适用于电网频率波动场景下的LCL型有源电力滤波器改进型电流控制方法

适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控制方法
技术领域
1.本发明涉及lcl型三相并联有源电力滤波器技术领域，具体涉及一种适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控制方法。


背景技术：

2.电力电子装置已经广泛应用到电力系统各个方面，使得电能可以改变其应用方式以适应不同的用电场合，满足人们对不同电能形式的需求，但也给电网带来大量的谐波污染。与无源滤波器相比，并联型有源电力滤波器(shunt active power filter，sapf)较无源滤波器在稳定性以及灵活性方面都有明显的优势，是目前治理电力谐波的最有效方法。
3.并联型apf与电网的连接通常需要附加滤波器抑制高频纹波，通常添加l型或者lcl型滤波器进行抑制。lcl型滤波器为三阶系统，其在总电感值相等的情况下，比l型滤波器有更好的高频抑制性能以及开关纹波抑制，在大功率应用场合，成本优势明显，同时也提高了系统的动态性能，但lcl型滤波器在特殊的高次电流谐波的导通下，会引起谐振尖峰，从而使逆变器的输出电流出现震荡现象，如果不采取措施对其进行抑制，最终会导致系统不稳定。常用的抑制方式是在电容支路上串联无源电阻。
4.随着学者们对apf系统研究不断深入，apf的拓扑结构与主电路设计基本成型，若想进一步提升apf的系统性能，主要从控制策略方面进行研究改进，电流控制策略是决定电流产生的重要手段，电流控制策略决定了入网电流的质量。目前，apf常用的补偿电流控制方法主要包括：无差拍控制、pi控制、比例谐振控制以及模糊控制。无差拍控制具有极快的动态响应性能和良好的控制精度，缺点为控制系统固有的延时问题和对系统数学模型的精确性要求较高，当所建立系统的数学模型与实际模型偏差较大时，会造成系统补偿性能的降低，甚至造成不稳定现象；pi控制具有结构简单、鲁棒性高、易调试等优势成为目前工业中应用最广泛的控制策略，能够对直流量信号进行无静差跟踪，但pi控制的带宽较低，会导致其对高频指令信号追踪效果较差；比例谐振控制器在其谐振频率点处具有无限大增益，可以达到对谐振信号的无静差跟踪效果，但其结构需要多个谐振控制器并联使用，系统较为复杂，实际应用成本较大；模糊控制是将自然语言描述成控制规则，再通过技术人员积累的经验和实际数据分析，得出的智能控制策略，相比传统控制方法，具有较强的鲁棒性，对非线性时变滞后系统尤为适用，控制器输出的控制量依据模糊推理规则导出，构造较为容易。


技术实现要素：

5.本发明主要是为了克服并联型有源电力滤波器补偿性能不佳的难题，解决现有技术中对变化的负载动态响应速度慢和电网频率波动造成的补偿精度不佳的状况；提出一种适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控制方法，采用了模糊比例控制结合频率自适应快速重复控制的双环控制方式，显著提高了系统的补偿稳态精度和
跟踪动态谐波电流的响应速度，实现了sapf基波与谐波的控制。
6.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
7.一种适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控制方法,其特征在于,包括:
8.主电路:采集脉冲信号，通过三相逆变器制造大小相等，相位相反的谐波补偿电流注入电网，达到与负载产生谐波电流相抵消，提高电能质量的目的。
9.控制系统:用于检测负载产生的谐波电流，根据检测的负载电流，得到apf需补偿的谐波电流信号，根据检测的直流母线电容电压，得到基波指令电流，谐波指令电流加上基波指令电流得到要补偿的指令电流，结合指令电流与逆变器实际输出电流比较，得到误差值进行电流闭环控制，控制方式采用模糊比例控制结合快速重复控制，最后通过驱动电路调制得到调制波；
10.主电路包括：
11.三相逆变器:用于接受脉冲信号产生一个与负载谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流来抵消负载电流中的谐波成分，并对直流电压源进行充能，输入接储能原件,输出接输出滤波器。三相逆变器为三相电压型逆变器，储能原件为直流电容,所述三相电压型逆变器经过脉冲信号产生补偿电流与输出滤波器连接；三相电压型逆变器与输出滤波器串联之后与非线性负载并联接入电网。
12.输出滤波器:用于实现较理想的开关纹波滤除效果，输入接三相逆变器,输出接入三相电网。输出滤波器为高阶滤波器，采用lcl型滤波器结合无源阻尼的方式，lcl滤波器采用星形连接的方法，l1为逆变器侧滤波电感，l2为电网侧滤波电感，c为滤波支路上的滤波电容，无源阻尼电阻r与滤波电容c串联在滤波支路上。
13.储能原件:用于为有源电力滤波器提供稳定直流，输出接入三相逆变器。
14.2.根据权利要求1所述的一种适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控制方法，其特征在于，控制系统包括
15.谐波电流检测电路：与电流跟踪控制电路连接，用于检测负载中的谐波电流成分。
16.直流侧电容电压检测电路：与电流跟踪控制电路连接，用于实现电压的稳定性控制。
17.锁相环电路：与直流侧电压检测电路连接，用于实现电网相角、频率信息的准确、快速提取。
18.电网侧电感电流检测电路：与电流跟踪控制电路连接，用于准确跟踪谐波电流指令。
19.电流跟踪控制电路：与驱动电路连接，用于实现补偿谐波电流的精准跟踪和快速响应能力。
20.3.一种适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控制方法，其特征在于：包括
21.步骤1：获取并联型有源电力滤波器的状态信息，利用电压电流传感器采集负载电流i
l
、电网电压ug、直流母线电容电压u
dc
、滤波器电网侧电感电流i2。
22.步骤2：对步骤1得到的电网电压ug采用锁相环电路提取a相电网电压的相位θ和频率f0信息；
23.步骤3：用直流侧母线电容电压的参考值u
dc*
减去步骤1检测到的流母线电容电压实际值u
dc
，经过直流电容电压控制器得到基波电流幅值，再乘以a相电网的相位信息得到基波电流指令；
24.步骤4：利用谐波检测电路，将步骤1检测到的负载电流i
l
经过abc/dq变换后通过低通滤波,得到基波电流分量，再用负载电流i
l
减去基波电流分量得到要补偿的谐波电流指令i
lh-abc
，并根据步骤2得到的相位信息进行abc/dq变换得到两相旋转坐标系下的谐波电流指令i
lh-dq
；
25.步骤5：将基波电流指令加上谐波电流指令得到要补偿的电流指令i
*
，结合电流指令对有源电力滤波器的电网侧电感电流进行电流控制，电流跟踪控制电路采用模糊比例控制与快速重复控制结合的方式，再输入svpwm生成调制波，驱动功率器件开关动作，生成与负载侧谐波及无功电流相反的补偿电流。实现对电网输出电流的无功与谐波补偿，具体是：
26.通过构建复合电流控制的传递函数，等效出模糊比例控制和快速重复控制的单独作用时的子系统，解出满足系统稳定的约束条件；首先针对模糊比例控制的子系统建立约束条件，使得系统在稳定的条件下能够有效的抑制lcl固有谐振；进一步根据步骤2得到的a相电网频率对快速重复控制器进行设计，以适应电网的频率波动，步骤5中电流跟踪控制电路的参数选取具体方法如下：
27.步骤a1：将谐波电流指令与实际检测到的电网侧电感电流比较，得到电流跟踪电流的指令信号，如公式1所示：
28.i
*
＝i
r-i2ꢀꢀꢀ
(1)
29.i
*
为电流指令信号，ir为谐波指令电流，i2为实际检测到的电网侧电感电流。
30.步骤a2：将步骤a1中谐波指令电流的导数减去实际检测到的电网侧电感电流的导数得到电流指令信号的变化率如式2所示：
31.δi
*
＝δi
r-δi2ꢀꢀꢀ
(2)
32.式中
△i*
为电流指令信号的变化率、
△
ir为谐波指令电流的导数、
△
i2为实际检测到的电网侧电感电流的导数。
33.步骤a3：建立模糊规则，分别将电流指令信号i
*
和电流指令信号的变化率
△i*
，作为模糊比例控制器的输入，经过模糊控制规则处理得到比例的增益
△kp
。
34.步骤a4：模糊控制的精确化，将步骤3中得到的比例的增益
△kp
加上比例控制的初始参数k
p0
，从而得到新的比例控制参数k
p
，如公式3所示：
35.k
p
＝k
p0
+δk
p
ꢀꢀꢀ
(3)
36.步骤a5：将步骤a4得到的新的比例控制参数k
p
作为电流内环模糊比例控制的系数，并将步骤1得到的电流指令i
*
前馈输入给电流内环进行模糊比例控制，以提高系统的动态响应速度，其传递函数如公式4所示：
[0037][0038]
式中f(s)为连续域下电流内环传递函数。
[0039]
步骤a6：将开关频率除fs以步骤电网频率f0得到系统的采样次数n，电流外环重复控制中的分数阶滞后环节如公式5所示：
[0040][0041]
式中z为离散域算子，z-n/6
为重复控制器的分数阶滞后环节，z-p
表示为分数阶滞后环节z-n/6
的整数部分，z-q
为分数阶滞后环节z-n/6
的分数部分，且q∈(1,2)。采用拉格朗日插值法定义分数部分z-q
如公式6所示：
[0042][0043]
式中m表示拉格朗日插值法的最大阶数，k表示拉格朗日插值法的多项式阶数，h(k)为各多项式的系数，其表达式如公式7所示：
[0044][0045]
式中j表示小于k的非负整数。
[0046]
步骤a7：将步骤a1得到的电流跟踪电流指令信号i
*
输入给电流外环进行快速重复控制，以提高系统的稳态跟踪精度，其传递函数如公式8所示：
[0047][0048]
式中g(z)为电流外环快速重复控制在离散域的传递函数表达式，f(z)表示f(s)采用零阶保持器法离散化得到的离散域传递函数，zk为超前控制器，kr快速重复控制器的增益，q(z)为衰减滤波器，h(z)为二阶低通滤波器，如公式9所示：
[0049][0050]
式中h(s)表示二阶低通滤波器在连续域下的表达式，通过双线性变换转换到离散域得到h(z)，fc为二阶低通滤波器的截止频率，ξ表示阻尼比。
[0051]
本发明的积极效果在于：
[0052]
1)本发明能够基于谐波检测电流的谐波电流，实时改变比例增益的大小，从而达到快速响应主电路系统中负载的变化，使电网中公共点的谐波含量得到有效降低。
[0053]
2)本发明能够基于快速重复控制的分数滞后环节，降低非主要次谐波的谐振增益，避免非主要次谐波的幅值放大，同时滞后阶次的减小也可实现运算量的减少。
[0054]
3)本发明在电网频率波动的情况下，能够基于锁相环检测的电网实时频率信息改变快速重复控制器的内膜结构，实现快速重复控制器的频率自适应。
[0055]
4)模糊比例控制和频率自适应快速重复控制的复合控制策略可以有效保障系统的稳定性能，只需对模糊比例控制器的初始比例参数和频率自适应快速重复控制器的补偿器进行设计，通过模糊比例控制和分数阶滞后环节来修正参数，改善系统的动、静态性能，使系统稳态运行时具有较高的跟踪精度。
附图说明
[0056]
图1为本实用适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控
制方法的系统框图。
[0057]
图2为本实用电流控制器结构框图。
[0058]
图3为模糊比例控制器的输出增益
△kp
输出曲线图。
[0059]
图4为模糊比例控制器的模糊变量r隶属度函数图。
[0060]
图5为模糊比例控制器的模糊变量
△
r隶属度函数图。
[0061]
图6为模糊比例控制器的模糊变量
△kp
隶属度函数图。
[0062]
图7为外环快速重复控制系统特征方程的奈奎斯特曲线图。
[0063]
图8为电网频率波动至51hz时负载侧电流波形图。
[0064]
图9为电网频率波动至51hz时apf补偿后电网侧电流波形图。
[0065]
图10为电网频率波动至51hz时apf补偿后电网侧电流频谱分析图。
具体实施方式
[0066]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0067]
7.一种适用于电网频率波动场景下的lcl型有源电力滤波器改进型电流控制方法，其特征在于：包括
[0068]
步骤1：获取并联型有源电力滤波器的状态信息，利用电压电流传感器采集负载电流i
l
、电网电压ug、直流母线电容电压u
dc
、滤波器电网侧电感电流i2。
[0069]
步骤2：对步骤1得到的电网电压ug采用锁相环电路提取a相电网电压的相位θ和频率f0信息；
[0070]
步骤3：用直流侧母线电容电压的参考值u
dc*
减去步骤1检测到的流母线电容电压实际值u
dc
，经过直流电容电压控制器得到基波电流幅值，再乘以a相电网的相位信息得到基波电流指令；
[0071]
步骤4：利用谐波检测电路，将步骤1检测到的负载电流i
l
经过abc/dq变换后通过低通滤波,得到基波电流分量，再用负载电流i
l
减去基波电流分量得到要补偿的谐波电流指令i
lh-abc
，并根据步骤2得到的相位信息进行abc/dq变换得到两相旋转坐标系下的谐波电流指令i
lh-dq
；
[0072]
步骤5：将基波电流指令加上谐波电流指令得到要补偿的电流指令i
*
，结合电流指令对有源电力滤波器的电网侧电感电流进行电流控制，电流跟踪控制电路采用模糊比例控制与快速重复控制结合的方式，再输入svpwm生成调制波，驱动功率器件开关动作，生成与负载侧谐波及无功电流相反的补偿电流。实现对电网输出电流的无功与谐波补偿，具体是：
[0073]
通过构建复合电流控制的传递函数，等效出模糊比例控制和快速重复控制的单独作用时的子系统，解出满足系统稳定的约束条件；首先针对模糊比例控制的子系统建立约束条件，使得系统在稳定的条件下能够有效的抑制lcl固有谐振；进一步根据步骤2得到的a相电网频率对快速重复控制器进行设计，以适应电网的频率波动，步骤5中电流跟踪控制电路的参数选取具体方法如下：
[0074]
步骤a1：将谐波电流指令与实际检测到的电网侧电感电流比较，得到电流跟踪电流的指令信号，如公式1所示：
[0075]i*
＝i
r-i2ꢀꢀꢀ
(1)
[0076]i*
为电流指令信号，ir为谐波指令电流，i2为实际检测到的电网侧电感电流。
[0077]
步骤a2：将步骤a1中谐波指令电流的导数减去实际检测到的电网侧电感电流的导数得到电流指令信号的变化率如式2所示：
[0078]
δi
*
＝δi
r-δi2ꢀꢀꢀ
(2)
[0079]
式中
△i*
为电流指令信号的变化率、
△
ir为谐波指令电流的导数、
△
i2为实际检测到的电网侧电感电流的导数。
[0080]
步骤a3：建立模糊规则，分别将电流指令信号i
*
和电流指令信号的变化率
△i*
，作为模糊比例控制器的输入，将他们的精确值变化到模糊域r和
△
r当中，设定r和
△
r的论域如下所示：
[0081]
r，
△
r＝{-6，-4，-2，0，2，4，6}
ꢀꢀꢀ
(3)
[0082]
r为模糊比例控制器的输入语言变量误差，
△
r为模糊比例控制器的输入语言变量误差率。选取模糊集合{nb,nm,ns,ze,ps,pm,pb},它们分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。确定模糊比例控制器输出参数的隶属度函数，并定义它们的模糊论域，如公式4所示：
[0083]
△kp
＝{-0.9，-0.6，-0.3,0,0.3,0.6,0.9}
ꢀꢀꢀ
(4)
[0084]
△kp
为模糊比例控制器的输出比例增益，其模糊集定义为{nb，nm，ns，ze，ps，pm，pb}，分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。分别将误差r和误差变化率
△
r输入模糊比例控制器，经过模糊控制规则处理得到比例增益
△kp
。模糊规则如表1所示。
[0085]
表1
△kp
的模糊控制规则
[0086][0087]
步骤a4：模糊控制的精确化，将步骤3中得到的比例的增益
△kp
加上比例控制的初始参数k
p0
，从而得到新的比例控制参数k
p
，如公式5所示：
[0088]kp
＝k
p0
+δk
p
ꢀꢀꢀ
(5)
[0089]
步骤a5：将步骤a4得到的新的比例控制参数k
p
作为电流内环模糊比例控制的系数，并将步骤1得到的电流指令i
*
前馈输入给电流内环进行模糊比例控制，以提高系统的动态响应速度，其传递函数如公式6所示：
[0090][0091]
式中f(s)为连续域下电流内环传递函数，s为连续域算子。对传递函数进行劳斯判据可得系统稳定的充分条件如公式7所示：
[0092]
a1a
2-a0a3＝(l1+l2)c2k
p
r2+(l1+l2)2cr-l1l2ck
p
＞0
ꢀꢀꢀ
(7)
[0093]
带入滤波器的仿真参数l1＝1.3mh、l2＝0.2mh、c＝10uf可得比例k
p
和无源阻尼电
阻r的取值对lcl谐振峰的抑制效果如表2和表3所示。
[0094]
表2开环对lcl谐振的抑制能力
[0095][0096][0097]
表3闭环对lcl谐振的抑制能力
[0098][0099]“－”表示此时传递函数的相频并未穿越-180
°
。表中数值越低表示对lcl谐振的抑制能力越好，同时还反映了系统的稳定性能。根据表中数据本案选取阻尼电阻r＝1ω，比例增益的初始值为k
p0
＝3，在经过模糊比例控制后电流内环模糊比例控制的参数变化范围为2.1-3.9之间，均能保证内环系统的稳定性并具备良好的抑制谐振的效果。
[0100]
步骤a6：将开关频率除fs以步骤电网频率f0得到系统的采样次数n，电流外环重复
控制中的分数阶滞后环节如公式5所示：
[0101][0102]
式中z为离散域算子，z-n/6
为重复控制器的分数阶滞后环节，z-p
表示为分数阶滞后环节z-n/6
的整数部分，z-q
为分数阶滞后环节z-n/6
的分数部分，且q∈(1,2)。采用拉格朗日插值法定义分数部分z-q
如公式6所示：
[0103][0104]
式中m表示拉格朗日插值法的最大阶数，k表示拉格朗日插值法的多项式阶数，h(k)为各多项式的系数，其表达式如公式7所示：
[0105][0106]
式中j表示小于k的非负整数。在本案实例中采用的是四阶拉格朗日插分法，分数阶滞后环节的分数部分z-q
如公式8所示：
[0107][0108]
根据中华人民共和国颁发的gb/t15945《电能质量电力系统频率允许偏差》标准中规定电网频率波动最大不能超过
±
1hz，本案以电网波动至临界值51hz为例，得到理想状态、传统取整法和本案设计的拉格朗日插值法重复控制对特征频率谐波的幅值分别为：33.97db、14.8db、27.4db。
[0109]
步骤a7：将步骤a1得到的电流跟踪电流指令信号i
*
输入给电流外环进行快速重复控制，以提高系统的稳态跟踪精度，其传递函数如公式9所示：
[0110][0111]
式中g(z)为电流外环快速重复控制在离散域的传递函数表达式，f(z)表示f(s)采用零阶保持器法离散化得到的离散域传递函数，zk为超前控制器，kr快速重复控制器的增益，q(z)为衰减滤波器，本案取q(z)＝0.95，h(z)为二阶低通滤波器，如公式10所示：
[0112][0113]
式中h(s)表示二阶低通滤波器在连续域下的表达式，通过双线性变换转换到离散域得到h(z)，fc为二阶低通滤波器的截止频率，ξ表示阻尼比。本案主要针对100次以内的谐波进行补偿，取截止频率为fc＝4950hz，阻尼系数ξ＝1.414，得到二阶低通滤波器在离散域下的传递函数如公式11所示：
[0114][0115]
此时，通过小增益原理可得外环快速重复控制系统稳定的充分条件如公12所示：
[0116]
|q(z)-zkkrh(z)f(z)|＜1,ω∈[0,π/t]
ꢀꢀꢀ
(12)
[0117]
本发明的积极效果在于：
[0118]
1)本发明能够基于谐波检测电流的谐波电流，实时改变比例增益的大小，从而达到快速响应主电路系统中负载的变化，使电网中公共点的谐波含量得到有效降低。
[0119]
2)本发明能够基于快速重复控制的分数滞后环节，降低非主要次谐波的谐振增益，避免非主要次谐波的幅值放大，同时滞后阶次的减小也可实现运算量的减少。
[0120]
3)本发明在电网频率波动的情况下，能够基于锁相环检测的电网实时频率信息改变快速重复控制器的内膜结构，实现快速重复控制器的频率自适应。
[0121]
4)模糊比例控制和频率自适应快速重复控制的复合控制策略可以有效保障系统的稳定性能，只需对模糊比例控制器的初始比例参数和频率自适应快速重复控制器的补偿器进行设计，通过模糊比例控制和分数阶滞后环节来修正参数，改善系统的动、静态性能，使系统稳态运行时具有较高的跟踪精度。
[0122]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。