專利名稱：一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法
技術領域：
本發明涉及一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法，可以用于交流電網中諧波的治理，屬于有源電力濾波器技術領域。
背景技術：
隨著電網中非線性負載的日益增多，諧波污染治理的問題越來越受到重視，成為目前電氣工程領域的熱點之一。而有源電力濾波器(APF)作為一種能動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置更是廣受關注，并出現了眾多的電路拓撲結構和控制方法。按電源類型分類，有源電力濾波器(APF)可分為單相APF、三相三線制APF、三相四線制APF及有源線路調節器(APLC)等。由于工業負載多為三相負載，近年來對三相有源電力濾波器的研究發展迅速。
由王兆安等編寫的《諧波抑制和無功功率補償》(北京機械工業出版社1998年出版)中提到目前大多數作為APF的電壓源型逆變器的輸出濾波器僅有電感，對于逆變器高頻開關所產生的高次諧波，要通過另外裝設與APF并聯的高通無源濾波器來濾除，這除了增加裝置成本和接線復雜性外，還會導致系統的不穩定。
將APF作為受控電流源控制，采用電壓源型逆變器來實現APF輸出電流對指令值的跟蹤，是目前研究和應用最廣泛的一種方式。目前在文獻和實際裝置中采用的電壓源型逆變器的輸出電流波形控制方法大致可分為以下三類 (1)滯環電流控制方式這是目前使用很多的一種閉環電流控制方法，該方法根據逆變器實際輸出電流和指令值之間偏差的大小和方向來控制開關器件的動作，使得實際輸出電流和指令值的誤差始終處于滯環環寬內。該方法的缺點是逆變器的開關頻率、電流跟蹤精度受滯環寬度影響大，減小環寬能夠改善電流跟蹤效果，但功率器件開關頻率提高，損耗加大，反之則電流跟蹤性能變差，而當環寬固定時，開關頻率會隨指令電流的不同而變化，從而引起較大的脈動電流和開關噪聲，使得輸出濾波器的設計困難。
(2)三角載波電流控制方式這種方式將實際電流和指令值之間的偏差經過PI調節器處理后，再和高頻的三角載波比較以得到功率器件的開關信號。這種方法的缺點是由于PI調節器只能保證對直流量的無差調節，而對各次諧波分量豐富的APF指令電流而言，其幅相頻特性不理想，電流跟蹤精度較差，且調節器帶寬有限，輸出波形中含有與三角載波頻率有關的高頻畸變分量。
(3)基于模型的控制方式屬于這種方式的有無差拍控制、內模控制、模糊控制等，這種方式要解決的主要問題是控制系統模型的建模誤差、計算延時等。例如無差拍控制是一種全數字化的控制技術，它利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據空間矢量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式。其缺點是計算量大，且對系統參數依賴性較大。
發明內容
本發明的目的在于提供一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法。使用該方法的APF采用T型輸出濾波器，控制器首先通過αβ0變換使得互相耦合的abc三相輸出電流解耦，然后分別對解耦后的αβ0相系統進行極點配置以改善系統穩定性，最后通過設計適當的重復控制器來校正APF實際輸出電流與指令電流間的誤差，從而達到簡化APF輸出濾波器電路，并提高其輸出電流跟蹤精度的效果。
本發明的技術方案是一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法，采用T型濾波器和電流波形控制器做三相有源電力濾波器輸出電流波形控制，其特征在于三相有源電力濾波器輸出電流波形控制器所完成的波形控制算法，依次包括以下步驟 1、檢測三相有源電力濾波器的abc三相實際輸出電流iaf、ibf、icf； 2、檢測三相有源電力濾波器接入電網處的三相系統電壓ea、eb、ec； 3、接受APF輸出指令電流生成環節傳來的三相指令電流值iah、ibh、ich； 4、按下述公式(1)、(2)、(3)分別對上述三相變量進行αβ0變換，以實現abc三相輸出電流解耦 其中 5、分別對解耦后的αβ0坐標系下的單相系統進行極點配置，以改善系統穩定性； 6、對極點配置后的αβ0坐標系下的單相系統，分別設計適當的重復控制器來校正APF實際輸出電流與指令電流間的誤差，并最終得到αβ0坐標系下的各相指令電壓； 7、通過空間矢量調制的方法，將αβ0坐標系下的各相指令電壓轉化為三相逆變器各橋臂開關管的開關信號，逆變器輸出的PWM電壓波經T型輸出濾波器濾波后，即可使有源電力濾波器的實際輸出電流精確跟蹤指令電流。
如上所述的一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法，其特征在于逆變器的輸出濾波器電路結構為T型結構，即T型濾波器，逆變器abc三相的每相橋臂的輸出經第一電感和第二電感串聯后接入電網，同時第一電容的一端接在第一和第二電感的連接點，另一端接在中線上(對于三相四線制交流系統)，或者與另兩相橋臂處于相同位置的電容形成星形接法(對于三相三線制交流系統)，另外，對用于三相四線制交流系統的三相四橋臂逆變器的0相橋臂輸出經第三電感直接接入電網。
本發明的有益效果(1)本發明提出的APF輸出電流波形控制方法，通過極點配置改善了APF輸出濾波系統的穩定性，用重復控制算法保證了APF實際輸出電流的跟蹤精度，可有效提高APF的補償效果。(2)簡化了APF輸出濾波器的電路結構，無需設置與APF并聯的高通無源濾波器，就可濾除逆變器高頻開關所產生的高次諧波。
圖1，三相四線制下，本發明中逆變器輸出濾波電路的電路結構及控制框圖； 圖2，三相三線制下，本發明中逆變器輸出濾波電路的電路結構及控制框圖； 圖3，三相四線制下，本發明中逆變器輸出電流波形控制的電路原理圖； 圖4，本發明中逆變器輸出電流波形控制的α、β相等效電路； 圖5，本發明中逆變器輸出電流波形控制的0相等效電路； 圖6，三相三線制下，本發明中逆變器輸出電流波形控制的電路原理圖； 圖7，α相輸出電流波形控制的電路原理圖； 圖8，α相輸出電流波形控制中的重復控制器框圖； 圖9，α相輸出電流波形控制中的狀態觀測器框圖； 圖10，α相輸出電流波形控制的完整控制框圖； 圖11，三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法的計算流程； 圖12，本發明實施例中的電網側電流仿真波形圖； 圖13，本發明實施例中三相有源電力濾波器的輸出電流仿真波形圖。
具體實施例方式 以下結合附圖和實施例對本發明一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法做詳細的說明。
圖1中標記的說明1-第一電感，2-第二電感，3-第一電容，4-第三電感，5-三相有源電力濾波器輸出電流波形控制器。
三相四線制下，本發明中逆變器輸出濾波電路的電路結構及控制框圖如圖1所示對于三相四線制系統，本發明所提出的三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法中的逆變器輸出濾波電路包括第一電感1、第二電感2、第一電容3、第三電感4、三相有源電力濾波器輸出電流波形控制器5，其中逆變器abc三相的每相橋臂的輸出經第一電感1和第二電感2串聯后接入電網，同時第一電容3的一端接在第一和第二電感的連接點，另一端接在中線上，逆變器的0相橋臂輸出經第三電感4直接接入電網。
三相三線制下，本發明中逆變器輸出濾波電路的電路結構及控制框圖如圖2所示對于三相三線制系統，逆變器abc三相的每相橋臂的輸出經第一電感1和第二電感2串聯后接入電網，同時第一電容3的一端接在第一和第二電感的連接點，另一端與其他兩相橋臂處于相同位置的電容形成星形接法。
若記第一電感1、第二電感2、第一電容3、第三電感4的參數分別為L1、L2、C1、Ln，逆變器各橋臂輸出死區等效電阻為R，記逆變器abc三相橋臂中點相對于0相橋臂中點的電壓分別為uan、ubn、ucn，則對于圖3所示參考方向下的三相四線制系統有 i1a+i1b+i1c+i1n＝0(7) 對(4)、(5)、(6)兩式的兩邊同時左乘(3)式中的矩陣Cabc_αβ0，則有 其中 由(8)、(9)、(10)三式可見，此時原來存在耦合關系的逆變器abc三相電流經過αβ0變換后，變成了三相獨立的系統，并且α相與β相完全相同，0相和α、β相電路結構也是相同的，只是電路元件參數不同而已。其等效電路原理圖如圖4、圖5所示。
類似的，對于圖6所示參考方向下的三相三線制系統，有 其中 不妨記 同時注意到 又計及錯誤！未找到引用源。式后，(11)、(12)、(13)可整理為 因為 注意到(19)式右側矩陣的前兩行相加再取反即為第三行，這意味著該矩陣的行向量線性相關，同時注意到該矩陣的第三列全為0，故(16)、(17)式可等效為 其中， 顯然矩陣A1可逆，所以(20)、(21)式又可寫成 因此，對于圖6所示的三相三線制系統根據(18)、(23)、(24)式也可以等效為α、β兩個完全相同且彼此無耦合關系的單相系統。
鑒于三相三線制和三相四線制系統都可以通過αβ0變換，轉換成兩個或三個電路結構相同且獨立的單相系統，以下將以三相四線制下的α相系統為例，按照圖7所示的參考方向，說明具體的逆變器輸出電流波形控制策略。
圖7所示電路的狀態方程為 yα＝Cαxα (26) 其中xα＝[i1α iαf ucα]T，uα1＝[uαn eα]T，yα＝[iαf]， Cα＝
， 逆變器輸出電壓采用比例調節器，即 uαn＝k(iα_ref-iαf) (27) 式中iα_ref表示APF在α相應輸出的電流指令值，則(25)、(26)式可改寫成 yα＝Cαxα(29) 其中xα＝[i1α iαf uCα]T，uα2＝[iα_ref eα]T，yα＝[iαf]， Cα＝
設(28)、(29)兩式代表的連續系統方程經離散化后有如下形式 xα(n+1)＝Gαxα(n)+Hα1iα_ref(n)+Hα2eα(n)(30) yα(n)＝Cαxα(n)(31) 其中 上式中T為采樣周期。從(30)、(31)式不難得到 xα(z)＝(zI-Gα)-1Hα1iα_ref(z)+(zI-Gα)-1Hα2eα(z)(32) (32)式矩陣中的第2行就是以iαf為輸出，iα_ref、eα為輸入的系統傳函的離散域表達式。
通過狀態反饋將(30)、(31)兩式代表的離散系統的極點配置到原點，不妨設相應的狀態反饋矩陣為F，則(30)、(32)兩式變成 xα(n+1)＝(Gα-Hα1F)xα(n)+Hα1iα_ref(n)+Hα2eα(n) (33) xα(z)＝(zI-Gα+Hα1F)-1Hα1iα_ref(z)+(zI-Gα+Hα1F)-1Hα2eα(z)(34) 由(34)式第2行可得到傳遞函數 此時可確定(27)式中的k值，方法是先設定k值，再計算將系統極點配置到原點的矩陣F，然后作出傳函Gα1(z)的波特圖，如果其幅頻特性在中低頻段不為0dB，則再修改k值，重新計算，只到Gα1(z)在中低頻段的幅頻特性為0dB為止。
通過引入如圖8所示的重復控制方法，可進一步提高α相輸出電流的跟蹤性能。圖8虛線框內的Gα3(z)就是所加入的重復控制器，N代表每周波的采樣點數，Q(z)為減弱積分效果的低通濾波器，也可取為小于1的常數，Kr是重復控制增益，S(z)是增強前向通道高頻衰減特性的低通濾波器，超前環節zk用來補償S(z)和Gα1(z)總的相位滯后，以使zkS(z)Gα1(z)在中低頻段的相頻特性基本為0°。重復控制器的傳函可表示為 根據重復控制器的設計方法，按照中、低頻對消，高頻衰減的原則進行控制器參數選擇，以保證系統的穩定性。這里Q(z)可簡單的取為0.9，重復控制增益Kr為0.9，S(z)取為2階低通巴特沃斯濾波器，超前環節zk的指數值按使得zkS(z)Gα1(z)在中低頻段的相頻特性基本為0°的原則選取。
另外，為彌補數字系統采樣和計算延時的影響，α相輸出電流波形控制器還包括一個狀態觀測器以提前一拍給出用于極點配置的狀態變量i1α、iαf、ucα。為避免受電壓源型逆變器過調制的影響，對(25)、(26)兩式代表的狀態方程進行狀態觀測，同樣，設(25)、(26)兩式代表的連續系統狀態方程經離散化后有如下形式 yα(n)＝Cαxα(n) (39) 其中 狀態方程(38)、(39)相應的狀態觀測器如圖9中的虛線框所示，圖中，I是單位矩陣，L為狀態觀測器的反饋增益矩陣，分別為狀態觀測器的狀態變量和輸出。
至此，α相輸出電流波形控制方法的完整控制器框圖如圖10所示，圖中，F為式(33)中的狀態反饋矩陣，Gα3(z)為式(37)中的重復控制器，k為式(27)中的比例系數，uαn為α相輸出指令電壓。
類似的，根據圖4、圖5所示β相和0相的等效電路，不難得出這兩相輸出電流波形控制方法。當得到α、β、0相的輸出指令電壓uαn、uβn和u0n(三相四線制)，或著α、β相的輸出指令電壓uα、uβ(三相三線制)后，將其送往空間矢量調制模塊(不在本發明內容范圍內)就可以獲得逆變器各橋臂開關管的開關控制信號，從而達到控制三相有源電力濾波器輸出電流波形的目的。圖11為相應的三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法的計算流程。
實施例設如圖3所示380V三相四線制下有源電力濾波器的輸出濾波器中第一電感1、第二電感2、第一電容3、第三電感4的參數分別為L1＝1mH、L2＝1mH、C1＝10μF、Ln＝0.3mH，逆變器各橋臂輸出死區等效電阻R＝0.6Ω，控制系統采樣時間為每周波256點，開關頻率6.4kHz。
對于α、β相，按(33)式計算的狀態反饋矩陣F為
，對(38)式所代表離散系統的狀態觀測器的反饋矩陣L＝[-0.1283 1.8598 5.1111]，(27)式中的k＝12。
對于0相，按(33)式計算的狀態反饋矩陣F為
，對(38)式所代表離散系統的狀態觀測器的反饋矩陣L＝
，(27)式中的k＝15.5。
α、β、0相的重復控制器相同，其中Q(z)＝0.9，Kr＝0.9，S(z)取為截止頻率為1.25kHz的2階低通巴特沃斯濾波器，超前環節zk的指數值為5。
根據圖11所示的計算流程，對某不平衡非線性負載的補償結果如圖12、圖13所示，圖12中從下到上依次為電網側a、b、c相的電流波形，圖13中從下到上依次為有源濾波器a、b、c相的輸出電流波形，其中，0.06秒之前有源電力濾波器未投入，網側電流為負載電流，0.06秒之后有源電力濾波器投入但僅有狀態反饋環節而未施加重復控制，網側電流波形雖然有所改善但仍然有較多毛刺，0.14秒之后按照本發明提出的三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法控制逆變器輸出電流，即分別對解耦后的α、β、0相系統同時施加狀態反饋和重復控制，網側電流基本修正為正弦波，證明了該波形控制方法的有效性。
權利要求
1、一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法，采用T型濾波器和電流波形控制器做三相有源電力濾波器輸出電流波形控制，其特征在于三相有源電力濾波器輸出電流波形控制器所完成的波形控制算法，依次包括以下步驟
(1)檢測三相有源電力濾波器的abc三相實際輸出電流iaf、ibf、icf；
(2)檢測三相有源電力濾波器接入電網處的三相系統電壓ea、eb、ec；
(3)接受APF輸出指令電流生成環節傳來的三相指令電流值iah、ibh、ich；
(4)按下述公式(1)、(2)、(3)分別對上述三相變量進行αβ0變換，以實現abc三相輸出電流解耦
其中
(5)分別對解耦后的αβ0坐標系下的單相系統進行極點配置，以改善系統穩定性；
(6)對極點配置后的αβ0坐標系下的單相系統，分別設計適當的重復控制器來校正APF實際輸出電流與指令電流間的誤差，并最終得到αβ0坐標系下的各相指令電壓；
(7)通過空間矢量調制的方法，將αβ0坐標系下的各相指令電壓轉化為三相逆變器各橋臂開關管的開關信號，逆變器輸出的PWM電壓波經T型輸出濾波器濾波后，即可使有源電力濾波器的實際輸出電流精確跟蹤指令電流。
2、根據權利要求1所述的三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法，其特征在于逆變器的輸出濾波器電路結構為T型結構，即T型濾波器，逆變器abc三相的每相橋臂的輸出經第一電感和第二電感串聯后接入電網，同時第一電容的一端接在第一和第二電感的連接點，另一端接在中線上(對于三相四線制交流系統)，或者與另兩相橋臂處于相同位置的電容形成星形接法(對于三相三線制交流系統)，另外，對用于三相四線制交流系統的三相四橋臂逆變器的0相橋臂輸出經第三電感直接接入電網。
全文摘要
本發明公開了一種三相有源電力濾波器輸出電流波形控制方法，采用T型濾波器和電流波形控制器做三相有源電力濾波器輸出電流波形控制，逆變器各相橋臂的輸出濾波器為兩個串聯電感的中點接一個電容，形成T型結構，即T型濾波器；波形控制算法為首先對三相有源電力濾波器的指令電流、實際輸出電流和電網的電壓進行αβ0變換，以實現abc三相輸出電流波形控制的解耦，再分別對解耦后的αβ0坐標系下的單相系統進行極點配置，然后通過重復控制器來校正APF實際輸出電流與指令電流間的誤差，以得到αβ0坐標系下的各相指令電壓，最后將其送往空間矢量調制模塊，從而確定各橋臂開關管的開關信號，使得有源電力濾波器的實際輸出電流可以精確跟蹤指令電流。
文檔編號H02J3/01GK101394089SQ20081004850
公開日2009年3月25日 申請日期2008年7月23日 優先權日2008年7月23日
發明者飛 劉, 陳軒恕, 冰 張, 進 邱, 妍 何 申請人:國網武漢高壓研究院