单独注入式有源电力滤波器及分频自适应控制方法

摘要

本发明公开了一种单独注入式有源电力滤波器及分频自适应控制方法。将负载谐波电流进行分频，分成不同频率段的谐波电流信号；对各谐波电流信号进行谐波相位补偿，并利用自适应律控制其幅值，再将其与由自适应律控制增益的反馈信号进行累加，得到各频段的谐波电流的控制信号，将各频段的谐波电流控制信号累加，得到有源电力滤波器的PWM控制信号。本单独注入式有源电力滤波器分频自适应控制方法采用基于分频的模型参考自适应控制，与有源电力滤波传统控制方法相比电流的跟踪精度更高，补偿效果更理想。

说明书

技术领域

本发明涉及一种有源电力滤波器，特别涉及一种单独注入式有源电力滤波器及分频自适应控制方法。

背景技术

随着现代工业发展，电力负荷越来越复杂，形成了电力系统谐波的容量大、时变的特点。传统的LC无源滤波器越来越不能满足现代工业应用和电力系统的要求，随着有源电力滤波器(APF)的出现，为电网谐波治理提供了一种重要的方式。有源电力滤波器通过向电网注入一定补偿电流来抵消负载所产生的谐波电流，其应用克服了LC滤波器等传统的谐波抑制方法的一些缺点，它既可补偿非线性负荷产生的高次谐波，又能自动适应电网阻抗和频率的快速变化，并且具有高可控性和快速响应性。

APF技术发展到今天，已出现了多种拓扑结构：单独型、多变流器混合型以及APF与PF混合型。单独使用的有源滤波器虽然有很好的滤波性能，但是造价较高，特别是在高压大功率场合，难以得到应用。同样，由多个逆变器组成的多变流器混合型也需要高昂的初期投入。因此，小容量有源滤波器与大容量无源滤波器相结合的混合有源滤波器成为当今实际应用的热点和必然选择，也是未来有源滤波技术的发展方向。它既可克服APF容量要求大、成本高的缺点，又可弥补PF的不足，使整个滤波系统获得良好的性能。在现有的有源滤波器APF与无源滤波器PF相结合的混合有源滤波器中，减小逆变器容量，降低成本。通常采用的注入电路有两种：串联谐振注入式和并联谐振注入式。并联谐振注入型APF不具备无功补偿能力；串连谐振注入型APF有源滤波器的容量要求小，但是它在有源电力滤波器与无源滤波器之间存在谐波通道，造成有源电力滤波器注入的补偿电流又可能流入无源滤波器及系统中，无谓地增加无源滤波器的负担，而且也会影响谐波抑制的效果。将APF与PF串联后再并联接入电网的形式称为并联混合型有源滤波器，适合于高压、大功率系统应用，但是一般为了减小有源部分承受的基波电压及其流过的基波电流，PF的基波阻抗很大，造成PF装置体积大，费用高，因此不适合于要求无功补偿的场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种单独注入式有源电力滤波器，这种单独注入式有源电力滤波器不但能较好治理电网中的谐波，同时能够补偿大容量的无功功率。

本发明的另一目的是提供一种单独注入式有源电力滤波器的分频自适应控制方法。

为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案是：单独注入式有源电力滤波器包括有源电力滤波器和注入支路，所述注入支路由第二电容、第一电容、第一电感串接组成单调谐滤波器，第一电容、第一电感组成基波谐振电路，有源电力滤波器通过耦合变压器与基波谐振电路并联连接，经第二电容滤波后接入电网。

上述的单独注入式有源电力滤波器中，所述有源电力滤波器的输出经纹波滤波器滤波后接至耦合变压器的副边。

一种单独注入式有源电力滤波器的分频自适应控制方法，包括以下步骤：

将检测到的负载谐波电流I_lh进行分频，分成不同频率段的谐波电流信号；

分频后的各谐波电流信号通过相应的谐波相位补偿器补偿无源部分相位偏差；

谐波相位补偿器的输出送到前馈控制器，利用自适应律控制前馈控制器的增益系数，前馈控制器输出送到加法器；

将有源电力滤波器的输出谐波电流进行分频，其输出分别送到相应的反馈控制器；

利用自适应律控制反馈控制器的反馈系数，反馈控制器的输出和相同频率段前馈控制器的输出相加，得到该频段的谐波电流的控制信号；

将各频段的谐波电流控制信号累加，根据累加和计算得到有源电力滤波器的PWM控制信号。

本发明的有益效果是：

1)单独注入式有源电力滤波器中由于基波谐振电路在基波频率下发生谐振，因此注入支路将承担大部分电网电压，有源滤波器主要承受谐波电压而不承受系统基波电压，也没有基波电流流入，因而有利于减小有源滤波器的容量，降低成本。

2)单独注入式有源电力滤波器把串联谐振注入型APF和并联混合型有源滤波器结合在一起，综合这两种有源滤波器的优点，又互相弥补了各自的缺点，使得单独注入式有源电力滤波器兼具较大容量的无功静补能力和较小的逆变器容量。

3)结合单独注入式有源电力滤波器的结构特点，根据有源滤波器的输出频率特性，采用基于分频的模型参考自适应控制，同时在分频控制的基础上，通过瞬时电网谐波值、负载谐波值和有源滤波器输出的谐波值满足三角形的关系，由余弦定理得到负载谐波值和有源滤波器输出的谐波值的相位差，从而用来调整输入信号的相位，与有源电力滤波传统控制方法相比电流的跟踪精度更高，补偿效果更理想。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是单独注入式APF的系统结构。

图2为基于分频的有源滤波器自适应控制框图。

具体实施方式

如图1所示，单独注入式有源电力滤波器包括有源电力滤波器和注入支路，A相注入支路由电容C₁、电容C₂、电感L₄串接组成单调谐滤波器，电容C₂、电感L₄串联组成A相基波谐振电路，有源电力滤波器APF经LC滤波器(L₇、C₇)滤波后，通过耦合变压器T与基波谐振电路并联连接，再经滤波电容C₁接入电网，另两相注入电路与A相联接相同。在单独注入式有源电力滤波器的结构中，注入支路的主要作用是：给谐波提供一条低阻抗的通道，阻隔电网电压和补偿一定的无功。本发明可根据实际谐波输出和补偿无功的情况选择注入支路为N次单调谐滤波器。由于注入支路中的串联谐振LC网络谐振调谐于基波频率，其基波阻抗近似为0，相当于基波电流的短路通道，所以流过注入支路的基波电流都将流入该网络，而不会流入耦合变压器和逆变器。有源滤波器的作用主要有：改善整个滤波系统的滤波性能和滤波效果，抑制电网背景谐波电压对负载供电电压的影响，抑制无源滤波器和电网电感形成的串并联谐振，弥补无源电力滤波器存在的缺陷和不足等。单独注入式有源电力滤波器运行特点是：只由无源部分补偿无功功率，有源部分和无源部分共同抑制谐波。

参见图2，图2为基于分频的有源滤波器自适应控制框图。有源滤波器工作在谐波域，本身逆变器也是非线性的，谐波输出经过无源部分也会产生相位移动，因此考虑采用分频控制，利用模型参考自适应控制来控制幅值，然后根据电源谐波，负载谐波和有源滤波器输出谐波之间的向量关系来调整相位。图中，G_Pn(s)表示n次谐波相位补偿器，G_Cn(s)表示n次谐波前馈控制器，G_fn(s)表示n次谐波反馈控制器。

(1)参考模型

有源滤波器要实现滤除谐波的目的，因此参考模型设计为低通滤波器.，根据单独注入式APF的数学模型，本发明设计了与系统模型同阶的Butterworth型的低通滤波器作为参考模型，其传递函数为：

$>>>G>m>>>(>s>)>>=>>>4.931>\times >>10>10>>>>>s>4>>+>1231>>s>3>>+>7.582>\times >1>>0>5>>>s>2>>+>2.735>\times >>10>8>>s>+>4.931>\times >>10>10>>>>->->->>(>1>)>>>s>$

(2)自适应律

针对单独注入式有源电力滤波器，把对象方程化为：

$>>>Y>p>>>(>s>)>>=>>K>p>>>>>N>p>>>(>s>)>>>>>D>p>>>(>s>)>>>>U>>(>s>)>>->->->>(>2>)>>>s>$

式中

$>\left(\begin{array}{}>>>>N>p>>>(>s>)>>=>1>+>>a>1>>s>+>·>·>·>+>>a>n>>>s>n>\; >>>>>D>p>>>(>s>)>>=>>b>0>>+>>b>1>>s>+>·>·>·>+>>b>m>>>s>m>\; >\end{array}\right)$

Kp为常增益。

参考模型方程为

$>>>Y>m>>>(>s>)>>=>>K>m>>>1>>>D>m>>>(>s>)>>>>R>>(>s>)>>->->->>(>4>)>>>s>$

式中

D_m(s)＝b₀+b₁s+…+b_ms^m                                  (5)

Km为常增益。

根据系统控制框图2可以知道：

U(s)＝G_C(s)·R(s)+G_f(s)·Y_p(s)                         (6)

当系统与参考模型匹配时，系统前馈控制器和反馈控制器分别为：

$>>>G>C>>>(>s>)>>=>>>K>m>>>>K>p>>>N>p>>>(>s>)>>>>->->->>(>7>)>>>s>$

$>>>G>f>>>(>s>)>>=>>>>D>p>>>(>s>)>>->>D>m>>>(>s>)>>>>>K>p>>>N>p>>>(>s>)>>>>->->->>(>8>)>>>s>$

广义误差：

e(t)＝y(t)-y_m(t)                                       (8)

目标函数：

$>>J>=>>1>2>sup>>\int >0>1sup>>>e>2>>>(>t>)>>dt>->->->>(>9>)>>>s>$

设计目标就是寻求a_i，b_i的调节规律，使J最小。

系统闭环传递函数为：

$>>G>>(>s>)>>=>>>>Y>p>>>(>s>)>>>>R>>(>s>)>>>>=>K>>>N>>(>s>)>>>>D>>(>s>)>>>>U>>(>s>)>>->->->>(>10>)>>>s>$

$>\left(\begin{array}{}>>>N>>(>s>)>>=>1>+>>\alpha >1>>s>+>·>·>·>+>>\alpha >n>>>s>n>\; >>>>D>>(>s>)>>=>>\beta >0>>+>>\beta >1>>s>+>·>·>·>+>>\beta >m>>>s>m>\; >\end{array}\right)$

把a_i，b_i的每个值当作参数，可得到MIT律：

$>>ver>>\alpha >·>>i>>=>->>K>\alpha i>>e>>>\partial >e>>>>\partial >\alpha >>i>>>->>K>\alpha i>>e>>>\partial >y>>>\partial >>\alpha >i>>>>,>>K>\alpha i>>>>0,1>\le >i>\le >n>->->->>(>12>)>>>s>$

$>>ver>>\beta >·>>i>>=>->>K>\beta i>>e>>>\partial >e>>>\partial >>\beta >i>>>>->>K>\beta i>>e>>>\partial >y>>>\partial >>\beta >i>>>>,>>K>\alpha i>>>>0,1>\le >i>\le >m>->->->>(>13>)>>>s>$

式(12)，(13)即是系统所求的控制律。

(3)相位补偿控制

采用基于瞬时功率理论的谐波分频检测方法，检测某一时刻的电源谐波、负载谐波和单独注入式有源滤波器输出谐波的瞬时值，任何时刻都有：

$>>ver>>I>·>>Sh>>=>ver>>I>·>>Fh>>+>ver>>I>·>>Lh>>->->->>(>14>)>>>s>$

其中为电源谐波电流，为负载谐波电流，流入有源滤波器的谐波电流。

对某次谐波进行分析时，就有：

$>>ver>>I>·>>Sn>>=>ver>>I>·>>Fn>>+>ver>>I>·>>Ln>>,>n>=>2,3>,>·>·>·>->->->>(>15>)>>>s>$

由式(15)就可以知道，构成三角形的三条边，由余弦定理就有：

$>>cos>\theta >=>->>sup>>I>Ln>2sup>>+sup>>I>Fn>2sup>>-sup>>I>Sn>2sup>>>>2>>I>Ln>>>I>Fn>>>>->->->>(>16>)>>>s>$

其中θ为向量之间的夹角，也就是瞬时之间的相位差，

通过PI控制来调整谐波相位补偿控制器G_Pn(s)。

本有源电力滤波器的分频自适应控制过程如下：

1.将检测到的负载谐波电流I_lh进行分频，根据不同的频段选择不同的控制器；

2.分频后的I_lh首先通过谐波相位补偿器G_Pn(s)补偿无源部分相位偏差，然后再通过谐波前馈控制器G_Cn(s)，G_Cn(s)的输出与谐波反馈控制器G_fn(s)的输出进行累加，并将累加和送入被控对象得到控制信号I_sh；

3.控制器的实际输出I_sh与负载谐波电流I_lh通过参考模型的理想输出I_sh相减，得到误差信号e(t)，e(t)作为适应机构的输入，用于调节前馈控制器和反馈控制器的系统参数；

4.自适应律不断调节系统参数，使得误差e(t)越来越小，趋近于零。即控制器的实际输出完全跟踪上参考模型的理想输出，从而实现谐波的完全滤除。