一種自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制方法與流程

本發明涉及電力系統領域，特別是電力電子技術中一種自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制方法。

背景技術：

有源電力濾波器(Active Power filter，簡稱APF)以其高度可控、快速響應的優勢，逐漸成為治理諧波污染的首選設備。隨著非線性負荷諧波污染的不斷增多，采用模塊化APF并機方案集中治理諧波成為近年來本領域的研究熱點。模塊化APF并機系統的穩定性分析及控制關系到整機系統的安全可靠運行，是需要克服的關鍵技術難題。

并機系統諧振點是指其全局導納Y_total(s)頻域增益虛部為零時的所有頻次，此時對應的各增益實部值(R_d)可視為并機系統在各諧振點處的阻尼大小，當所有諧振點的R_d>0并機系統穩定，否則失穩。因此并機系統穩定性控制(失穩抑制)的目標就是通過導納重塑使其所有諧振點處的R_d為正。并機系統穩定性控制的方式有兩種：(1)間接方式，即通過僅改變電網無源器件電路而不改變APF設計的方式進行導納重塑，使得并機系統的諧振點發生變化或者諧振點處R_d的值得到增加，從而實現并機系統所有諧振點的R_d>0目標；(2)直接方式，即通過僅改變APF控制策略而不改變電網已有無源器件配置的方式進行導納重塑，使得APF電流環導納和諧波控制環導納至少在并機系統所有諧振點處呈正阻性，從而實現并機系統所有諧振點的R_d>0目標。

對于直接方式，一方面，直接控制方式無需改變電網已有無源器件的配置，因而更適用于已經投入使用的APF并機系統；另一方面，由于需要增加控制算法，增加了控制系統的設計難度，因而目前APF并機系統穩定性直接控制方法尚不完善，需要改進現有技術。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制方法，在不影響電流環性能的基礎上，可以明顯改善電流環導納高頻段阻尼特性。

一種自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制方法，在并機系統中，每臺APF按照以下方法進行設置：在原電流環擾動增益的基礎上增加前饋支路，所述前饋支路包括：前饋控制器F(s)、控制系統延時環節電網PCC處電壓E′(s)分別經過前饋控制器F(s)和控制系統延時環節后與原電流環擾動增益D(s)的輸出疊加，形成新的電流環擾動增益D′(s)，如下式所示：

其中，D(s)為原電流環擾動增益；D′(s)為新的電流環擾動增益；為控制系統延時環節；K_fp為負比例前饋系數；增加前饋支路后的電流環導納Y'(s)如下：

其中，Y(s)為增加前饋支路前的電流環導納；P(s)為電流環被控對象；G(s)P(s)為電流環開環支路；

所述新的電流環擾動增益滿足如下條件：

①頻域增益幅值小于1；

②頻域增益相位超前0°到90°之間。

所述自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制方法按如下步驟進行：

①預估負比例前饋系數值；

②根據負比例前饋系數預估值，以及原電流環擾動增益、控制系統延時環節，計算新的電流環擾動增益；

③分析新的電流環擾動增益頻域增益幅值、相位特性；若頻域增益幅值、相位特性不滿足上述條件，返回步驟①，重新預估負比例前饋系數；

④根據新的電流環擾動增益，計算增加前饋支路后的電流環導納，并分析其阻尼特性；若增加前饋支路后的電流環導納Y'(s)的阻尼特性在諧振頻次附近增益為正阻性，則設計結束并獲得相應的參數，反之返回步驟①重新上述設計過程。

有益效果：

(1)本發明所述的自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制方法，通過預估-修正自適應調整負比例前饋系數，從而改變擾動增益D(s)，進而改變電流環導納頻域特性，實現改善其頻域增益阻尼特性。所述方法不影響電流環性能，可明顯改善電流環導納高頻段阻尼特性。

(2)相比較于傳統的APF并機系統穩定性間接控制方法，本發明無需增加無源器件，無需改動APF硬件設計方案。

附圖說明

圖1為通過電網PCC電壓前饋方式改變APF電流環擾動增益示意圖；

圖2為自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制流程圖；

圖3為負比例前饋系數K_fp＝-1.5時電流環導納頻域特性分析；

圖4為負比例前饋系數K_fp＝-1.0時電流環導納頻域特性分析；

圖5為負比例前饋系數K_fp＝-0.5時電流環導納頻域特性分析。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

圖1所示為通過電網公共連接點PCC電壓前饋方式改變APF電流環擾動增益示意圖。I為輸出電流；I^*為指令電流。由下式可看出，通過改變擾動增益D(s)，可以改變電流環導納頻域特性，實現改善其頻域增益阻尼特性，同時該過程對電流環特性無任何影響。

本發明在原電流環擾動增益的基礎上增加前饋支路。所述前饋支路包括：前饋控制器F(s)、控制系統延時環節電網公共連接點PCC處電壓E′(s)分別經過前饋控制器F(s)和控制系統延時環節后與原電流環擾動增益D(s)的輸出疊加，形成新的電流環擾動增益D′(s)，如下式所示：

其中，D(s)為原電流環擾動增益；D′(s)為新的電流環擾動增益；為控制系統延時環節；K_fp為負比例前饋系數；增加前饋支路后的電流環導納Y'(s)如下：

其中，Y為增加前饋支路前的電流環導納；P(s)為電流環被控對象；G(s)P(s)為電流環開環支路；

所述新的電流環擾動增益滿足如下條件：

①頻域增益幅值盡量小并且小于1；

②頻域增益相位盡量超前(0°到90°之間)。

所述自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制方法按如下步驟進行：

①預估負比例前饋系數值；

②根據負比例前饋系數預估值，以及原電流環擾動增益、控制系統延時環節，計算新的電流環擾動增益；

③分析新的電流環擾動增益頻域增益幅值、相位特性；若頻域增益幅值、相位特性不滿足上述條件，返回步驟①，重新設定負比例前饋系數預估值；

④根據新的電流環擾動增益，計算增加前饋支路后的電流環導納，并分析其阻尼特性；若增加前饋支路后的電流環導納Y'(s)的阻尼特性在諧振頻次附近增益為正阻性，則設計結束并獲得相應的參數，反之返回步驟①重新上述設計過程。

當APF并網接口設計為電抗時，原電流環擾動增益D(s)＝1，則與負比例前饋控制器F(s)形成新的電流環擾動增益D′(s)，如下式所示。

以改善電流環導納阻尼特性為目標，所設計的前饋控制器F(s)形成的新的電流擾動增益D′(s)應具有以下頻域特性：(1)頻域增益幅值應盡量小且小于1，從而減少高頻干擾信號影響和電流環啟動輸出超調；(2)頻域增益相位應盡量超前(0°到90°之間)，補償電流環導納頻域增益的相位滯后，從而增加其頻域增益阻性。

圖2為自適應負比例電網電壓前饋的APF并機系統穩定性控制流程圖。

圖3至圖5為采用不同負比例前饋系數時電流環導納頻域特性分析。其中，標記TOP表示幅頻曲線，標記BOT表示相頻曲線；并網電抗：電感L＝0.2mH，電阻R＝0.01Ω；電流環控制器：VPI(Vector PI，矢量比例積分)；零極對消設置的電感L′＝0.1mH，電阻R′＝0.01Ω；各諧振器等效積分系數K均為2π20；諧振器頻次分別為5、7和11次，基波頻率50Hz。圖3中設置K_fp＝-1.5；圖4中設置K_fp＝-1.0；圖5中設置K_fp＝-0.5。圖3中，可看出新的電流擾動增益D′(s)頻域增益幅值基本在0db附近，但頻域增益相位即超前補償角度由180°遞減至90°附近，使增加前饋支路后的電流環導納Y′(s)頻域增益相位過補償，由感性變為容性；圖4中，新的電流擾動增益D′(s)的頻域增益幅值由0增至1.414，相位由90°遞減至45°，增加前饋支路后的電流環導納Y′(s)全頻段的阻尼特性得到明顯改善，但在諧振頻次附近相位過補償；圖5中，新的電流擾動增益D′(s)的頻域增益幅值基本在0db附近，相位先遞增后遞減(由0°增至20°再減至15°)，增加前饋支路后的電流環導納Y′(s)在諧振頻次附近阻尼特性未得到改善，但諧振頻次外的高頻段阻尼特性得到明顯改善，且全頻段相位無過補償。

通過上述分析，對于調整電網電壓負比例前饋系數，可得出以下幾點定性結論：1)當K_fp<-1時，新的電流擾動增益D′(s)超前相位(補償角度)由180°遞減至90°，使增加前饋支路后的電流環導納Y′(s)相位過補償，實際情況不允許；2)當K_fp＝-1時，新的電流擾動增益D′(s)補償角度由90°遞減至45°，增加前饋支路后的電流環導納Y′(s)全頻段阻尼特性得到明顯改善，但實際應用時，K_fp的不可能絕對等于-1，當出現偏差小于-1時，會造成增加前饋支路后的電流環導納Y′(s)相位過補償；3)當0>K_fp>-1時，新的電流擾動增益D′(s)補償角度由0°增至最大值α(<90°)再遞減至β(>0°)，K_fp絕對值和α成正比，增加前饋支路后的電流環導納Y′(s)在諧振頻次附近阻尼特性未改善，但諧振頻次外的高頻段阻尼特性得到明顯改善，且全頻段相位無過補償。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。