基於跟蹤微分器的有源濾波器空間矢量電流控制方法與流程
2024-02-03 10:58:15
本發明針對電力系統中的諧波電流補償環節，特別是對參考輸出電壓的準確計算，為有源濾波器(APF)進行諧波補償過程中的諧波電流補償部分提供可靠基礎。
背景技術：
近年來，大量非線性負荷投入電力系統運行引起的電能質量問題備受關注。並聯有源電力濾波器(APF)被認為是抑制諧波最有效的設備之一。當檢測出負載側電流諧波含量後，如何控制實際補償電流迅速且準確的跟蹤參考補償電流成為能否實現有源濾波器功能的關鍵，在複雜的諧波環境中更是顯得尤為重要。
諧波電流控制方法主要分為兩種方式，一種是瞬時值比較方式，這種方式以滯環控制為代表，雖然該方法實現簡單，電流響應速度快，不含特定階次諧波，但是半導體器件的開關頻率是變化的，有可能超出器件的最高工作頻率而導致其損壞；另一種是三角波比較方式，其不直接將參考補償電流與三角波比較，而是講參考補償電流和實際電流的偏差經過放大器後再與三角波比較，其輸出電壓所含諧波較少，但跟隨誤差較大，且電流響應較慢。因此，如何準確迅速的跟蹤參考補償電流，特別是在保證功率器件安全可靠的情況下，現有的控制方法有待優化改善。
技術實現要素：
為了克服上述傳統的電流跟蹤控制方法存在的不足，本發明提出一種基於跟蹤微分器的有源濾波器空間矢量電流控制方法。通過預先設計的跟蹤微分器，可以計算得到電感兩端的電壓值，從而將參考補償電流轉化為參考輸出電壓，而將參考輸出電壓轉化到α-β坐標系得到電壓矢量，並將電壓矢量分解到各個開關周期上得逆變器開關信號，再輸出實際補償電流以達到補償網側電流的目的。該方法能較好的補償諧波，減少開關頻率，且對外部幹擾和內部擾動具有很好的適應性。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案：一種基於跟蹤微分器的有源濾波器空間矢量電流控制方法，
首先設計跟蹤微分器TD以實現功能
x1(k+1)＝x1(k)+h·x2(k)
x2(k+1)＝x2(k)+h·fhan(x1(k)-v(k)，x2(k)，r，h)
式中，r為跟蹤速率，h為採樣周期，v(k)為系統在k時刻的輸入，在系統調試階段只需調節r的值就可以得到很好的跟蹤效果。
其中
式中，d＝r·h，d0＝h·d,y＝x1+h·x2,
通過前期的諧波電流檢測算法，得到有源濾波器需要向網側補償的參考諧波電流量，然後通過跟蹤微分器和信號放大器將參考諧波電流量轉換為濾波器的參考輸出電壓，其次通過靜止坐標系變換，將參考輸出電壓轉換到α-β坐標系，即得到了α-β參考輸出電壓矢量，將電壓矢量投影到三相開關狀態矢量方向上，得到了在一個周期內三相參考電壓矢量，再通過與特定三角波進行比較而得到逆變器控制輸出信號，最後有源濾波器輸出和與負載諧波電流頻率相同幅值相等而方向相反的電流補償掉網側的諧波。
更進一步地，參考補償電流與實際逆變器輸出電流的差值經過包含之前設計的跟蹤微分器的電流電壓轉換單元，即可以的到逆變器輸出端和網側電壓端的電壓差，得到的電壓差加上當前時刻的網側電壓即得到參考輸出電壓。計算得到的參考輸出電壓轉換到α-β坐標系中，得到α-β坐標系下的參考輸出電壓矢量，將其分解到最近的兩個狀態矢量方向上，通過相似三角形定理得到在一個開關周期內保持兩個開關狀態量的時間，即可得出矢量佔空比，再同三角波比較得到了逆變器的開關信號。將開關信號輸入到逆變器以控制輸出補償電流補償網側諧波。
其中實現難點為微分部分，普通的微分器實現是通過延遲環節實現，但也帶來了很多毛刺和噪聲，因此設計一款跟蹤微分器來實現微分功能十分有必要。
設計一款跟蹤微分器，使得其輸出能逼近於輸入的理想微分信號，且使得毛刺和噪聲到達可接受範圍以內。
通過電流電壓轉換器後得到了參考輸出電壓，將參考輸出電壓轉換到a-b平面得到了a-b坐標系下的電壓矢量，
轉化矩陣為
其中
得到α-β坐標系下的參考電壓矢量將其分解到其三角形區域上的開關狀態矢量上，並通過適當的運算將其轉化為pwm控制信號輸出，使得逆變器輸出補償電流補償電網諧波。
有益效果：本發明的基於跟蹤微分器的有源濾波器空間矢量電流控制方法突破了傳統的滯環電流控制開關頻率不可控，調節效果受滯環寬帶等影響；相較於載波移向脈寬調製其開關頻率更小，且能更好的補償諧波電流。
附圖說明
圖1為本發明實施例中並聯型有源濾波器主電路結構圖。
圖2為本發明實施例中基於跟蹤微分器的空間矢量電流控制方法示意圖。
圖3為本發明實施例中空間矢量分區示意圖。
圖4為本發明實施例中第一區域的矢量分解示意圖。
具體實施方式
以下通過具體實施例和附圖對本發明創造的技術方案做進一步的說明。
本實施例的基於跟蹤微分器的空間矢量的有源濾波器電流控制方法，首先通過前期的諧波檢測算法，得到有源濾波器需要向網側補償的電流量，然後通過跟蹤微分器和信號放大器將補償電流量轉換為濾波器的參考輸出電壓，其次通過靜止坐標系變換，將參考輸出電壓轉換到α-β坐標系，即得到了α-β參考輸出電壓矢量，將電壓矢量投影到三相開關狀態矢量方向上，得到了在一個周期內三相參考電壓矢量，再通過與特定三角波進行比較而得到逆變器控制輸出信號，最後有源濾波器輸出和與負載諧波電流頻率相同幅值相等而方向相反的電流補償掉網側的諧波。該方法突破了傳統的滯環電流控制開關頻率不可控，調節效果受滯環寬帶等影響；相較於載波移向脈寬調製其開關頻率更小，且能更好的補償諧波電流。
本發明以補償非線性負載產生的各次諧波為例，詳細說明本發明的實施方式。圖2為本發明實施例中基於跟蹤微分器的空間矢量電流控制方法示意圖。
Step1：設計跟蹤微分器
x1(k+1)＝x1(k)+h·x2(k)
x2(k+1)＝x2(k)+h·fhan(x1(k)-v(k)，x2(k)，r，h)
式中，r為跟蹤速率，h為採樣周期,v(k)為當前輸入，
其中
式中，d＝r·h，d0＝h·d,y＝x1+h·x2,
Step2：計算參考輸出電壓。
由基爾霍夫定理可知
微分部分通過跟蹤微分器求得，而Usa,Usb,Usc經由電壓檢測直接獲得逆變器輸出電壓，電阻為濾波器輸出端到電網的電阻。
Step3：坐標系轉換
將得到的參考輸出電壓轉換到α-β坐標繫上，得到α-β坐標系下的參考電壓矢量指令，其坐標轉換函數為：
Step4：區域判斷
在圖1的主電路中，可以得到8中開關模式所對應的並聯有源濾波器交流測輸出電壓矢量uk(k＝0，1，…，7)，並且將矢量空間分為6個三角形區域，如圖3所示，Uα-β即落在所化三角形區域內。
Step5：矢量計算(以第一區域為例)
在上一步中將Uα-β矢量分解到所在三角形區域的兩條相鄰的兩條邊上，如圖4所示：
Uα-β＝(Vα,Vβ)
其中，Ts為開關周期，Vdc為電容電壓，T1，T2即為在一個周期內，開關狀態1和開關狀態2所持續的時間。而狀態1和狀態2即為三組互斥的開關對組成，所以
通過[ya yb yc]T與三角波作比較得到pwm作為逆變器的控制輸出信號。
Step6：驅動補償
逆變器輸出補償電流，補償掉負載側的諧波，使得電網諧波含量減少，以達到諧波補償的目的。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但它們並不是用來限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，自當可作各種變化或潤飾，但同樣在本發明的保護範圍之內。因此本發明的保護範圍應當以本申請的權利要求保護範圍所界定的為準。