一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法

摘要

本发明公开了一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法，通过实时检测LCL滤波器中电感L1、L2的电感量变化，再结合电感L1、L2的电感变化量，查询PI控制器的控制参数表格，从而实时调整PI控制器的控制参数。这样克服了在有源电力滤波器在电感量变化时控制效果变差的缺陷，保证了电感量在一定范围内变化时有源电力滤波器的控制稳定，工作正常。

权利要求

1.一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)、计算内环有功电流给定值 和中性线电流给定值

有源电力滤波器的直流电压控制模块先从三电平VSC的直流侧分别获取正母线到中点N的电压udc1，以及中点N到负母线的电压udc2，再将三电平VSC直流侧电压给定值 与电压udc1、电压udc2的和作差，将得到的差值进行PI控制，得到内环有功电流给定值 直流电压控制模块同时将电压udc1、电压udc2的差值进行PI控制，得到中性线电流给定值(2)、锁相环PLL模块根据三相电网电压ugx,x＝a,b,c得到电网电压正序分量的相位角θ和角频率ω0；

(3)、负载电流谐波检测模块根据电网电压角频率ω0，分别对三相负载电流iLx进行离散傅里叶变换DFT得到三相谐波电流iLhx；

(4)、计算内环给定电流

将内环有功电流给定值 作为dq0坐标系下的d轴输入分量，0作为q轴输入分量，中性线电流给定值 作为零序输入分量，对以上控制量从dq0坐标系变换到abc坐标系下，再分别与三相谐波电流iLhx相加得到内环给定电流(5)、内环电流控制模块计算三相输出控制量

(5.1)、计算重复控制模块的输出量iex：将内环给定电流 与有源电力滤波器的三相输出电流ilx共同进行重复控制，得到重复控制模块的输出量iex；

(5.2)、将重复控制模块的输出量iex输入到PI控制器，经PI控制后，将PI控制器的最终输出量分别与三相电网电压ugx相加，得到三相输出控制量(6)、SPWM模块根据输出控制量 得到对应的开关控制信号，并依此控制信号来控制三电平VSC中各个IGBT的开通关断；

所述的内环电流控制模块包括：重复控制模块和PI控制器；

所述的重复控制模块对电流进行控制的方法为：

(T.1)、内环给定电流 与有源电力滤波器的三相输出电流ilx做差得到误差信号E(z)x；

(T.2)、将误差信号E(z)x与重复控制模块中的重复信号发生器Q(z)z-N输出信号相加得到中间信号U(z)x；

(T.3)、将中间信号U(z)x经过重复控制模块中的基波周期延时单元z-N、校正器zkS(z)处理后，得到校正器zkS(z)输出值i'ex；

(T.4)、将误差信号E(z)x与校正器zkS(z)输出值i'ex相加，得到重复控制模块的输出量iex；

所述的PI控制器对电流进行控制的方法为：

T.1)、将重复控制模块的输出量iex与比例环节中的比例系数Kp相乘，得到经过比例环节后的控制量Δiex；

T.2)、将控制量Δiex先通过PI控制器中的积分环节 得到Δi'ex，再将控制量Δiex与Δi'ex相加，得到PI控制器的最终输出量；

所述比例环节中的比例系数Kp的计算方法为：

Kp＝ωc(L1+L2)

其中，L1、L2分别为LCL滤波器中的电感量，ωc表示电网系统的穿越频率。

说明书

一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于自动控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法。

背景技术

[0002] 随着电力电子技术的日益发展，非线性负载的广泛使用已经使得分布式电网的电能质量进一步恶化。并联型有源电力滤波器作为一种可控的谐波电流源可以很好的进行电流谐波的补偿，从而优化电能质量。

[0003] 在基于电压型PWM变换器的有源电力滤波器当中需要用滤波器来滤除PWM载波以及边带谐波。通常情况下，该滤波器是一种高阶低通滤波器，如LCL滤波器。然而电感感值的变化会引起电流震荡和逆变器的不稳定，特别是在大功率的应用情况下。因此，宽范围滤波电感变化的双向逆变器的控制方法被提出，如双相调制数字控制，数字预测电流控制等，运用以上方法逆变器可以很好的跟踪正弦化的参考电流，但不具备对于谐波电流的跟踪能力。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法，能够通过自适应的内环电流控制模块进行复合调节，使得有源电力滤波器在输出滤波器电感宽范围变化情况下，达到更好的补偿效果。

[0005] 为实现上述发明目的，本发明一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

[0006] (1)、计算内环有功电流给定值 和中性线电流给定值

[0007] 有源电力滤波器的直流电压控制模块先从三电平VSC的直流侧分别获取正母线到中点N的电压udc1，以及中点N到负母线的电压udc2，再将三电平VSC直流侧电压给定值 与电压udc1、电压udc2的和作差，将得到的差值进行PI控制，得到内环有功电流给定值 直流电压控制模块同时将电压udc1、电压udc2的差值进行PI控制，得到中性线电流给定值[0008] (2)、锁相环PLL模块根据三相电网电压ugx,x＝a,b,c得到电网电压正序分量的相位角θ和角频率ω0；

[0009] (3)、负载电流谐波检测模块根据电网电压角频率ω0，分别对三相负载电流iLx进行离散傅里叶变换DFT得到三相谐波电流iLhx；

[0010] (4)、计算内环给定电流

[0011] 将内环有功电流给定值 作为dq0坐标系下的d轴输入分量，0作为q轴输入分量，中性线电流给定值 作为零序输入分量，对以上控制量从dq0坐标系变换到abc坐标系下，再分别与三相谐波电流iLhx相加得到内环给定电流

[0012] (5)、内环电流控制模块计算三相输出控制量

[0013] (5.1)、计算重复控制模块的输出量iex：将内环给定电流 与有源电力滤波器的三相输出电流ilx共同进行重复控制，得到重复控制模块的输出量iex；

[0014] (5.2)、将重复控制模块的输出量iex输入到PI控制器，经PI控制后，将PI控制器的最终输出量分别与三相电网电压ugx相加，得到三相输出控制量

[0015] (6)、SPWM模块根据输出控制量 得到对应的开关控制信号，并依此控制信号来控制三电平VSC中各个IGBT的开通关断。

[0016] 本发明的发明目的是这样实现的：

[0017] 本发明一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法，通过实时检测LCL滤波器中电感L1、L2的电感量变化，再结合电感L1、L2的电感变化量，查询PI控制器的控制参数表格，从而实时调整PI控制器的控制参数。这样克服了在有源电力滤波器在电感量变化时控制效果变差的缺陷，保证了电感量在一定范围内变化时有源电力滤波器的控制稳定，工作正常。

[0018] 同时，本发明一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法还具有以下有益效果：

[0019] (1)、在有源电力滤波器中，当电感量大范围变化时，通过自适应调整PI控制器的控制参数，能够保持控制效果使得电网系统稳定；

[0020] (2)、本发明是直接在连续域设计后均进行了离散化，可采用C语言编程，在DSP等控制平台上实现，实施简易。

附图说明

[0021] 图1是有源电力滤波器的一种具体实施框图；

[0022] 图2是本发明基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法的流程图；

[0023] 图3是直流电压控制模块的原理框图；

[0024] 图4是重复控制模块的原理框图；

[0025] 图5是PI控制器的原理框图；

[0026] 图6是A相电感L1和L2的感值在电感电流的变化下的仿真波形图；

[0027] 图7是Kp根据电感电流的变化动态进行调节的仿真波形图；

[0028] 图8是有源电力滤波器的电流谐波补偿效果的仿真波形图；

[0029] 图9是电网侧电流频谱分析波形图；

[0030] 图10是负载从重载切换至轻载过程中电网系统的动态响应仿真波形图。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

[0032] 实施例

[0033] 图1是有源电力滤波器的一种具体实施框图。

[0034] 在本实施例中，先对有源电力滤波器的内部结构作说明，如图1所示，有源电力滤波器主要包括主电路和控制部分。

[0035] 其中，主电路又包括三电平VSC1、LCL滤波器2、非线性负载3。三电平VSC1通过LCL滤波器2与电网相连，非线性负载3直接与电网相连，从而组成了一个完整的有源电力滤波器的主电路。

[0036] 控制部分包括：负载电流谐波检测模块4、直流电压控制模块5、锁相环PLL6、dq0-abc坐标系变换模块7、重复控制模块8、PI控制器9、SPWM调制模块10，构成了有源电力滤波器的控制部分。

[0037] 下面结合实例对基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法进行详细说明：

[0038] 在本实施例中，如图2所示，一种基于PI自适应的有源电力滤波器复合控制方法，包括如下步骤：

[0039] S1、有源电力滤波器的直流电压控制模块从三电平VSC的直流侧分别获取正母线到中点N的电压udc1，以及中点N到负母线的电压udc2；

[0040] S2、计算内环有功电流给定值 和中性线电流给定值

[0041] 本实施例中，如图3所示，直流电压控制模块将三电平VSC直流侧电压给定值 与电压udc1、电压udc2的和作差，将得到的差值进行PI控制，得到内环有功电流给定值 直流电压控制模块同时将电压udc1、电压udc2的差值进行PI控制，得到中性线电流给定值[0042] S3、锁相环PLL模块根据三相电网电压ugx,x＝a,b,c得到电网电压正序分量的相位角θ和角频率ω0；

[0043] S4、负载电流谐波检测模块根据电网电压角频率ω0，分别对三相负载电流iLx进行离散傅里叶变换DFT得到三相谐波电流iLhx；

[0044] S5、计算内环给定电流

[0045] 将内环有功电流给定值 作为dq0坐标系下的d轴输入分量，0作为q轴输入分量，中性线电流给定值 作为零序输入分量，对以上控制量从dq0坐标系变换到abc坐标系下，再分别与三相谐波电流iLhx相加得到内环给定电流

[0046] S6、内环电流控制模块计算三相输出控制量

[0047] S6.1、计算重复控制模块的输出量iex：将内环给定电流 与有源电力滤波器的三相输出电流ilx共同进行重复控制，得到重复控制模块的输出量iex；

[0048] S6.2、将重复控制模块的输出量iex输入到PI控制器，经PI控制后，将PI控制器的最终输出量分别与三相电网电压ugx相加，得到三相输出控制量

[0049] 其中，内环电流控制模块包括：重复控制模块和PI控制器；在本实施例中，分别对重复控制模块和PI控制器针对电流的控制进行说明，如下：

[0050] 重复控制模块的原理框图如图4所示，重复控制模块进行电流内环重复控制的流程为：

[0051] (1)、内环给定电流 与有源电力滤波器的三相输出电流ilx做差得到误差信号E(z)x；

[0052] (2)、将误差信号E(z)x与重复控制模块中的重复信号发生器Q(z)z-N输出信号相加得到中间信号U(z)x；

[0053] (3)、将中间信号U(z)x经过重复控制模块中的基波周期延时单元z-N、校正器zkS(z)处理后，得到校正器输出值i'ex；

[0054] (4)、将误差信号E(z)x与校正器输出值i'ex相加，得到重复控制模块的输出量iex；

[0055] 在本实施例中，产生的三相误差信号E(z)x有3组信号，即：E(z)x＝{E(z)a、E(z)b、E(z)c}，将三组误差信号分别输入到3相各自的重复控制模块，由于三个重复模块的结构相同，因此以误差信号E(z)a为例，其信号的具体流向如图4所示；

[0056] PI控制器的原理框图如图5所示，PI控制器进行内环电流的PI控制的流程为：

[0057] 1)、将重复控制模块的输出量iex与比例环节中的比例系数Kp的相乘，得到经过比例环节后的控制量Δiex；其中，比例系数Kp是根据内环给定电流 大小进行自适应调节的，其Kp的计算方法为：

[0058] Kp＝ωc(L1+L2)

[0059] 其中，L1、L2分别为LCL滤波器中的电感量，ωc表示电网系统的穿越频率；

[0060] 2)、将控制量Δiex先通过PI控制器中的积分环节 得到Δi'ex，再将控制量Δiex与Δi'ex相加，得到PI控制器的最终输出量；

[0061] 在本实施例中，重复控制模块的输出量iex同样有3组信号，即：iex＝{iea、ieb、iec}，将重复控制模块的三组输出量分别输入到3相各自的PI控制器，由于三个重复模块的结构相同，因此以输出量iea为例，其信号的具体流向如图5所示；

[0062] 其中，电感电流(即内环给定电流 )到比例环节的比例系数Kp表格是通过预先的实验或仿真得到。通过预先实验或仿真得到电流大小和LCL滤波器中电感L1、L2的电感量的对应关系，如图5所示。再预先按照比例环节Kp计算公式：Kp＝ωc(L1+L2)，计算出不同电流时对应的比例环节Kp的参数，其中，L1、L2分别为LCL滤波器中的电感量，ωc表示控制系统的穿越频率。从而实现了根据指令电流大小，比例环节Kp参数的自适应调整；

[0063] S7、SPWM模块根据输出控制量 得到对应的开关控制信号，并依此控制信号来控制三电平VSC中各个IGBT的开通关断。。

[0064] 下面通过实验仿真对本发明作进一步的验证，实验验证的目的是：验证本实施方式能够实现电流内环Kp的动态调整，并且通过内环电流控制模块的控制使得有源电力滤波器的补偿效果得到提升。

[0065] 本实施例中，如图6所示，LCL滤波器中的电感L1与L2的电感感值随着电感电流不断变化，同时，如图7所示，电流内环Kp可以根据电感电流的不同动态的进行调节。

[0066] 本实施例中，图8、图9中给出了有源电力滤波器补偿效果的仿真波形。图8中分别为有源电力滤波器的负载电流、输出电流以及电网侧电流的稳态波形。而从图9当中可以发现，从5次到25次的谐波均已被很大程度的消除，负载电流的总谐波失真最初为29％，应用PI控制之后可以减小到26.5％，设定Kp为0.3后再结合重复控制可以变为3.8％，通过自适应调整Kp并且结合重复控制之后总谐波失真为2.2％。这说明了有源电力滤波器利用本发明所提出的复合控制方法可以达到良好的谐波抑制效果。

[0067] 图10为当负载从重载切换至轻载过程中，有源电力滤波器的动态响应仿真波形。从图中可见，补偿电流在近似一个基波周期的时间内很好的跟踪匹配了负载谐波电流，除此之外在负载切换过程中，由于电感变化以及重复基波周期的延时造成了一些电流冲击。

[0068] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。