量的治理，包括如下步驟： 步驟1:提取電網(wǎng)相位和指令電流。運用鎖相環(huán)(PLL)提取電網(wǎng)相位;基于瞬時功率理論 的ip-iq法提取負(fù)載的諧波與無功電流； 步驟2:構(gòu)建輸出電流預(yù)測模型。
[0007] 由圖2其電路原理可知： "" 5 · di at _di_ ：. u. u " di 式中AAA分別為網(wǎng)側(cè)電壓，\分別為逆變器輸出電壓，分別為逆變器 輸出電流，?為輸出側(cè)電感，S為輸出側(cè)電阻。
[0008]定義每個橋臂的開關(guān)狀態(tài)為： fi上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷 v_i〇下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷娜~ di： di €?? -di 設(shè)三相電路是對稱的則 1^+?+0, = 〇 {W;，〇 聯(lián)立方程組解出 .. 3 化為 di 3： ,7 -? I 0-； 2%- Sa - 士、. L~dt+Rh =-i-u 紅一， { di c3 : & 由于控制器只能處理離散的數(shù)據(jù)，因此將有源濾波器的模型離散化可得：
式中：分別為abc三相的實際采樣點電流，巧,?，?：為每個橋臂的開 關(guān)狀態(tài)。
[0009] k為某采樣時刻，I；為采樣周期。根據(jù)有源濾波器的離散模型可知，通過上一個采 樣時刻的數(shù)據(jù)可推算出下一個采樣時刻的電流，以A相為例，k+Ι時刻的電流為：
式中：y；A·)為a相的實際采樣點電流，％為APF主電路中電容兩端電壓，\％為每 個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。
[0010] 由于的值非常小，因此可以忽略，上式化簡為：
式中：4④為a相的實際采樣點電流，％-為APF主電路中電容兩端電壓，4 ,? , ?為每 個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。
[0011] 由上式可知，若人為虛擬的設(shè)置一個周期Γ替換采樣周期7；:，仍將成立，改寫為： .,',1Y . 了「2? (>〇 -巧(《) - \ (>) 心:W +1) = V 廠丨 + ζ -2-& (句-\切) 式中：yh為a相的實際采樣點電流，SAPF主電路中電容兩端電壓，，％，今為每 個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。
[0012] 此時^(奸：〇為y m經(jīng)過·Τ時間之后的值，利用上式預(yù)須彳兩個采樣點之間的值。令 7； = iVT，ν為大于1的整數(shù)，〃:=〇，···?-1，U幻為實際采樣點，』?為預(yù)測值，貝>J預(yù)測值 與實際采樣點的關(guān)系如下：
式中：UP為實際采樣點電流，;?為電流預(yù)測值，f為采樣周期弋㈨為電網(wǎng)電壓。
[0013] 由于直流側(cè)電壓在一個采樣周期內(nèi)基本保持穩(wěn)定，則
式中：?^為APF主電路中電容兩端電壓。
[0014] 電網(wǎng)電壓e?是正弦變換的，通過采樣點的相位就可以推算出若干時刻后的電 壓，g為工頻周期，Γ為預(yù)測周期，再玲為尤采樣時刻的相位，每經(jīng)過一個預(yù)測周期相位增 偵 加，則兩個采樣點之間的電網(wǎng)電壓函數(shù)如下： ' :^(0) = ?^) .... Ρ 'dsin 1 ts " = ^(^+1) 步驟3:構(gòu)建預(yù)測指令電流。滯環(huán)控制的本質(zhì)是電流跟隨，預(yù)測出APF的輸出電流后，必 須也要預(yù)測出相應(yīng)時刻的指令電流，才能進(jìn)行比較控制。令Λ&)為k采樣時刻檢測到的諧 波電流，由于在兩個采樣點之間諧波的變化很小，因此可假設(shè)兩個采樣周期內(nèi)指令電流近 似為直線，即<(卜1)、<⑷和<認(rèn)十1)在同一直線上。將以為端點的直線延 長，該延長線上的點即為;?> + 〗)之間的預(yù)測值，在每一個預(yù)測周期內(nèi)變化量是一個常 量且為，則指令電流;>)的預(yù)測函數(shù)為：
步驟4:電流滯環(huán)控制。令采樣周期為雜，傳統(tǒng)的滯環(huán)控制電流只在采樣時刻參與比 較，因此如果采樣率不高，就會導(dǎo)致較大的控制延時，輸出電流超出環(huán)寬后較長時間內(nèi)無法 改變開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致控制誤差增大，如圖3電流走向為A-B-D-E，控制誤差為~'2+Δ^。本方 明方法與傳統(tǒng)的滯環(huán)控制的最大不同之處是，在滯環(huán)比較器前加入了電流預(yù)測環(huán)節(jié)，用預(yù) 測電流代替實際采樣電流參與滯環(huán)控制。在一個采樣周期中對輸出電流與指令電流分別進(jìn) 行預(yù)測，令預(yù)測周期為T，7；=5T，利用APF模型預(yù)測出一個采樣周期中的4個輸出電流 值，同時預(yù)測出一個采樣周期中的4個指令電流，將這些值進(jìn)行滯環(huán)比較。由于預(yù)測周期是 采樣周期的五分之一，因此可以在輸出電流超出環(huán)寬后的較短時間內(nèi)改變逆變器的開關(guān)狀 態(tài)。如圖3所示在?。r刻系統(tǒng)預(yù)測出電流超出環(huán)寬，發(fā)出指令關(guān)斷開關(guān)，電流開始下降，控 制誤差為~'2+以，電流走向變?yōu)锳-B-C，很明顯Μ 系統(tǒng)控制誤差減小了。每一次逆變 器改變開關(guān)狀態(tài)，都會將開關(guān)狀態(tài)反饋給預(yù)測算法，使得每一次的預(yù)測都是根據(jù)APF的實際 狀態(tài)得出的。該預(yù)測算法只在一個采樣周期內(nèi)進(jìn)行預(yù)測，一旦系統(tǒng)接收到新的采樣點，就舍 棄前一次的預(yù)測數(shù)據(jù)利用最新的采樣數(shù)據(jù)重新開始預(yù)測，因此能自動修正預(yù)測誤差，避免 預(yù)測誤差的累計。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)效果： 1)改變了傳統(tǒng)滯環(huán)控制只能在采樣時刻判斷輸出電流是否超出環(huán)寬的不足，一旦預(yù)測 出電流超出環(huán)寬就及時改變電流方向，這樣就大大減小了輸出電流超出環(huán)寬的幅值，提高 了控制精度。
[0016] 2)克服了預(yù)測算法的誤差，采用只在一個采樣周期內(nèi)部進(jìn)行預(yù)測，一旦有新的采 樣值就重新開始預(yù)測，自動修正誤差，避免誤差的累積。
【附圖說明】
[οοπ]圖1為本發(fā)明的有源濾波器電流預(yù)測滯環(huán)控制方法的基于電流預(yù)測的APF滯環(huán)控 制的不意圖； 圖2為APF主電路模型的示意圖； 圖3為輸出電流控制特性圖； 圖4為控制器軟硬件結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5 (a)為APF傳統(tǒng)滯環(huán)控制的網(wǎng)側(cè)電流波形圖； 圖5(b)為APF傳統(tǒng)滯環(huán)控制的微觀電流波形圖； 圖5 (c)為APF傳統(tǒng)滯環(huán)控制的補(bǔ)償前的電流FFT分析圖； 圖5(d)為基于電流預(yù)測的滯環(huán)控制的補(bǔ)償后的電流FFT分析圖； 圖6(a)為基于電流預(yù)測的滯環(huán)控制的網(wǎng)側(cè)電流波形圖； 圖6(b)為基于電流預(yù)測的滯環(huán)控制的微觀電流波形圖； 圖6(c)為基于電流預(yù)測的滯環(huán)控制的補(bǔ)償后的電流FFT分析圖。
[0018]
【具體實施方式】
[0019] 本發(fā)明一種有源濾波器電流預(yù)測滯環(huán)控制方法的流程圖如圖1所示。本方法可概 括為四個階段:提取電網(wǎng)相位和指令電流、構(gòu)建輸出電流預(yù)測模型、構(gòu)建預(yù)測指令電流和電 流滯環(huán)控制。該方法主要包括如下步驟： 步驟1:運用鎖相環(huán)(PLL)提取電網(wǎng)相位;基于瞬時功率理論的ip-iq法提取負(fù)載的諧波 與無功電流。
[0020] 步驟2:由圖2其電路原理可知： Aj at ??^ + ? (1) at rdi. ? = & L· ~~-Η" Ri : di 式中Α分別為網(wǎng)側(cè)電壓，分別為逆變器輸出電壓，分別為逆變器 輸出電流，^為輸出