一種基於解耦諧振調節器陣列的有源電力濾波器閉環控制方法

2023-08-05 22:02:31 1

專利名稱：：一種基於解耦諧振調節器陣列的有源電力濾波器閉環控制方法
技術領域：
：本發明屬於電網電能質量治理研究領域，特別涉及一種基於新型解耦諧振調節器陣列的有源電力濾波器(APF-ActivePowerFilter)閉環控制方法。
背景技術：
：隨著人類工業發展及電力電子技術的不斷進步，大量非線性負載設備被接入用電網絡。這些設備在提高人們生活、生產效率和水平的同時，也帶來了各方面電能質量問題。特別是大量諧波電流的引入，極大的影響著整個電網系統的效率和壽命，威脅著電網的安全、可靠運行。有源電力濾波器(APF)作為一種高效的電能質量治理裝置，將電力電子，控制理論等先進技術集於一身，相較於傳統無源補償設備擁有諸多優點，代表著未來電能質量治理裝置的發展方向。APF現已大規模使用於工業現場等配電網絡中，用以補償諧波電流、無功電流、不平衡電流等，發揮著重要的作用。但現場實際裝置基本都採用基於負載電流檢測的控制方式，從控制理論的角度講，這實際上是一個開環控制系統，其系統性能往往依賴於各參數的精確匹配，這給APF的工程應用和現場調試帶來了極大的困難。其系統魯棒性，補償效果，響應速度，也還存在一些不盡如人意的地方。為解決這些問題，進一步改進系統性能，將有源電力濾波器電流檢測點從負載側移至電網側，通過檢測電網電流控制裝置，實現系統的閉環控制，是現階段APF性能改進的關鍵所在。針對APF系統閉環控制方法的研究，已有許多學者提出了卓有成效的建議，但這些控制方法都存在一定的不足或對使用環境存在一定的限制條件，在現場使用過程中暴漏出了很多實際問題，還遠未成熟。本發明從最基本的閉環系統結構出發，引入具有解耦功能的新型諧振調節器陣列，有效實現了APF的閉環控制。該控制方法結構簡單，易於實現，運算量小，且對高次諧波仍具有較好的補償效果。在該控制方法下的APF等效於在電網與負載間串入了一個虛擬帶阻濾波器，將所選諧波濾除，從根本上實現了APF系統的閉環控制，改進了裝置的補償性能。相關文獻[I]AkagiH.NewTrendsinActiveFiltersforPowerConditioning[J]IEEETrans.Ind.AppI.，1996，32(6):1312-1322.[2]FangZhengPeng.Applicationissuesofactivepowerfilters[J]IEEETrans.Ind.AppI.，1998，4(5):21-30.[3]PaoloMattavelli.AClosed-LoopSelectiveHarmonicCompensationforActiveFilters[J]IEEETrans.Ind.AppI,vol.37，NO.1，Jan./Feb.2001:81-89.[4]HamasakiS.,KawamuraA..ImprovementofCurrentRegulationofLineCurrentDetectionTypeActiveFilterbasedonDeadbeatControl[C].IEEEIndustryApplicationsConference2001，vol.1，Sept./Oct.2001:202-207[5]TokudaH.,AmanoI.，EguchiN..AResonanceDumpingControlforaLine-currentDetectionTypeActiveFilter[C]PCC2002，vol.2，Apr.2002:755-760.[6]TakeshitaT.，MatsuiN.,ControlofActiveFiltersUsingSourceCurrentDetection[C].IEC0N』03，vol.2，Nov.2003:1515-1520.[7]WuJC,JouHL.Simplifiedcontrolmethodforthesingle-phaseactivepowerfilter[J],ElecticPowerApplications，IEEProceedings-,1996,vol.143.no.3219-224.[8]SinghB.N.，ChandraA.，Ai-HaddadK.，PerformanceComparisonofTwoCurrentControlTechniques[C]，HarmonicsandQualityofPower,vol.1，Oct.1998133-138.[9]SinghB.N.,Slidingmodecontroltechniqueforindirectcurrentcontrolledactivefilter[C]，IEEERegion5，2003AnnualTechnicalConference，Apr.2003:51-58.[10]0hnishiT.，UekiK.，HojoM..SourceCurrentDetectionControlofActiveFilterforPreventingCurrentOsilllation[C].PESC04,vol.2,Jun.2004965-969.[ll]0hnishiT.,UekoK.,HojoM.StableControlMethodofSourceCurrentDetectionTypeActiveFilterbyVoltageHarmonicsFeedback[C].PowerElectronicsandApplications2005:9pp.-p.9.[12]0hnishiT.，HojoM.ACLineVoltageHarmonicsCompensatorWithExcessiveCurrentControl[J].IEEETrans.Ind.Appl.，vol.50，NO.6，Dec.20031126-1133.[13]LeonardoR.L.，RaduB.，GiovanniT.DigitalCurrent-ControlSchemes[J].IEEEIndustryElectronicsMagaziene，March2009，:20-31.[14]DanielN.Z.，DonaldG.H.,StationaryFrameCurrentRegulationofPWMInvertersWithZeroSteady-stateError[J],IEEETrans.PowerElectronics，VOL.18，NO.3，May2003:814-822.[15]MichaelJ.N.,DanielN.Z.,DonaldG.H.StationaryFrameHarmonicReferenceGenerationforActiveFilterSystems[J]，IEEETrans.IndustryApplication，VOL.38.NO.6Nov./Dec.2002:1591-1599.[16]FernandoBriz,MichaelW.Degner,RobertD.Lorenz.AnalysisandDesignofCurrentRegulatorsUsingComplexVectors.IEEETrans.Ind.Appl.，vol.36，NO.3，May/Jun.2000:817-825.[17]LascuC.，AsiminoaeiL，BoldeaI.，etal.HighPerformanceCurrentControllerforSelectiveHarmonicCompensationinActivePowerFilters[J]IEEETranspowerElectronics，2007.Vol.22，Sept.2007:1826-1835.[18]CristianL,LucianA.，IonB.，FredeB.,FrequencyResponseAnalysisofCurrentControllersforSelectiveHarmonicCompensationinActivePowerFilters[J],IEEETrans.IndustryElectronics,VOL.56.NO.2.Feb2009:337-347.
發明內容本發明的目的在於提出一種基於新型解耦諧振調節器陣列的有源電力濾波器閉環控制方法。該方法從最基本的閉環系統結構出發，引入帶解耦功能的新型諧振調節器陣列，實現了APF系統的閉環控制，改進了裝置的補償性能。本發明控制方法主要從諧波控制、基波控制以及指令調製幾個方面進行闡述I)諧波控制方法a)檢測補償對象配電網絡的三相電網側電流(以構成閉環控制系統)b)對上述網側電流信號進行旋轉坐標變換，將其從三相靜止坐標系變換至兩相旋轉坐標系下，坐標系旋轉角速度與電網電壓角速度相同；c)選擇待補償諧波次數，並將相應的新型解耦諧振調節器組成陣列；將前述旋轉坐標系下網側電流信號與該諧振調節器陣列相乘，作為諧波控制指令等待後續處理；2)基波控制方法a)通過10個IOK電阻將直流側電壓降壓並採集，將其與預定的直流側電壓參考指令(一般取電網線電壓2倍左右)做差，差值通過PI調節器調節後作為裝置穩壓所需基波電流指令；b)檢測裝置輸出電流(逆變器交流輸出埠側電流)，並將其變換至前述旋轉坐標系下與2)a)中所得基波電流指令做差，所得差值經PI調節器調節，得到基波控制指令；3)指令調製將I)c)中所得諧波控制指令與2)b)中所得基波控制指令相疊加得到最終的控制指令，通過旋轉變換逆變換將最終指令變換至三相靜止坐標系下，並採用SVM調製方式將其轉換為PWM信號控制逆變器相應IGBT開關元件工作。本發明通過引入具有解耦功能的諧振調節器陣列，實現APF系統的選頻閉環控制。該控制方法下的APF具有選擇次諧波補償的功能，整個系統具有較好的魯棒性和較高的穩態補償性能，且對高次諧波仍具有良好的補償效果。系統控制無需諧波運算環節，且所需調節器數量少，簡單易實現，具有較好的應用前景。此外，通過搭建APF系統仿真模型，對所提控制方法進行了仿真驗證，證實了該方法的正確性和可靠性。圖I為本發明所介紹有源電力濾波器拓撲結構及其閉環控制方法原理圖；圖2為本發明介紹閉環控制方法下APF的諧波補償效果的仿真波形，圖中(a)為非線性負載產生的畸變、富含諧波成分的負載電流(b)為APF補償後得到的不含諧波成分的電網電流；具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述如圖I中所示有源電力濾波器主電路拓撲結構，其主體為三相電壓型逆變器VSI，直流側與電容器Cde相連，交流側通過三個進線電感Lc與三相電網並聯連接。本發明所提閉環控制方法如圖I下半部控制框圖所示，由於裝置直接檢測電網側電流，故從控制的角度形成了閉環系統。控制部分主要分諧波控制部分，基波控制部分，以及指令調製部分。諧波控制部分主要用於控制流入電網側的諧波電流成分，達到補償諧波電流的功能。它檢測電網側電流、，並將其轉換至與電網電壓角頻率相同的旋轉坐標系下(abc/dq)。APF目標為控制流入網側的所選諧波成分為零，即所選諧波成分參考指令為零，ish*=O0諧波控制框圖中的負號可由電流傳感器矢量方向實現，即從負載側至電網側為正，而從電網側至負載側為負。將上述網側電流信號在旋轉坐標系下與所選諧振調節器陣列C(S)相乘，即可得到諧波控制指令V。本發明中所用諧振調節器具有解耦功能，且對高次諧波也有精確的控制效果，並可提供明確的設計方法，這是傳統諧振調節器所無法具備的。這種帶解耦功能的新型諧振調節器具有如下結構權利要求1.一種基於解耦諧振調節器陣列的有源電力濾波器閉環控制方法，其特徵在於(1)設置拓撲結構將三相電壓型逆變器的直流側與電容器相連，三相電壓型逆變器的交流側通過三個進線電感與三相電網並聯連接；(2)採用如下控制方法a)諧波控制方法i.直接檢測補償對象配電網絡的三相電網側電流，以構成閉環控制系統；ii將上述所採集三相電網側電流信號進行旋轉坐標變換，將其從三相靜止坐標系變換至兩相旋轉坐標系下，坐標系旋轉角速度與電網電壓角速度相同；iii.選擇與待補償諧波次數相應的新型解耦諧振調節器組成陣列，並將前述網側電流信號在旋轉坐標系下與該諧振調節器陣列相乘，其乘積結果相作為諧波控制指令等待後續處理；b)基波控制方法1.首先通過10個IOK電阻將直流側電壓降壓，並通過電壓傳感器檢測後與預定的直流側電壓參考指令做差，其差值通過PI調節器調節後作為裝置穩壓所需基波電流指令；ii通過電流霍爾檢測裝置輸出電流，即逆變器交流輸出埠側電流，並變換至前述旋轉坐標系下與步驟b)i中所得基波電流指令做差，所得差值經PI調節器調節，截止頻率在70100Hz，得到基波控制指令；c)指令調製將a)iii.中所得諧波控制指令與步驟b)ii中所得基波控制指令相疊加得到最終的控制指令，通過旋轉變換逆變換將最終指令變換至三相靜止坐標系下，並採用SVM調製方式將其轉換為PWM信號控制逆變器相應IGBT開關元件工作。2.如權利要求I所述有源電力濾波器閉環控制方法，其特徵在於1)解耦諧振調節器結構全文摘要本發明公開了一種基於新型解耦諧振調節器陣列的有源電力濾波器閉環控制方法。該控制方法從最基本的閉環控制結構出發，引入帶解耦功能的新型諧振調節器陣列，實現了有源電力濾波器系統的閉環控制。該控制方法不但提高了系統的魯棒性和整體補償性能，且可以方便地實現選擇次諧波補償及高次諧波的有效補償。控制系統無需繁瑣的諧波分離算法，簡單、可靠，易於實現，大大改善了有源電力濾波器裝置的補償性能，具有較為實際的工程應用價值。文檔編號H02J3/01GK102623996SQ201210082218公開日2012年8月1日申請日期2012年3月26日優先權日2012年3月26日發明者卓放,張豔軍,易皓申請人:西安交通大學