一種有源電力濾波器的頻率寬範圍自適應重複控制方法與流程
2023-10-10 08:22:59 1
本發明屬於有源電力濾波器電流控制技術領域，更為具體地講，涉及一種有源電力濾波器的頻率寬範圍自適應重複控制方法。
背景技術：
現代電力系統中，電力電子設備的應用越來越廣泛，如冶金、化工、礦山等部門大量使用晶閘管整流電源，工業生產中大量使用變頻器調速裝置等。各種非線性、衝擊性、波動性和不對稱負載大量增加，造成諸如三相電流不平衡、電壓波動、電壓跌落及諧波等電能質量汙染日趨嚴重。目前，如何有效地提高電能質量是供電部門、電力用戶和電力設備製造商共同關注的問題。電流環控制算法作為有源電力濾波器(APF)的關鍵技術，其選擇直接決定了APF補償性能的好壞，近年來，通過重複控制的方法越來越多地應用到APF電流環控制中。當前，在APF中均採用傳統的重複控制方法，該類方法在電網頻率波動的時，其諧波補償性能會急劇下降。如中國發明專利《基於改進型準諧振控制加重複控制的光伏併網控制方法》(公開號：103972922A)公開了一種基於諧振控制和重複控制的頻率自適應方法，該方法主要通過對諧振控制進行改進獲取對電網頻率的適應性，但只能在較小的波動範圍內起作用。又如中國發明專利《用於有源電力濾波器的自適應重複控制方法》(公開號：102882211A)公開了基於改進型重複控制的電網頻率自適應方法，通過動態調整重複內膜的基波周期滯後拍數來實現電網頻率寬範圍自適應，但其沒有考慮採樣頻率和電網實際頻率比值的小數部分，致使諧波補償性能同樣下降。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種有源電力濾波器的頻率寬範圍自適應重複控制方法，在保證在頻率寬範圍變化的情況下，仍能保持重複控制的高精度效果。為實現上述發明目的，本發明一種有源電力濾波器的頻率寬範圍自適應重複控制方法，其特徵在於，包括以下步驟：(1)、PLL鎖相環模塊根據電網電壓ugx(x＝a、b、c)獲取到電網電壓的相位角θ和頻率f；(2)、計算輸出有功電流給定值和中性線電流給定值電壓環將三電平VSI直流側電壓的給定值與三電平VSI-正母線與中性點之間電壓udc1作差再與三電平VSI負母線與中性點之間電壓udc2作差，將得到的差值進行PI控制，得到有功電流給定值同時將三電平VSI正母線與中性點之間電壓udc1與負母線與中性點之間電壓udc2作差，將得到的差值進行PI控制，得到中性線電流給定值(3)、dq0-abc坐標變換模塊根據相位角θ，將電壓環輸出的有功電流給定值和中性線電流給定值進行dq0-abc坐標變換，得到abc坐標系下的電壓環控制輸出量(4)、諧波電流檢測模塊將負載電流iL進行離散傅立葉變換(DFT)得到諧波電流iLah、iLbh、iLch；(5)、計算輸出控制量ua、ub、uc(5.1)、計算電流Δia、Δib、Δic其中，為電壓環控制輸出量，iLah、iLbh、iLch為諧波電流，ica、icb、icc為有源電力濾波器的輸出電流反饋值；(5.2)、將計算得到的Δia、Δib、Δic依次送入到內部的改進型重複控制器和PI控制器，最終得到輸出控制量ua、ub、uc；(6)、電網電壓前饋模塊將將實時採樣的電網電壓ugx(x＝a、b、c)分別與電流環的輸出控制量ua、ub、uc疊加，得到調製指令值Va、Vb、Vc；(7)、SPWM模塊根據步驟(6)中的調製指令值Va、Vb、Vc，得到對應的開關控制信號，再用該開關控制信號來控制三電平VSI的各個IGBT的開通關斷。本發明的發明目的是這樣實現的：本發明有源電力濾波器的頻率寬範圍自適應重複控制方法，先通過鎖相環實時跟蹤電網電壓頻率信號，在保證開關頻率不變的前提下計算出開關頻率與實時電網頻率的比值，最後，將比值的整數部分作為改進型重複控制器的一個基波滯後的拍數，將比值的小數部分構成延時環節，用一階慣性環節來近似。這樣，可以在電網頻率波動的情況下，保證重複控制的諧振頻率與電網實際的基波與諧波頻率一致，從而使有源電力濾波器在電網頻率波動時的補償效果不會降低。同時，本發明有源電力濾波器的頻率寬範圍自適應重複控制方法還具有以下有益效果：(1)、本發明能夠基於鎖相環輸出的實時電網頻率，實時改變重複控制內膜，從而保證改進後的重複控制的諧振頻率能與電網實際的基波和諧波頻率一致。(2)、本發明能夠保證有源電力濾波器的電網頻率在50Hz±5Hz的情況下，具有較好的諧波補償效果。(3)、本發明的改進型重複控制器是在保證開關頻率不變的前提下設計的，相比許多改變控制周期、開關頻率來適應電網頻率波動的算法，有著較大優勢。並且，本發明的改進型重複控制算法，相比傳統重複控制而言，結構變化不大，數字實現簡易，具有很高工程實現價值。附圖說明圖1是有源電力濾波器的控制框圖；圖2是電流閉環控制系統框圖；圖3是改進型重複控制器的原理框圖；圖4是延遲環節D0(z)的原理框圖；圖5是不同電網頻率條件下，不採用本發明的有源電力濾波器的補償效果仿真波形；圖6是不同電網頻率條件下，採用本發明的有源電力濾波器的補償效果仿真波形。具體實施方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式進行描述，以便本領域的技術人員更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這裡將被忽略。實施例圖1是有源電力濾波器的控制框圖。在本實施例中，如圖1所示，有源電力濾波器包括主電路和控制兩部分，其中，圖1的虛線部分以下為控制部分。主電路部分是由三電平VSI1、LCL濾波器2、非線性負載3組成。三電平VSI1通過LCL濾波器2與電網相連，非線性負載3直接與電網相連，從而組成了一個完整的有源電力濾波器的主電路。控制部分包括：PLL鎖相環模塊4、dq0-abc坐標變換模塊5、電壓環6、諧波檢測模塊7、電流環8、電網電壓前饋模塊9、SPWM模塊10，構成了有源電力濾波器的控制部分。下面結合本發明對圖1中的各個模塊進行詳細描述，具體如下：一種有源電力濾波器的頻率寬範圍自適應重複控制方法，包括以下步驟：S1、PLL鎖相環模塊根據電網電壓ugx(x＝a、b、c)獲取到電網電壓的相位角θ和頻率f；S2、計算輸出有功電流給定值和中性線電流給定值電壓環將三電平VSI直流側電壓的給定值與三電平VSI-正母線與中性點之間電壓udc1作差再與三電平VSI負母線與中性點之間電壓udc2作差，將得到的差值進行PI控制，得到有功電流給定值id*；同時將三電平VSI正母線與中性點之間電壓udc1與負母線與中性點之間電壓udc2作差，將得到的差值進行PI控制，得到中性線電流給定值S3、dq0-abc坐標變換模塊根據相位角θ，將電壓環輸出的有功電流給定值和中性線電流給定值進行dq0-abc坐標變換，得到abc坐標系下的電壓環控制輸出量S4、諧波電流檢測模塊將負載電流iL進行離散傅立葉變換(DFT)，從而計算出在abc坐標系下的諧波電流iLah、iLbh、iLch；S5、計算輸出控制量ua、ub、ucS5.1)、在本實施例中，如圖2所示，先計算電流閉環控制系統的輸入電流Δia、Δib、Δic其中，為電壓環控制輸出量，iLah、iLbh、iLch為諧波電流，ica、icb、icc為有源電力濾波器的輸出電流反饋值；S5.2)、如圖2所示，再將計算得到的Δia、Δib、Δic依次送入到內部的改進型重複控制器和PI控制器，依次進行重複控制和PI控制，最終得到輸出控制量ua、ub、uc；在本實施例中，電流環主要包括改進型重複控制器和PI控制器，其中，改進型重複控制器是本發明的核心，其設計的前提是保證開關頻率不變，下面結合圖3對改進型重複控制器進行詳細說明。改進型重複控制器的傳遞函數為：其中，[]表示取整，為開關頻率，f為鎖相環模塊計算出的電網電壓實時頻率；即D為的小數部分，D0(z)是用來等效小數部分的延遲環節，且滿足D0(z)＝z-D，S(z)是重複控制的補償函數，z表示Z域算子，Q為衰減係數，用於削弱積分作用，一般為小於1的常數，這裡將其定為0.95；k為相位超前拍數，zk用於補償整個控制環路的相位滯後。改進型重複控制器為了實現電網頻率寬範圍自適應的功能，需要用到數字鎖相環輸出的電網實際頻率，在每個控制周期，都需計算開關頻率和電網實際頻率f的比值。其中，將開關頻率和電網實際頻率f比值的整數部分，用來實時更新Nx；另外，開關頻率和電網實際頻率f比值的小數部分對應的延遲環節用D0(z)實現，D0(z)的原理框圖如圖4所示，其表達式的求取方法為：設z-D對應的s域模型為其中將用泰勒公式展開，可以得到下式：其中，由於系統的採樣頻率較高，因此可將取一階近似：再採用雙線性變換法將連續模型離散化，得到D0(z)的表達式，如下：即：為了便於數字控制實現，通常將D0(z)寫成差分方程，即：c(k)為當前拍的延遲環節輸出值、c(k-1)為前一拍的延遲環節輸出值，r(k)為當前拍的延遲環節輸入值、r(k-1)為前一拍的延遲環節輸入值。下面對重複控制的補償函數S(z)進一步說明，如下：補償函數S(z)是由平均值濾波器F1(z)和二階低通濾波器F2(z)構成，只要設計出F1(z)和F2(z)即可。F1(z)即為最簡單的平均值濾波器，其表達式如下：二階低通濾波器F2(z)在連續域的表達式為：在本實施例中，將wc定為3.3kHz，阻尼ζ定為1，再採用雙線性變換法將F2(s)轉換到離散域，得到F2(z)如下：在以上公式中，z表示Z域算子，s表示S域算子。S6、如圖2所示，電網電壓前饋模塊將將實時採樣的電網電壓ugx(x＝a、b、c)分別與電流環的輸出控制量ua、ub、uc疊加，得到調製指令值Va、Vb、Vc；S7、SPWM模塊根據步驟S6中的調製指令值Va、Vb、Vc，得到對應的開關控制信號，再用該開關控制信號來控制三電平VSI的各個IGBT的開通關斷。圖5是不同電網頻率條件下，不採用本發明的有源電力濾波器的補償效果仿真波形。在本實施例中，圖5(a)～圖5(c)分別是電網頻率為50Hz、45Hz、55Hz時，採用傳統重複控制的方法對APF的諧波補償效果圖；由圖5可以看出，電網頻率為額定的50Hz時，電網電流的THD為6％左右，補償效果較好，但當電網頻率波動到45Hz或55Hz時，電網電流的THD達到30％左右，補償效果因為電網頻率波動而急劇下降。圖6是不同電網頻率條件下，採用本發明的有源電力濾波器的補償效果仿真波形。在本實施例中，圖6(a)～圖6(c)分別是電網頻率為50Hz、45Hz、55Hz時，採用改進型重複控制的方法對APF的諧波補償效果圖；由圖6可以看出，傳統本專利發明的改進型重複控制在電網頻率為50Hz、45Hz或55Hz時，電網電流的THD都能保持在7％左右，其補償效果不會隨著電網頻率的波動而急劇惡化，證明了本發明專利提出的方法的有效性。儘管上面對本發明說明性的具體實施方式進行了描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。