LCL型有源电力滤波器的并联电流控制系统及控制方法

摘要

本发明涉及一种LCL型有源电力滤波器的并联电流控制系统及控制方法，包括主电路:采集脉冲信号，通过三相逆变器制造大小相等，相位相反的谐波电流注入电网，补偿电网畸变电流，使电源电流中只含有基波分量，控制系统:用于检测谐波电流，根据检测的电网电流，得到补偿的谐波电流指令，根据检测的直流母线电容电压，得到基波指令电流，谐波指令电流加上基波指令电流得到要补偿的指令电流，结合指令电流与逆变器实际输出电流比较，得到误差值进行双闭环控制，控制方式采用比例控制结合重复控制，最后进行驱动电路调制得到调制波。本发明可实现对参数的自调整，对动态变化的负载有更快的响应速度。

说明书

技术领域

本发明涉及LCL型三相并联有源电力滤波器技术领域，具体设计一种LCL型有源电力滤波器的改进型并联电流控制系统及控制方法。

背景技术

随着大量电力电子装置在电力系统中的广泛应用，非线性负载所引起的谐波畸变问题日益严重。谐波治理受到人们越来越多的重视。与无源滤波器相比， 并联型有源电力滤波器(Shunt Active Power Filter，SAPF)较无源滤波器在稳定性以及灵活性方面都 有明显的优势，是目前治理电力谐波的最有效方法。

SAPF自身因载波调制产生的高次谐波，要通过L或者LCL型滤波器滤除。LCL型滤波器为三阶系统，其在总电感值相等的情况下，比L型滤波器有更好的高频抑制性能以及开关纹波抑制，在大功率应用场合，成本优势明显，同时也提高了系统的动态性能，但LCL型滤波器的传递函数缺少二阶项，导致其在特定频率上会产生谐振峰，抑制谐振峰的方法一般采用无源阻尼法或有源阻尼法。无源阻尼简单可靠，但在高压大功率场合下损耗严重。有源阻尼通过控制算法来避免谐振问题，主要有虚拟电阻法、状态变量反馈法和基于遗传算法的方法。

补偿电流的跟踪性能是APF系统性能的重要指标之一。谐波电流含有多次高频交流信号，加之负载谐波的随机性，很难实现快速准确的跟踪控制。目前，APF的补偿电流控制方法主要包括：滞环控制、无差拍控制以及PI控制。滞环控制响应快、不用载波，不含特定次数谐波，但是滞环带宽不易设置，功率器件的开关频率也不固定；无差拍控制具有动态响应快的特点，但是对系统参数依赖性强，抗干扰能力差；PI控制是广泛应用的一种成熟的控制方法，针对直流信号能够实现无稳态误差调节，但对于APF的谐波电流这种高频交流分量，跟踪效果不佳。重复控制能够对复杂周期信号实现零稳态误差跟踪，但其动态性能较差，不能对扰动进行实时反应，通常会产生一个参考周期的延迟。此外，广义积分控制、滑模控制以及多种控制方法的复合控制越来越受到学者的广泛关注。

发明内容

本发明主要是为了克服有源电力滤波器补偿性能不佳的难题，解决现有技术中对变化的负载动态响应速度慢，从而影响系统的补偿精度；提出一种LCL型并联有源电力滤波器的改进型并联电流控制方法，采用了模糊PI控制结合快速重复控制的双环控制方式，显著提高了系统的稳态精度，谐波跟踪的动态响应速度，实现了SAPF基波与谐波的控制。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种LCL型有源电力滤波器的改进型并联电流控制系统，其特征在于，包括：

主电路:采集脉冲信号，通过三相逆变器制造大小相等，相位相反的谐波电流注入电网，补偿电网畸变电流，使电源电流中只含有基波分量，提高电能质量，

控制系统: 用于检测谐波电流，根据检测的电网电流，得到补偿的谐波电流指令，根据检测的直流母线电容电压，得到基波指令电流，谐波指令电流加上基波指令电流得到要补偿的指令电流，结合指令电流与逆变器实际输出电流比较，得到误差值进行双闭环控制，控制方式采用比例控制结合重复控制，最后进行驱动电路调制得到调制波；

主电路包括：

三相逆变器:用于接受脉冲信号产生一个与负载谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流来抵消负载电流中的谐波成分，输入接储能原件,输出接输出滤波器。三相逆变器为三相电压型逆变器，储能原件为直流电容, 所述三相电压型逆变器经过脉冲信号产生补偿电流与输出滤波器连接；三相电压型逆变器与输出滤波器串联之后与非线性负载并联接入电网。

输出滤波器: 用于实现较理想的开关纹波滤除效果，输入接三相逆变器,输出接入三相电网。输出滤波器为高阶滤波器，采用LCL型滤波器结合模糊PI控制和快速重复控制的双环控制方式，LCL滤波器采用星形连接的方式，L

储能原件: 用于为有源电力滤波器提供稳定直流，输出接入三相逆变器。

在上述的一种LCL型有源电力滤波器的改进型并联电流控制系统,其特征在于，控制系统包括

谐波电流检测电路：与电流跟踪控制电路连接，用于检测负载中的谐波电流成分。

直流侧电容电压检测电路：与电流跟踪控制电路连接，用于实现电压的稳定性控制。

锁相环电路：与直流侧电压检测电路连接，用于实现电网相角、频率信息的准确、快速提取。

电网侧电感电流检测电路：与电流跟踪控制电路连接，用于准确跟踪谐波电流指令。

电流跟踪控制电路：与驱动电路连接，用于实现补偿谐波电流的精准跟踪和快速响应能力。

一种LCL型有源电力滤波器的改进型并联电流控制方法，其特征在于：包括

步骤1：获取并联型有源电力滤波器的状态信息，利用电压电流传感器采集负载电流i

步骤2：以直流侧母线电容电压为参考值u

步骤3：利用谐波检测电路，将检测到的的负载电流经过abc/dq变换后进行低通滤波,得到基波电流分量，再与负载电流相减得到要补偿的谐波电流指令，通过abc/dq变换可将三相六脉冲装置中主要的6k±1（k=1,2,3…）次谐波转换为6k次谐波信号；

步骤4：将基波电流指令加上谐波电流指令得到要补偿的电流指令，结合电流指令对有源电力滤波器的电网侧电感电流进行电流控制，电流跟踪控制电路采用模糊PI控制与快速重复控制并联的方式，再输入SVPWM生成调制波，控制功率器件开关动作，生成与负载侧谐波及无功电流相反的补偿电流。实现对电网输出电流的无功与谐波补偿，具体是：

通过自适应模糊PI控制和快速重复控制的并联电流控制系统，解出满足系统稳定的约束条件；首先针对负载电流在dq坐标系的特征设计快速重复控制器，最后将自适应模糊PI控制和快速重复控制并联起来，得到系统的传递函数及其特征方程，解出满足并联控制系统稳定时的自适应模糊PI控制器初始参数，步骤4中电流跟踪控制电路的参数选取具体方法如下：

步骤a1：将谐波电流指令与实际检测到的电网侧电感电流比较，得到电流跟踪电流的指令信号，如公式8所示：

i

i

步骤a2：将步骤c1得到的电流跟踪电流指令信号i

式中G

式中z

步骤a3：将快速重复控制和自适应模糊PI控制通过并联的方式作用于被控对象，在首个周期内对误差信号做出快速响应。下周期快速重复控制器开始对误差信号进行控制调节，随着重复控制器开始进行周期性调节，模糊PI控制器控制作用逐渐变小，最后误差信号跟踪逐渐趋于零，系统重新达到稳定。建立并联控制系统的传递函数如下：

式中G

式中△、△

在上述的一种LCL型有源电力滤波器的改进型并联电流控制方法，通过对基波电流控制器设计自适应模糊PI控制，提高系统的响应速度；具体是首先设计模糊规则，进而根据直流母线的误差值和误差率推导出自适应模糊PI控制器的增益△K

步骤b1：利用直流侧电容电压检测得到直流侧电容电压实际值u

ru

△ru

步骤b2：建立模糊规则，分别将误差ru

步骤b3：模糊控制的精确化，将步骤b2中得到的比例积分的增益△K

K

K

式中K

步骤b4：将步骤b3中得到的比例积分控制参数K

在上述的一种LCL型有源电力滤波器的改进型并联电流控制方法，对负载电流进行abc/dq变换，得出负载电流在dq坐标系下的特征，步骤3中谐波检测电路中负载电流进行abc坐标系与dq坐标系变换的具体方法如下：

步骤c1：电力系统中逆变器和整流器应用最为广泛，其在电网中的电流由50Hz基波成分和5次负序、7次正序、11次负序和13 次正序等谐波成分组成，在abc坐标系下，可以定义负载电流如式(13)所示：

其中

步骤c2：将abc坐标系下的三相负载电流通过变换矩阵

式(14)中C

本发明的积极效果在于：

1)相比较于传统的PI控制方式，对数学模型的精准度要求高，很难适应不同的谐波指令信号，自适应模糊PI控制器则可实现对参数的自调整，对动态变化的负载有更快的响应速度。

2)相比较于传统的重复控制，对各次谐波都具有高增益，当非线性负载出现突变时，动态响应性能较差并产生大幅度的波动，从而影响系统的补偿效果，快速重复控制仅在6k次谐波频率处具有无穷大增益，可以有效地抑制电网中的谐波电流，在非6k次的其他整数频率处不再具有谐振高增益，有效地避免了放大其他次数谐波的幅值。从延迟环节来看，滞后的阶次降低使数据所占内存变小，可以实现运算量的减少。

3)自适应模糊PI控制和快速重复控制的并联控制策略可以有效保障系统的稳定性能，只用对自适应模糊PI控制器的初始参数和快速重复控制器进行设计，自适应模糊PI控制器通过增加或者减少来修正参数，改善系统的动、静态性能，使系统稳态运行时具有较高的跟踪精度。

附图说明

图1为本实用LCL型有源电力滤波器的改进型并联电流控制系统框图。

图2为本实用自适应模糊PI控制器结构框图。

图3为本实用并联电流控制系统框图结构框图。

图4为本实用直流电压调节器的自适应模糊PI控制器结构框图。

图5为本实用电流控制器的自适应模糊PI控制器结构框图。

图6为系统特征方程

图7是直流侧电容电压的仿真图。

图8是电网A相电流波形仿真图。

图9是电网A相电流频谱仿真图。

图10是有源电力滤波器输出A相跟踪电流波形图（图中谐波电流已被完全跟踪）。

图11是模糊PI控制器的模糊变量r隶属度函数图。

图12是模糊PI控制器的模糊变量△r隶属度函数图。

图13是模糊PI控制器的模糊变量△K

图14是模糊PI控制器的模糊变量△K

图15是模糊PI控制器的模糊变量K

图16是模糊PI控制器的模糊变量K

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明涉及的控制方法，包括

步骤1：获取并联型有源电力滤波器的状态信息，利用电压电流传感器采集负载电流i

步骤2：以直流侧母线电容电压为参考值u

步骤3：利用谐波检测电路，将检测到的的负载电流经过abc/dq变换后进行低通滤波,得到基波电流分量，再与负载电流相减得到要补偿的谐波电流指令，通过abc/dq变换可将三相六脉冲装置中主要的6k±1（k=1,2,3…）次谐波转换为6k次谐波信号；

步骤4：将基波电流指令加上谐波电流指令得到要补偿的电流指令，结合电流指令对有源电力滤波器的电网侧电感电流进行电流控制，电流跟踪控制电路采用模糊PI控制与快速重复控制并联的方式，再输入SVPWM生成调制波，控制功率器件开关动作，生成与负载侧谐波及无功电流相反的补偿电流。实现对电网输出电流的无功与谐波补偿，具体是：

通过自适应模糊PI控制和快速重复控制的并联电流控制系统，解出满足系统稳定的约束条件；首先针对负载电流在dq坐标系的特征设计快速重复控制器，最后将自适应模糊PI控制和快速重复控制并联起来，得到系统的传递函数及其特征方程，解出满足并联控制系统稳定时的自适应模糊PI控制器初始参数，步骤4中电流跟踪控制电路的参数选取具体方法如下：

步骤a1：将谐波电流指令与实际检测到的电网侧电感电流比较，得到电流跟踪电流的指令信号，如公式8所示：

i

ri= i

△ri= ri-ri

i

步骤a2：建立模糊规则，分别将误差值ri和误差率△ri乘以量化因子，将他们的精确值变化到模糊域r和△r当中，设定r和△r的论域如下所示：

r，△r={-6，-4，-2，0，2，4，6} （4）

r为自适应模糊PI控制器的输入语言变量误差，△r为自适应模糊PI控制器的输入语言变量误差率。选取模糊集合{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},它们分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。 确定自适应模糊PI控制器输出参数的隶属度函数，并定义它们的模糊论域，如公式5,6所示：

△K

△K

△K

表1 △K

表2 △K

步骤a3：模糊控制的精确化，将步骤a2中得到的比例积分的增益△K

K

K

K

步骤a4：将步骤a3中得到的比例积分控制参数K

步骤a5：将步骤a1得到的电流跟踪电流指令信号i

式中G

式中：z

步骤a6：将快速重复控制和自适应模糊PI控制通过并联的方式作用于被控对象，模糊PI控制器在首个周期内对误差信号做出快速响应,下周期快速重复控制器开始对误差信号进行控制调节，随着重复控制器开始进行周期性调节，模糊PI控制器控制作用逐渐变小，最后误差信号跟踪逐渐趋于零，系统重新达到稳定。建立并联控制系统的传递函数如下：

式中G

式中△、△

观察式子(13)可发现△

s为连续域算子，根据传递函数得到式15的系统稳定条件为：

L

△

绘制式（17）的根轨迹图如说明书附图6所示，模糊PI控制器的比例参数在小于9.18时均可保持稳定，选择模糊PI控制器的初始参数K

通过对基波电流控制器设计自适应模糊PI控制，提高系统的响应速度；具体是首先设计模糊规则，进而根据直流母线的误差值和误差率推导出自适应模糊PI控制器的增益△K

步骤b1：利用直流侧电容电压检测得到直流侧电容电压实际值u

ru

△ru

ru

步骤b2：建立模糊规则，分别将误差值ru

r，△r={-6，-4，-2，0，2，4，6} （20）

r为自适应模糊PI控制器的输入语言变量误差，△r为自适应模糊PI控制器的输入语言变量误差率。选取模糊集合{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},它们分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。 确定自适应模糊PI控制器输出参数的隶属度函数，并定义它们的模糊论域，如公式21,22所示：

△K

△K

△K

表3 △K

表4 △K

步骤b3：模糊控制的精确化，将步骤b2中得到的比例积分的增益△K

K

K

K

步骤b4：将步骤b3中得到的比例积分控制参数K

对负载电流进行abc/dq变换，得出负载电流在dq坐标系下的特征，步骤3中谐波检测电路中负载电流进行abc坐标系与dq坐标系变换的具体方法如下：

步骤c1：电力系统中逆变器和整流器应用最为广泛，其在电网中的电流由50Hz基波成分和5次负序、7次正序、11次负序和13 次正序等谐波成分组成，在abc坐标系下，可以定义负载电流如式(25)所示：

其中

步骤c2：将abc坐标系下的三相负载电流通过变换矩阵

式(26)中C

本发明的积极效果在于：

1)相比较于传统的PI控制方式，对数学模型的精准度要求高，很难适应不同的谐波指令信号，自适应模糊PI控制器则可实现对参数的自调整，对动态变化的负载有更快的响应速度。

2)相比较于传统的重复控制，对各次谐波都具有高增益，当非线性负载出现突变时，动态响应性能较差并产生大幅度的波动，从而影响系统的补偿效果，快速重复控制仅在6k次谐波频率处具有无穷大增益，可以有效地抑制电网中的谐波电流，在非6k次的其他整数频率处不再具有谐振高增益，有效地避免了放大其他次数谐波的幅值。从延迟环节来看，滞后的阶次降低使数据所占内存变小，可以实现运算量的减少。

3)自适应模糊PI控制和快速重复控制的并联控制策略可以有效保障系统的稳定性能，只用对自适应模糊PI控制器的初始参数和快速重复控制器进行设计，自适应模糊PI控制器通过增加或者减少来修正参数，改善系统的动、静态性能，使系统稳态运行时具有较高的跟踪精度。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。