一种基于模型预测控制的三电平有源滤波器

本发明属于有源滤波技术领域，具体涉及一种基于模型预测控制的三电平有源滤波器。

背景技术：

随着科技的快速发展，越来越多的电力电子器件被大量地应用在特高压交直流输电、新能源、分布式电源等用电设备中，使得电网本身与负荷结构都发生了巨大变化，引起了电网供电侧电压、电流非线性畸变，造成了电力系统谐波污染。谐波会增加设备的损耗使设备过热，降低设备的效率和利用率，还会影响继电保护装置的可靠性。因此，谐波抑制已经变成了越来越重要的问题。对于谐波的治理，基本思路有两条：一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；另一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，补偿装置对各种谐波源都可以进行补偿。有源电力滤波器（activepowerfilter,apf）作为一种可以对谐波进行补偿，改善电能质量的新型电力电子装置，凭借成熟的拓扑结构和灵活的控制策略的优势得到了广泛的关注。

目前，常用的两电平apf存在诸多问题，例如：输出电平数目少、补偿效率低、开关损耗高等。相较于两电平apf而言，三电平apf不但可以弥补其存在的问题，大大提高系统的容量，而且补偿效果更好，系统可靠性更高。由此可见，在利用三电平apf进行治理谐波时，如何对三电平apf实现高效稳定的控制具有非常重要的现实意义。

技术实现要素：

为解决现有在利用三电平apf进行治理谐波时，如何对三电平apf实现高效稳定的控制的问题；本发明的目的在于提供一种基于模型预测控制的三电平有源滤波器。

本发明的一种基于模型预测控制的三电平有源滤波器，包括如下步骤：

（一）、三电平有源滤波器主电路拓扑结构：

二极管箝位型结构，其每相由四个功率开关器件组成，同时每相还连接着两个钳位二极管；

（二）、三电平有源滤波器系统方案设计：

通过对负载电流进行分析，运用谐波检测算法将有功与无功和谐波成分分离；同时实时检测apf输出电流信号，将无功和谐波分量与apf输出电流信号送入电流跟踪控制单元，通过系统主控单元生成12路pwm信号，使用驱动电路控制主电路各功率开关管，生成与负载侧谐波及无功电流相反的补偿电流，从而实现三电平变换器输出电流的无功与谐波补偿，最终获得与电网电压同频同相的期望电流波形；

（三）、三电平有源滤波器谐波和无功的检测：

ip-iq法检测方法是将三相电流信号减去基波电流，即可得到三相谐波电流分量，进而完成对谐波电流的检测工作；

（四）、模型预测控制策略：

模型预测控制主要由预测模型、滚动优化以及反馈校正三部分构成，将模型预测应用于apf系统时，首先根据电网电压、补偿电流采样值计算参考电流预测值，然后对27个开关状态滚动寻优，每次滚动需要计算补偿电流预测值、直流侧电压偏差预测值和开关转换次数fsw，计算价值函数g并进行比较，最后选择使得价值函数最小的开关状态输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

一、运用matlab/simulink仿真软件进行系统仿真建模，通过仿真研究验证所提出的基于模型预测控制的三电平有源滤波器系统具有良好的谐波补偿效果。

二、搭建以dspf28335为核心的三电平apf系统实验平台，实现系统与上位机之间的通信，实现上位机对三电平apf系统运行参数的显示，实现利用上位机对系统进行实时的控制，最终实现基于模型预测控制的三电平有源电力滤波器系统对谐波的补偿。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明中二极管箝位式三电平变换器拓扑图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明中ip-iq检测方式原理图；

图4为本发明中模型预测控制结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本具体实施方式采用以下技术方案：

（1）三电平有源滤波器主电路拓扑结构：

三电平拓扑中应用较多的二极管箝位型结构，其每相由四个功率开关器件组成，同时每相还连接着两个钳位二极管，其拓扑结构如图1所示。

（2）三电平有源滤波器系统方案设计：

三电平有源滤波器系统整体设计方案如图2所示。

由图2可知，三电平有源滤波器工作过程：通过对负载电流进行分析，运用谐波检测算法将有功与无功和谐波成分分离。同时实时检测apf输出电流信号，将无功和谐波分量与apf输出电流信号送入电流跟踪控制单元，通过系统主控单元生成12路pwm信号，使用驱动电路控制主电路各功率开关管，生成与负载侧谐波及无功电流相反的补偿电流，从而实现三电平变换器输出电流的无功与谐波补偿，最终获得与电网电压同频同相的期望电流波形。

（3）三电平有源滤波器谐波和无功的检测技术：

p-q检测法是提出较早的谐波检测方法，但是该方法在电网不对称或发生畸变时会产生补偿误差，通过对该理论的改进，提出了ip-iq法检测方法。

ip-iq法检测方法是将三相电流信号减去基波电流，即可得到三相谐波电流分量，进而完成对谐波电流的检测工作，ip-iq检测法原理图如图3所示，当需要对系统谐波及无功同时进行检测时，断开图中iq路径，对iq进行反变换即可得到系统无功电流。

（4）模型预测控制策略：

模型预测本质上是一种在线最优控制，其具有动态响应速度快，对模型的精度要求不高，建模方便等优点。其过程描述可由简单实验获得，采用非最小化描述的模型，系统鲁棒性、稳定性较好；采用滚动优化策略，而非全局一次优化，能及时弥补由于模型失配、畸变、干扰等因素引起的不确定性，动态性能较好；易将算法推广到有约束、大迟延、非最小相位、非线性等实际过程，尤为重要的是，它能有效地处理多变量、有约束的问题本文所研究的策略的预测区间为可兼顾多个优化控制目标等优势，广泛地应用于非线性控制系统中。

模型预测控制主要由预测模型、滚动优化以及反馈校正三部分构成，模型预测控制结构如图4所示。将模型预测应用于apf系统时，首先根据电网电压、补偿电流等采样值计算参考电流预测值，然后对27个开关状态滚动寻优，每次滚动需要计算补偿电流预测值、直流侧电压偏差预测值和开关转换次数fsw，计算价值函数g并进行比较，最后选择使得价值函数最小的开关状态输出。

本具体实施方式的效果为：

(1)通过对三电平apf系统整体结构的介绍，引出了电流谐波检测技术，分析对比了几种电流谐波检测方法，最终选用了基于瞬时无功理论的ip-iq谐波检测法。同时对电流跟踪控制策略进行分析，提出了基于模型预测控制的电流跟踪算法，对比传统控制算法，该控制策略更为便捷简单，效果更好。

(2)运用matlab/simulink仿真软件进行系统仿真建模，通过仿真研究验证所提出的基于模型预测控制的三电平有源滤波器系统具有良好的谐波补偿效果。

(3)搭建以dspf28335为核心的三电平apf系统实验平台，实现系统与上位机之间的通信，实现上位机对三电平apf系统运行参数的显示，实现利用上位机对系统进行实时的控制，最终实现基于模型预测控制的三电平有源电力滤波器系统对谐波的补偿。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。