有源電力濾波器及其能量整形控制方法

2023-10-04 03:20:39

專利名稱：有源電力濾波器及其能量整形控制方法
技術領域：
本發明涉及一種濾波器和控制方法，特別是一種有源電力濾波器及其能量整形控
制方法。
背景技術：
近年來，配電網中的電能質量諧波問題日益突出。為解決這一問題，現有技術提出 了各種解決方案，其中採用有源電力濾波器(Active PowerFilter，簡稱APF)進行補償的 解決方案得到普遍應用。有源電力濾波器的性能主要取決於電力電子開關器件、電路拓撲 結構和控制模型。在電力電子開關器件和電路拓撲結構一定的情況下，源濾波器的性能主 要取決於控制模型。 常規的控制模型包含積分環節，能夠使系統輸出無差地跟蹤恆定信號，但只能保 證參考信號為直流信號時系統無穩態誤差。由於有源電力濾波器的參考信號是多個頻率疊 加在一起的周期性信號，控制模型無法做到對周期性信號的無誤差跟蹤，因此補償精度差， 即使採用增大比例參數的方法效果也十分有限，而且比例參數的增加還可能破壞系統的穩 定性。基於內模原理的重複控制技術雖然很大程度上彌補了補償精度的問題，但是重複控 制技術自身有致命弱點，該控制技術對跟蹤誤差的控制作用滯後一個基波周期，因此在非 線性負載突變動態過程中，輸出補償電流有一個基波周期基本處於失控狀態，輸出指令出 現大幅度波動和畸變，系統的補償性能變差。線性控制技術(如參考自適應控制、滑模變結 構控制、神經網絡控制和現代控制理論等)主要依據局部線性化方法，在特定的條件下可 以得到良好的控制效果，但由於有源電力濾波器的動態方程是非線性的，因此線性控制技 術也存在補償性能差的缺陷。基於微分幾何的非線性系統線性化控制模型雖然可以得到非 線性控制規律，但忽略了系統的非線性環節；基於Lyapimov函數的控制模型雖然可以保證 系統全局穩定性，但在遇到大的負荷波動幹擾時，其狀態變量會出現非零穩態誤差。
為此，現有技術提出了一種無源性控制(Passivity-basedController，簡稱 PBC)方法，主要用於直流側電容電壓和諧波電流的漸近跟蹤。MATTAVELLI等人利用輸出 反饋控制，實現了無源性控制方法的全局穩定的諧波電流檢測與跟蹤，但不足之處在於 參考諧波電流跟蹤誤差的收斂速度決定於有源電力濾波器的機械阻尼(MATTAVELLI P， STANKOVIC AM ;Dynamical phasors in modeling and control of active filters ; Proceedings of 1999 IEEE International Symposium on Circuits andSystems ;Vol 5， May 30-Jun 2， 1999， Orlando, FL， USA. Piscataway， NJ， USA :IEEE， 1999 :278-282)。 STANKOVIC等人將線性過濾技術引入無源性控制的設計，通過向閉環注人機械阻尼的方式， 解決了諧波電流跟蹤誤差收斂速度受限的問題，但需有負載為定常的前提(STANKOVIC AM， ESCOBAR G， MATTAVELLI P ;Passivity_based controller for harmoniccompensation in distribution lines with nonlinear loads ;Proceedings of 2000 IEEE 31st Annual Power Electronics SpecialistsConference ;Vol 3， Jun 18-23，2000， Galway， UK.Piscataway, NJ， USA， IEEE，2000 :1143-1148)。
4
雖然上述各種無源性控制方法從不同角度改善了有源電力濾波器的性能，但均存 在不能同時保證負載波動時的穩定性和系統控制規律與平衡點之間的協調。負載波動時的 穩定性是指設計控制器時假定負載不變，當負載發生變化時，容易產生電流畸變，甚至使系 統不穩定，從而使無源性控制等非線性方法的應用範圍受到很大限制。系統控制規律與平 衡點之間的協調是指求解控制規律時，模型方程出現一個冗餘方程，對實際系統進行控制 時，不能保證滿足冗餘方程的約束，使系統出現穩態偏差。

發明內容
本發明的目的是提供一種有源電力濾波器及其能量整形控制方法，可有效保證負
載波動時的穩定性和系統控制規律與平衡點之間的協調。 為了實現上述目的，本發明提供了一種有源電力濾波器，包括 諧波電流檢測模塊，與饋電線連接，用於採集負載電流，獲得負載電流的諧波分 量，將其反極性後生成補償電流指令信號； 補償電流控制模塊，與所述諧波電流檢測模塊和饋電線連接，用於根據所述補償 電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向所述饋電線輸出，所述補償電流與 負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。
所述補償電流控制模塊包括 能量整形控制模型單元，與所述諧波電流檢測模塊連接，用於接收所述補償電流 指令信號，根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流控制信號；
驅動電路，與所述能量整形控制模型單元連接，用於將所述補償電流控制信號放 大； 功率單元，與所述驅動電路連接，用於由所述驅動電路驅動生成補償電流向所述 饋電線輸出，所述補償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。 為了實現上述目的，本發明還提供了一種有源電力濾波器能量整形控制方法，包 括 從饋電線採集負載電流，獲得負載電流的諧波分量，將其反極性後生成補償電流 指令信號； 根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向所述饋電 線輸出，所述補償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。 根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向所述饋電 線輸出包括 根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流控制信號；
將所述補償電流控制信號放大後生成補償電流向所述饋電線輸出，所述補償電流 與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。 本發明提出了一種有源電力濾波器及其能量整形控制方法，通過應用能量整形控 制模型，能夠使有源電力濾波器能量函數最小值穩定在期望的平衡點，提高有源電力濾波 器的穩態性能和抗負載擾動能力，從根本上保證負載波動時的穩定性和系統控制規律與平 衡點之間的協調。


圖1為本發明有源電力濾波器的結構示意圖；
圖2為本發明有源電力濾波器三相簡化主電路圖；
圖3為本發明有源電力濾波器能量整形控制方法的流程圖。
附圖標記說明 l-交流電源； 2-非線性負載； 3-饋電線； 4-諧波電流檢測模塊；5-補償電流控制模塊；51-能量整形控制模型單元；
52-驅動電路； 53-功率單元。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本發明有源電力濾波器的結構示意圖。如圖1所示，電力系統包括交流電源 1、非線性負載2以及連接在交流電源1和非線性負載2之間的饋電線3，非線性負載2為諧 波源，它產生諧波電流並消耗無功，交流電源1產生交流電壓、和電源電流k，交流電源1 通過饋電線3向非線性負載2供電產生負載電流ip本發明有源電力濾波器包括諧波電流 檢測模塊4和補償電流控制模塊5，諧波電流檢測模塊4與饋電線3連接，用於採集負載電 流iy獲得負載電流^的諧波分量ith，將負載電流^的諧波分量ith反極性後作為補償電 流指令信號i。*向補償電流控制模塊5發送，補償電流控制模塊5分別與諧波電流檢測模塊 4和饋電線3連接，用於根據從諧波電流檢測模塊4接收的補償電流指令信號^通過能量 整形控制模型生成補償電流i。向饋電線3輸出，補償電流i。與負載電流的諧波分量ith大 小相等、方向相反，兩者互相抵消，達到了消除電源電流is中諧波的目的，使得電源電流is 中只含基波而不含諧波，最終得到期望的基波正弦電流。此外，諧波電流檢測模塊4還與補 償電流控制模塊5的輸出端連接，用於採集補償電流控制模塊5實際輸出的補償電流i。，並 發送給補償電流控制模塊5。 本發明補償電流控制模塊5包括能量整形控制模型單元51、驅動電路52和功率 單元53，能量整形控制模型單元51與諧波電流檢測模塊4連接，用於接收諧波電流檢測模 塊4發送的補償電流指令信號i。*和實際輸出的補償電流i。，根據能量整形控制模型生成補 償電流控制變量，驅動電路52與能量整形控制模型單元51連接，用於接收能量整形控制模 型單元51發送的補償電流控制變量，根據補償電流控制變量生成補償電流驅動參數，功率 單元53分別與驅動電路52和饋電線3連接，用於接收驅動電路52發送的補償電流驅動參 數，根據補償電流驅動參數生成補償電流i。向饋電線3輸出。實際應用中，功率單元53可 以採用P麗變換器，P麗變換器和起放大信號功能驅動電路已為本領域技術人員所熟知，這 裡不再贅述。 本發明上述技術方案中，首先建立基於埠受控哈密頓耗散(Portcontrolled Hamiltonian Damping,簡稱PCHD)的APF模型和哈密頓函數，然後基於PCHD模型，應用 IDA-PBC(Interconnection and d咖pingassig咖ent Passivity-based Controller)理論， 即可形成三相電壓型P麗有源電力濾波器的能量整形控制模型，本發明應用能量整形控制 模型根據補償電流指令信號i。*即可生成補償電流控制變量。本發明有源電力濾波器應用 能量整形控制模型能夠使有源電力濾波器能量函數最小值穩定在期望的平衡點，提高有源電力濾波器的穩態性能和抗負載擾動能力，從根本上保證負載波動時的穩定性和系統控制 規律與平衡點之間的協調。 圖2為本發明有源電力濾波器三相簡化主電路圖。如圖2所示，usa， usb， us。分別 為系統的a相、b相和c相電源電壓，R為裝置的損耗用等效電阻，Rc為電容器的等效電阻， i。a， i。b， i。。分別為有源電力濾波器發出的諧波電流，11 ，1^，11 分別為有源電力濾波器發出 的a相、b相禾口 c相電壓，ura = uaiidc， urb = ubudc， urc = uciidc， ， ua， ub， uc分另U為abc坐木示軸 下的控制變量，ud。為電容器端電壓，Sal， Sa2， Sbl， Sb2， Sel， S。2分別為開關管。根據狀態空間 平均法，可以用開關函數在一個開關周期內的平均值代替開關函數本身，得到其靜止坐標 系中的對時間連續的狀態空間平均數學模型
丄-=仏a — /ca/ — Wra
丄-=脇一 —,
電阻。

丄-=仏c.
C
(1)
=w丄十M丄
其中，R為裝置的損耗用等效電阻，L為等效電感，C為電容器；RC為電容器的等效
經過Park變換矩陣r =
(2)
的變換得到的d-q同步旋轉坐標系中的數學模型
丄惑+ l — ^丄"+會w A =
1
eg
C9
2
(3)
1
2
2
it
=0 式中，Em為系統(電網)三相交流線電壓有效值，icd， icq分別為補償電流的等效 d-q軸電流；Ud， Uq分別為補償電流控制變量中等效d-q軸控制變量。
設系統的狀態變量x = (Xl x2 x3)T = (Li" L、 CujT
1
7
sin((zw1 + cos一 +
cos(M 1
-_
2 13 2 13
丄A
2 13 2 13
7


0
+
0
2
系統的總能量函數
2丄'2丄z 2C
則，埠受控耗散PCHD系統為
&則-糊7 +g一+e
廠iv 、 "附W v 、附 」
(4)
(5-1) (5—2)
即
0 2
6XL
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2
一
2屍、00
2一0"丄0
1
000
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(6) ■/(>)=
0
0丄 J
2
_ 丄0 J 2
&^ 0
2
2
，i (x)=
l 0 0 &
0
0
0
1
0 —
0 0
(7) 依據PCHD，確定使系統能量在期望點最小的控制規律。對此，需要按下列要求確定 控制規律。 給定J(x， u) ， R(x) ， H(x) ， g(x)和系統某一期望鎮定的平衡點x+ G Rn，尋找函數
13 (X)， Ja(X)，Ra(X)及一向量函數K(X)滿足 [J(X， AO)) + ■/。 (X)—(辨X) + & (X))]《(X)
8
砵^ 4
T (9-1)
Rd(x) := R(x)+Ra(x)
② 可積性條件
汰,、「5《,、，r
③ 閉環系統設計平衡點存在 附T > 0
(9-2)
(10)
(11)
即系統Hd在系統平衡點x+處具有最小值。 ④Ly即皿ov禾急定
K(x)的Jacobian矩陣在系統平衡點x+處滿足有界性條件
;^[^(x) —(13) 其中，系統連接結構矩陣人O) = ，
系統阻尼結構矩陣i^ (X)=及J (X) 2 0 ， Hd (x) : = H (x) +Ha (x)， 亂 ^ (x) + [人W — / a (x)]手(x) (15)
並且保證閉環系統& (力-A O)]V//rf的漸進穩定性的最大不變 集e i "l(V/^乂 A(x)V/^ = 0}等於{x+}，可通過最大邊界水平集估計吸引域
{x G Rn|Hd《c}。對於閉環受控系統，整形所得閉環i^(x)二0的最大不變集只包含 所設計的平衡點，根據LaSalle不變性原理，系統保持漸進穩定性。狀態反饋控制率 u = 13 (x)是受控PCHD系統的鎮定器，且整形所得能量函數Hd(x)為閉環受控系統 如[^(x)-A(x)]V/^的能量型Ly即unov函數。
滿足上述條件的並聯有源電力濾波器控制規律為
9formula see original document page 10 式中，常數Ci，i = 1，L，4滿足的條件為C2是任意實數；C3 > 0 ;
formula see original document page 10 式中，^*和~*分別為補償電流指令信號等效d-q軸電流，Mp為穩態時電容器端
電壓。公式(16)即為本發明能量整形控制模型，ud， u,作為補償電流控制變量中等效d-q
軸控制變量生成補償電流控制信號，補償電流控制信號實際上是一種佔空比參數，用於控 制功率單元開關管的閉合與斷開的時間。 實際應用中，電力系統還包括高通濾波器HPF(High Pass Filter)，高通濾波器 HPF由RjALH組成，主要用來濾除開關噪聲電流。 圖3為本發明有源電力濾波器能量整形控制方法的流程圖，包括 步驟1、從饋電線採集負載電流，獲得負載電流的諧波分量，將其反極性後生成補
償電流指令信號； 步驟2、根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向所
述饋電線輸出，所述補償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。 其中，步驟2包括根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償
電流控制信號；將所述補償電流控制信號放大後生成補償電流向所述饋電線輸出，所述補
償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。 本發明有源電力濾波器能量整形控制方法是是採用前述本發明有源電力濾波器 實現的，能量整形控制模型等相關內容已在前述技術方案中詳細介紹，這裡不再贅述。
最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照 較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的 技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。
權利要求
一種有源電力濾波器，其特徵在於，包括諧波電流檢測模塊，與饋電線連接，用於採集負載電流，獲得負載電流的諧波分量，將其反極性後生成補償電流指令信號；補償電流控制模塊，與所述諧波電流檢測模塊和饋電線連接，用於根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向所述饋電線輸出，所述補償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。
2. 根據權利要求1所述的有源電力濾波器，其特徵在於，所述補償電流控制模塊包括 能量整形控制模型單元，與所述諧波電流檢測模塊連接，用於接收所述補償電流指令信號，根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流控制信號；驅動電路，與所述能量整形控制模型單元連接，用於將所述補償電流控制信號放大； 功率單元，與所述驅動電路連接，用於由所述驅動電路驅動生成補償電流向所述饋電線輸出，所述補償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。
3. 根據權利要求1或2所述的有源電力濾波器，其特徵在於，所述能量整形控制模型為formula see original document page 21， L，4滿足的條件為c2是任意實數，c3 > 0，formula see original document page 2其中，ud， uq分別為補償電流控制變量中等效d-q軸控制變量常數，L為等效電感，C為 電容器，Rc為電容器的等效電阻，i。d，、分別為補償電流的等效d-q軸電流，Ud。為電容器 端電壓，Em為系統(電網)三相交流線電壓有效值，^*和/^*分別為補償電流指令信號等 效d-q軸電流，"血*為穩態時電容器端電壓。
4. 一種有源電力濾波器能量整形控制方法，其特徵在於，包括從饋電線採集負載電流，獲得負載電流的諧波分量，將其反極性後生成補償電流指令 信號；根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向所述饋電線輸 出，所述補償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。
5. 根據權利要求4所述的有源電力濾波器能量整形控制方法，其特徵在於，根據所述 補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向所述饋電線輸出包括根據所述補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流控制信號； 將所述補償電流控制信號放大後生成補償電流向所述饋電線輸出，所述補償電流與負 載電流的諧波分量大小相等、方向相反。
6. 根據權利要求4或5所述的有源電力濾波器能量整形控制方法，其特徵在於，所述能 量整形控制模型為formula see original document page 31， L，4滿足的條件為c2是任意實數，c3 > 0，formula see original document page 3其中，ud， uq分別為補償電流控制變量中等效d-q軸控制變量常數，L為等效電感，C為 電容器，Rc為電容器的等效電阻，i。d，、分別為補償電流的等效d-q軸電流，Ud。為電容器端電壓，Em為系統(電網)三相交流線電壓有效值，z'^和。,分別為補償電流指令信號等 效d-q軸電流，為穩態時電容器端電壓。
全文摘要
本發明涉及一種有源電力濾波器及其能量整形控制方法，有源電力濾波器包括諧波電流檢測模塊和補償電流控制模塊，諧波電流檢測模塊與饋電線連接，用於採集負載電流，獲得負載電流的諧波分量，將其反極性後生成補償電流指令信號；補償電流控制模塊與諧波電流檢測模塊和饋電線連接，用於根據補償電流指令信號通過能量整形控制模型生成補償電流並向饋電線輸出，補償電流與負載電流的諧波分量大小相等、方向相反。本發明通過應用能量整形控制模型，能夠使有源電力濾波器能量函數最小值穩定在期望的平衡點，提高有源電力濾波器的穩態性能和抗負載擾動能力，從根本上保證負載波動時的穩定性和系統控制規律與平衡點之間的協調。
文檔編號H02J3/01GK101719672SQ200910242140
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月9日 優先權日2009年12月9日
發明者梁志珊, 邱銀鋒, 魏學良 申請人:中國石油大學(北京)