單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法
【專利摘要】本發明公開了一種單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法，該控制算法在通過基于功率預測技術求取用于穩定單相有源電力濾波器的直流側電壓而必須從電網吸收的有功功率表達式的基礎上，獲得了實際工作狀態下的補償電流指令。由于補償電流指令無需由常規雙環控制算法中的電壓外環提供，因而在本發明公開的控制算法下，傳統的單相并聯型有源電力濾波器的電壓和電流雙閉環控制算法，可簡化為只需控制電流的單閉環控制算法。
【專利說明】
單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法
技術領域
[0001] 本發明設及有源電力濾波器控制技術，具體地說，設及一種單相并聯型有源電力 濾波器的單環控制算法。
【背景技術】
[0002] 隨著現代工業發展，電力電子裝置和非線性負載的廣泛應用產生了大量的諧波， 導致電力系統中諧波電流成分迅速增長，電流波形崎變，加大了線損和用電設備的損耗，系 統功率因數急劇降低，嚴重影響電網電能質量。
[0003] 傳統的無源濾波器越來越不能滿足諧波治理的要求。隨著數字信息處理技術的提 高和電力電子技術研究的深入，有源電力濾波器開始得到應用。有源電力濾波器通過產生 與負載諧波反相幅值的補償電流抵消負載產生的諧波，從而抑制負載產生的諧波污染電 網，克服了無源濾波器的一些缺點，而且能夠實現自動適應電網諧波頻次的變化。而且，一 般情況下，有源電力濾波器通常采用雙閉環控制策略。其中內環控制有源電力濾波器產生 的補償電流，外環控制直流側電壓恒定。
[0004] 比如可參見題目為《單相并聯型有源濾波器的自適應控制方法》中國發明專利申 請201210308107.3。該申請所稱方法基于SAFT(單相并聯型有源濾波器)的近似線性動態模 型，參考自適應理論進行控制，建立跟蹤參考模型的自適應律，使SAFT輸出能夠補償電路諧 波和無功電流，實現對崎變電流的補償，減小并消除電路諧波和無功功率。
[0005] 眾所周知，傳統的雙閉環結構多采用諸如單周控制、重復控制、滑膜控制，或者基 于李雅普諾夫方程控制等方法，實現APF(有源濾波器）的控制。然而，運些現有技術的控制 方法都存在某些固有缺陷。例如單周控制方式容易受到外界條件影響，W及存在功率開關 管工作頻率不恒定的問題。又比如重復控制方式，貝略在控制系統響應速度慢，從及控制器 參數難W確定的問題。再如滑膜控制方式，該種方式存在固有抖振的問題。至于基于李雅普 諾夫方程的控制方式，明顯地存在算法實現復雜的問題。
[0006] 此外，W上諸種控制策略不但使算法參數設置困難，而且大大增加了每一個控制 周期所需的時間。為解決上述各自存在的個性和共性問題，分別采取了相應的改善措施。一 般而言，上述現有技術針對前述各自存在的個性方面的問題，可W使用一定的預測手段，簡 化控制參數;而針對它們共性方面的問題，都選用速度更快的數字信號處理器處理。
【發明內容】
[0007] 本發明目的在于提供一種單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法，大大縮短 控制周期，W及使控制算法得到簡化。
[000引本發明的單環控制算法是基于功率預測技術得W實現的，其中取消傳統并聯型有 源電力濾波器中所必須要的電壓調節環節，實現控制策略由雙閉環控制簡化為單閉環控 制。
[0009]按照本發明的單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法，依序執行如下步驟： 步驟I:通過直流電壓檢測環節，采集相鄰=個控制時刻巧-巧、丸和佈*巧時的單相并 聯型有源電力濾波器直流側電容。上的電壓值嗎碑-巧、齒銜巧謀躁沖段； 步驟2 :由表達式
求取相鄰兩個控制周期內直流側的電容能冨巧化冨論孤嫌擊n巧民.未Il田巧鄰控制周期？； 內電容有功功率波動心％為一恒定值J 送些約束關系， 代入等式
，求取第樂個控制周期內單相并 聯型有源電力濾波器吸收的有功功率如(巧； 步驟3:通過數據采集獲得的出肘刻的負載電流.掉)和單相電網電壓心），利用數 字鎖相環形成滯后:Ia炸)和"Ja征)S巧的虛擬量(巧和"j/巧； 步驟4:利用^仲)=%。體)保)+?/巧;￡/巧計算來時刻負載側的瞬時有功功率的化)； 步驟5:采用低通濾波算法獲得&巧)的直流分量運攤)； 步驟6:利用等式
獲得電流 環的給定指令私巧； 步驟7: ^評)與經過低通濾波器采集獲得的杰時刻單相并聯型有源電力濾波器的電流 輸出值;C(巧相減后，進入數字化PI控制器； 步驟8:PI控制器輸出值與^。炸)相減后，形成單相全橋逆變單元的調制信號； 步驟9:由調制信號生成單相全橋逆變單元的驅動脈沖。
[0010] 采用上述本發明的單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法，能夠將APF的控 制結構由傳統的控制電流和電壓的雙環結構變成了只需控制電流的內環結構，因而具有控 制參數設定簡單、系統動態響應速度快和魯棒性強的技術特性。適合實際工程應用中使用。
[0011] 另外，按照上述本發明的單環控制算法，求取補償電流指令的表達式具有實時性 好，準確性好的特點。
【附圖說明】
[0012] 為進一步說明本發明，W下將結合附圖并通過具體實施例，詳細描述上述單相并 聯型有源電力濾波器的單環控制算法，其中， 圖1示出本發明基于單環控制算法的單相并聯型APF的工作原理圖； 圖2示出本發明基于單環控制算法的單相并聯型APF算法一種具體實施例的方框圖。
【具體實施方式】
[OOK]圖1示出本發明基于單環控制算法的單相并聯型APF的工作原理圖。
[0014]如圖1所示，其中的"巧咕分別為單相電網電壓和補償后的單相電網電流，枉為APF 輸出的補償電流遍為非線性負載電流，皆為APF通過計算獲得的補償電流指令，"皮為APF的 直流側電壓。 本領域普通技術人員從單相并聯型APF的工作原理可知，實現單相并聯型APF功能的關 (1) 鍵是獲得與補償電流icffi同的補償電流指令拖，即有 對單相系統構造與單相電路中實際電流和電壓相位差為-V2的虛擬電流和電壓分量， 形成兩相正交媒S坐標系，得：
(2) (3) (4) 其中和U如分別為％在社獲坐標系中的化和#分量；枝和掛分別為"撕幅值和角 頻率。j扣和分別為每在緻坐標系中的叫口齊分量；。和如分別為^在靖坐標系中的和 巧分量；^?為;；中的基波幅值;福為指的幅值;解郝化分別為每的基波分量和;,與"謝相位 差;與為^中的n次諧波幅值;為中的n次諧波與"，的相位差。其中，角頻率是通過單相 PliXPhase locked loop)環節的作用獲得的。
[001引利用PQ變換求取單相電網側和負載側的瞬時有功無功：
(5) (6) 其中，/7巧P g汾別為電網側瞬時有功和瞬時無功功率;/?和W分別為負載側的瞬時有功 和瞬時無功功率。
[0016]考慮到在實際應用中，APF總會存在一些損耗(諸如主回路元器件熱損耗和功率開 關管的損耗），使得APF必須從電網中吸收適當的有功功率，用于穩定直流側電壓。因此在實 際工作狀態下，APF需要補償的功率如下：
(7) 其中，Aa/c為維持APF直流側電壓所必須從單相電網中吸收的有功功率。^(誠)為負載 有功功率的震蕩功率。
[0017]對電網側電流進行PQ反變換求取和^。
[001引
（8) 其中，與挪條過LPF(Low-pass filter)環節作用后得至Ij。巧(脯：)為負載瞬時有功功率 的平均功率。
[0019]最終實際工作狀態下補償電流補償指令為： (9) 圖2示出本發明基于單環控制算法的單相并聯型APF算法一種具體實施例的方框圖，按 照該種實施例，其具體實現步驟如下： 步驟1:通過直流電壓檢測環節，采集相鄰S個控制時刻炸和炸+1)時的單相并聯 型有源電力濾波器直流側電容巧上的電壓值明。保-1)、^腳和&。踩+1); 步驟2 :由表達式
求取相鄰兩個控制周期內直流側的電容能量變化量誠巧電均)和進聊汲后，利用相鄰控制周 期騎內電容有功功率波動心P&-為一恒定值及炸-1) W U& (巧W [/&炸+1) W U三運些約束關 系，代入等;
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十算點肘刻負載側的瞬時有功功率&訴)； 步驟5:采用低通濾波算法獲得站烘)的直流分量攝始； 步驟6:利用等式
獲得電流 環的給定指令^腳； 步驟7:;^巧與經過低通濾波器采集獲得的加寸刻單相并聯型有源電力濾波器的電流 輸出值惟)相減后，進入數字化PI控制器； 步驟8:PI控制器輸出值與^。貨)相減后，形成單相全橋逆變單元的調制信號； 步驟9:由調制信號生成單相全橋逆變單元的驅動脈沖。 按照上述實施例的單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法，由于補償電流指令無 需由常規雙環控制算法中的電壓外環提供，因而在本發明公開的控制算法下，傳統的單相 并聯型有源電力濾波器的電壓和電流雙閉環控制算法，可簡化為只需控制電流的單閉環控 制算法。
【主權項】
1. 一種單相并聯型有源電力濾波器的單環控制算法，依序執行如下步驟： 步驟1:通過直流電壓檢測環節，采集相鄰Ξ個控制時刻戰-1)、棄和化十0時的單相并 聯型有源電力濾波器直流側電容貸上的電壓值步驟2:由表達式ic 取相鄰兩個控制周期內直流側的電容能量變化量盈脈睞半巧郝Ar腳后，利用相鄰控制周 期駕內電容有功功率波動心瑞為一恒定值及^些約束關 系，代入等式求取第皮個控制周期內單相 并聯型有源電力濾波器吸收的有功功率始地蛛)； 步驟3:通過數據采集獲得的帝時刻流過負載電流和單相電網電壓利用數 字鎖相環形成滯后;Ια腳和^腳C褲的虛擬量^做和％/·：巧； 步驟4:利月計算龍肘刻負載側的瞬時有功功率&礦)； 步驟5:采用低通濾波算法獲得要^克)的直流分量瓦炸）； 步驟6:利用等式獲得電流 環的給定指令腳； 步驟7:;'蘭(材與經過低通濾波器采集獲得的忠財刻單相并聯型有源電力濾波器的電流輸 出值W'lb相減后，進入數字化ΡΙ控制器； 步驟8:PI控制器輸出值與uja徒)相減后，形成單相全橋逆變單元的調制信號； 步驟9:由調制信號生成單相全橋逆變單元的驅動脈沖。
【文檔編號】H02J3/01GK105977979SQ201610031321
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年1月18日
【發明人】唐雄民, 方亦超, 陳思哲, 張淼
【申請人】廣東工業大學