基于高补偿精度电流环的复合控制型有源滤波器的制作方法

本发明涉及有源滤波器电流环复合控制技术领域，尤其涉及基于高补偿精度电流环的复合控制型有源滤波器。

背景技术：

自晶闸管诞生以来，因其衍生的电力电子产品不断地改变着人们的日常生活，基于晶闸管的电力电子产品的优越性越来越受到人们的关注与引用。与此同时电网中大量的引入了基于晶闸管等非线性负载的电力电子设备，导致了严重的电网谐波污染。这主要是因为这些负载的非线性、冲击性和不平衡的用电特性造成的。因此用于谐波抑制的有源滤波器技术逐渐的成为近几年国内外电力电子和电工领域及用电领域的研究热点之一。有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它是基于现代控制技术和先进的数字化高速处理器，对相关数据进行高速处理，使其能够对不同幅值大小和频率的谐波进行快速的跟踪补偿，在微秒单位里进行快速的反应，使电网系统中谐波的总矢量和为零。相对与无源滤波器，只能在工频周期内进行过零投切的反应速度和只能够被动吸收固定的频率与大小的谐波而言，有源滤波器可以通过采样负载电流并进行各次谐波的分离及无功的分离，通过有源滤波器的控制并主动的发出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中的相应的谐波。

电流，实现了动态跟踪补偿，不仅可以补偿谐波和无功而且还能够处理不平衡问题。

有源滤波器从负载电流或者系统电流采集开始，并实时的对采集数据进行快速的处理，根据采集的数据快速的消除系统的谐波、无功和不平衡问题，从而改善电网的供电质量。有源滤波器与传统的无源滤波器相比较，APF的补偿方式更为灵活，补偿功能也更全面，可以补偿所有的谐波也可以按照指定次的谐波进行补偿，除了具备补偿谐波的同时还可以补偿部分无功和三相不平衡电流。

目前并联APF经过相关的控制算法，达到谐波单次分离的功能和无功分离，不平衡电流的分离，以分离的相关电流做为参考指令电流IRa和装置输出电流ICa做误差值，误差值经过电流跟踪控制算法，及时快速的让装置发出和系统中谐波分量相反的矢量值。但是传统的电流跟踪控制策略多为滞环控制、传统的PI跟踪、修正型的PI控制算法等，其中滞环控制会产生较宽的谐波频谱，没有固定的开关频率，无法控制输入电网的开关频率次谐波电流，从而引起APF的输出滤波器的参数无法确定；对于传统的PI控制器是一直沿 用于直流量的无静态误差的跟踪控制，对于APF的谐波电流来讲，跟踪的是交流量，PI无法实现无静态误差跟踪控制，对于参考指令电流IRa和装置发出电流的误差值，作用速度和准确度较低，无法实现完全跟踪控制，引起装置补偿率较低，达不到完全抵消系统中的谐波电流。

现有公告号为CN201510018591的中国发明专利申请文件，公开了一种《一种基于PI控制有源滤波器的快速电流跟踪控制方法》，包括“步骤一：设定最大误差电流响应值△imax；步骤二：获得误差电流值△i；步骤三：用误差电流值△i除以最大误差电流响应值△imax，获得其整数倍数值n及误差余数电流△i’；步骤四：误差余数电流△i’直接进入PI调节器计算获得第一输出电压V1,将整数倍数值n通过伏秒特性计算获得第二输出电压V2；步骤五：将第一输出电压V1和第二输出电压V2相加得到调制电压V。通过在PI调节前加入输入误差限制，然后在PI输出后补充，实现输出电压对电流的无延迟响应。”然而，该发明专利需要设定最大误差电流响应值，不属于闭环自适应控制，不能够随负载电流的动态大小变化进行自行调节。整个控制方法采用开环控制，当设定值与系统负载实际需要值过大时，容易产生过补偿或者欠补偿情况。在其整个控制系统中最大误差电流响应值难以界定，针对实际负载频繁变换的场所，最大误差电流响应值难以确定一个合理的取值。另外在该控制算法系统中谐波目标电流和输出电流的误差总是趋于不断变化的，得到的误差值再与设定的最大误差电流响应值做整数倍和余数倍的运算，只是变相的把PI跟踪的差值变小，并不能真正的起到无静差的跟踪的目的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种稳态精度高，响应速度快，能够通过对交流量的跟踪消除静态误差的基于高补偿精度电流环的复合控制型有源滤波器。

为解决上述问题，本发明的一种技术方案是：

本发明基于高补偿精度电流环的复合控制型有源滤波器，包括连接在采样侧电网上的有源滤波器通用控制电路，所述的有源滤波器通用控制电路包括谐波分离模块；所述的谐波分离模块的输出端依次通过电流环复合控制器、滤波模块连入负载侧电网；所述的滤波模块的输出端连接电流环复合控制器的输入端。

进一步地，所述的电流环复合控制器包括电流外环控制系统和电流内环控制系统。

进一步地，所述的电流外环控制系统包括前向通道调制单元以及后向通道反馈单元。

进一步地，所述的电流内环控制系统包括电流内环PI控制单元。

进一步地，所述的有源滤波器通用控制电路包括模拟信号调理电路、数字化处理器。

进一步地，所述的滤波模块包括IGBT驱动器、逆变器模块、LCL滤波连网模块。

相比较于现有技术，本发明针对现有技术的缺陷，

本发明针对传统的电流跟踪控制算法对于交流量无法达到无静差跟踪问题，提出了一种基于内模原理及PI控制的复合型控制器。所述的复合型控制器通过前一周期中出现的波形的畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，然后控制器根据指令信号与反馈信号的误差确定所需要的纠正信号，在下一周波同一时刻将此校正信号叠加在原控制信号上，从而消除以后每个周期中将出现的重复性畸变，能有效的消除所有包含在稳定闭环内的周期性误差，提高稳态精度。在提高稳态精度的同时为了提高动态响应时间，把基于内模原理的前向通道和后向通道控制算法嵌入到PI控制器内环中，利用PI加快系统动态响应速度，从而提高整个电流环控制的稳态精度和动态性能，保障电流跟踪补偿精度达到最佳的效果。

本发明提出一种电流跟踪无静态误差的复合型控制算法，解决PI跟踪交流量无法实现无静差跟踪的问题，同时也解决了准比例谐振控制器(PR)需要多通道，参数匹配较繁琐的问题。本发明经过复合创新，对电流环采用多重控制算法，电流外环固定时间段内进行谐波参考指令电流IRa的修复纠正，不断地使其趋近于系统中的谐波电流值，提高系统的稳态精度，电流内环利用跟踪控制，快速的做出动态响应提高动态精度，并以此来提高有源滤波器的滤波性能。

本发明基于内模原理的误差纠正控制器，在工作后逐个点的对目标电流值和装置输出电流值的误差进行纠正，使其下一个周期的指令电流趋近于上一个周期的电流值，这样再给PI控制器就不会存在突变情况，适合PI控制器。采用闭环控制，不需要进行误差参数设定，控制系统根据实际目标电流和装置输出电流的差值，进行闭环的误差纠正，不需要考虑最优化的动态响应值。由于PI控制系统中的积分参数在周波内，积分值最终为零，积分校正效果不存在，基于内模原理的纠正器可以弥补积分效应，对PI的积分进行补偿。

附图说明

图1是本发明所涉及的有源滤波器的整体结构示意图

图2是本发明所涉及的基于高补偿精度电流环复合控制器结构示意图。

图3是本发明所涉及的电流环复合控制器的控制算法传递函数流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。

参照图1，本发明基于高补偿精度电流环的复合控制型有源滤波器，包括连接在采样侧电网上的有源滤波器通用控制电路，所述的有源滤波器通用控制电路包括谐波分离模块；所述的谐波分离模块的输出端依次通过电流环复合控制器、滤波模块连入负载侧电网；所述的滤波模块的输出端连接电流环复合控制器的输入端。所述的电流环复合控制器包括电流外环控制系统和电流内环控制系统。所述的电流外环控制系统包括前向通道调制单元以及后向通道反馈单元。所述的电流内环控制系统包括电流内环PI控制单元。所述的有源滤波器通用控制电路包括模拟信号调理电路、数字化处理器。所述的滤波模块包括IGBT驱动器、逆变器模块、LCL滤波连网模块。

一种基于高补偿精度电流环的复合控制型有源滤波器的控制方法，包括以下步骤：

S1、所述的有源滤波器通用控制电路采集电网电压、负载电流及装置输出电流ICa并处理，所述的谐波分离模块输出参考指令电流IRa，将所述的参考指令电流IRa和装置输出电流ICa输入到所述的电流环复合控制器运算；

S2、所述的参考指令电流IRa和装置输出电流ICa进行差值运算，得到误差值error，误差值error在所述的电流环复合控制器的电流外环控制系统中基于内模原理分别通过前向通道调制单元以及后向通道反馈单元进行处理，得到周期的误差值△error1；

S3、周期的误差值△error1经所述的电流内环控制系统的电流内环PI控制单元处理，利用PI控制对突变误差进行调节。

进一步地，所述的步骤S1中，

S1.1、采集电网电压、负载电流及装置输出电流ICa，在采样侧电网系统电压的基础上经过相关的锁相环算法处理，得出电网系统的A相的相位角Ф，并对相位角Ф求正弦值和余弦值；

S1.2、采集的负载电流以及步骤S1.1得到的A相的正序的相位角的正弦值和余弦值，经过谐波分离算法，对采集的负载电流进行谐波分离，把每一次的谐波电流的幅值相位、矢量方向进行分离，然后把每一次的谐波相加得到参考指令电流IRa；

S1.3、装置输出电流ICa经过外部采集电路及相关的调理电路，达到AD输入的范围，经过AD数字化后和上一步骤中的参考指令电流IRa一起输入到所述的电流环复合控制器。

进一步地，所述的谐波分离算法为FFT或者DQ0或PR。

进一步地，所述的步骤S2中，

S2.1.参考指令电流IRa和装置输出电流ICa进行差值运算后得到误差值error，将error与基于内模原理的后向通道复合函数Q(Z)*S(Z)的修正值进行和运算得到sum；

S2.2.将所述的sum值输入给第一周波延时积分器函数S(n)，给予周波点数以下的延时积分函数修正，经过修正后的数值为△error；

S2.3.将上一步得到的△error送入该二阶低通滤波器函数C(Z),经过该滤波器得到△error1。

进一步地，所述的后向通道的反馈，依次经过辅助补偿器Q(Z)和周波点数延时修正函数S(Z)处理，得到复合函数Q(Z)*S(Z)。

进一步地，所述的步骤S3中，

3.1.将△error1与所述的参考指令电流IRa做和运算得到sum1，sum1经过与所述的装置输出电流ICa做差值运算得到△error2；

3.2.将△error2通过所述的电流内环PI控制器对误差即时响应，进行快速的动态响应。

本发明一种高补偿精度电流环的复合控制有源滤波器包括所述的有源滤波器通用控制电路、电流环复合控制器、滤波模块，所述的有源滤波器通用控制电路包括模拟信号调理电路、数字化处理器(FPGA+DSP)，所述的滤波模块包括IGBT驱动器、逆变器模块、LCL滤波连网模块。对其工作流程作简要介绍如下：模拟信号调理电路将获得采样侧电网电压、电流行模拟信号调理，将调理后的模拟信号采用数字化处理器(FPGA+DSP)进行数字化转换，送给处理器进行锁相运算和谐波分离计算，经过对分离后的电流做为参考指令电流IRa，将参考指令电流IRa与实际的装置输出电流ICa的差值进行电流环复合控制器的运算，输出驱动信号给IGBT驱动器，驱动IGBT开通，以输出用于滤除系统谐波电流的滤波电流。

需要说明的是，本发明提及的FPGA(Field Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列，做为专用集成电路领域中的一种半定制电路出现，其目的就是提高电路设计的灵活性。采用并行处理的方式可以大大的提高控制算法的运行速度，解决传统处理器顺序执行的不足问题。丰富的逻辑门阵列可以解决负载的逻辑控制，并使每一个逻辑控制并行执行，在执行动作上完全达到一致的要求，提高控制系统精度。

本发明提及的DSP(Digital signal processor)是一种偏向于信号数字化处理的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件，主要针对时间和幅值上都是离散化的数据进行处理，主要对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制等，具有强大的可编程性和运算速度，其实时运行速度可达每秒数以千万次复杂指令程序，性能远远超越通用控制器。

本发明提及的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是指绝缘栅双极型晶体管， 一种高速电子开关器件。参考电流是指从消除电网谐波角度来看,希望装置输出的电流，参考电流可以随着所述负载电流的变化而变化。

本发明基于电流环复合控制器的前向通道和后向反馈的内模原理对逐周的误差进行调节，使每一个周期的参考指令电流IRa误差为零，从而提高系统稳态精度和跟踪精度。

除此之外，步骤S2中，由于有源滤波器补偿的频段为0至2.5KHz,因此设计控制器时只需要保证中低频段的控制效果，综合整体性能需求，只需要设置一个二阶低通滤波器以加大对高频的抑制，并将△error送入该二阶低通滤波器。

图2是本发明所述的一种基于高精度补偿电流环的复合控制型有源滤波器的跟踪电流环的控制方法的结构示意图。如图2所示，本发明是基于高精度补偿电流环复合控制器，通过基于内模原理和PI控制的双环电流控制，结合相关的算法，通过软件实现对每一周波的误差进行纠正处理，提高稳态误差精度。利用PI电流内环的控制，在稳态精度没有误差的前提下，利用PI控制器对误差的快速反应，来综合性的提高电流的动态响应速度，两者结合使电流环跟踪控制达到无静态误差控制的目的。

本发明采用的算法包括有源滤波器通用控制电路的谐波电流分离算法，还包括本发明阐述的电流环复合控制器的电流跟踪无静态误差的复合控制算法，以及直流侧电压控制算法、SPWM生成算法、IGBT逆变模块、连网LCL滤波模块。所述的复合控制算法模块依次包括谐波分离模块的参考指令电流IRa、装置输出电流ICa、电流外环控制系统(多周期作用控制器)和电流内环控制系统(PI控制器构成)。首先简单指出整机工作原理如下：并联型有源滤波器通用控制电路获得采样侧电网电压信号和电流信号，进行模拟信号调理，将调理后的模拟量分别送入数字处理芯片，进行数字转换，将转换后的结果送入处理器，进行相位和频率的计算，利用计算出的相位和频率，进行谐波电流、无功以及不平衡电流的分离，将分离后的参考指令电流IRa和装置输出电流ICa输入到本发明所述的电流环复合控制器中，经过电流环复合控制器,处理后的目标值给到SPWM生成器，生成PWM信号，驱动IGBT进行参考指令电流IRa的逆变输出，经过平波电抗器和连网电抗，输出电流到系统中，以此来产生和系统中谐波电流方向相反，大小相等的矢量以消除系统中的谐波电流，从而提高电网系统供电质量。

鉴于谐波电流的交流特性和传统跟踪控制器的不足，本发明特意针对电流环存在的跟踪误差问题，提出快速修正误差的控制算法，使整个谐波电流趋近于系统中存在的谐波电流，经过电流环的复合控制，达到快速无静态误差的输出和系统谐波电流大小相等方向相反的电流值，以达到完全消除系统中谐波电流的目的。解决了传统电流环控制器跟踪存在 静态误差而不能完全消除系统谐波的弊端，从而提高了设备的补偿性能，优化有源滤波器整机性能。

以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。