CN103414193B - 一种用于有源电力滤波器的全程滑模变结构控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全程滑模变结构控制的三相有源电力滤波器控制器。首先，在直角坐标系下建立三相并联有源电力滤波器主电路模型，得到以三相电流为状态变量的数学模型；其次，通过构造全程滑模面对三相电流进行跟踪补偿，定义相应控制律，使***运动轨迹始终保持在切换超平面上，消除了到达阶段，并通过在控制律中引入与状态有关的时变因子项，改善了***的瞬态性能，克服了未知参数摄动的影响，加强了***的鲁棒性；最后，通过构造开关状态函数得到驱动开关管的PWM信号。本发明采用了全程滑模变结构控制方法，不仅设计简单、易于实现，而且对于***内部参数摄动和外部干扰具有很好的鲁棒性。

Description

一种用于有源电力滤波器的全程滑模变结构控制方法

技术领域

本发明涉及有源电力滤波器(APF)的控制方法，具体采用全程滑模变结构控制方法对有源电力滤波器的电流跟踪进行控制，属于电能质量技术领域。

背景技术

随着电力电子装置的广泛应用，各类非线性负载产生的谐波和无功电流对电网造成了严重影响。有源电力滤波器作为一种抑制谐波的有效措施被广泛研究和应用。并联有源电力滤波器的原理是使变流器产生实时跟踪指令电流i_c ^*的补偿电流i_c，两者大小相等，方向相反，从而使电网侧电流i_s中不含谐波和无功成分。

常见的电流跟踪的控制方法有滞环控制、三角载波控制等。滞环控制具有灵活、响应快、精度较高等优点，但它对于开关频率的要求较高，并且开关频率不固定。三角载波控制的特点是开关频率固定、电路实现简单，但三角载波应用在指令电流中的高频分量时，控制性能有所下降。此外，还有单周控制、无差拍控制、空间矢量控制等方法，但都没得到广泛应用。

目前，有文献报导对有源电力滤波器定常滑模变结构控制进行研究，在对有源电力滤波器建立数学模型的基础上，得出滑模变结构控制的一般控制律，从而使***对参数的变化以及外部干扰具有不灵敏性。另外，响应快速、动态品质良好也是定常滑模控制的突出优点。但是，***只有在滑动阶段才具有鲁棒性及参数不灵敏性，因此有文献报导对全程滑模变结构控制在航空发动机***以及永磁同步电机调速中进行研究，而在有源电力滤波器中尚未见文献报导。该控制方法最突出的优点是使***的运动轨迹一开始就落在滑模面上，能有效地缩短***进入滑模运动状态的时间，避免了定常滑模变结构控制***在到达阶段对扰动灵敏的特性，且其控制率的设计可以改善***的瞬态性能、克服未知参数摄动的影响。

基于此，本发明将全程滑模变结构控制技术应用到并联型有源电力滤波器中，实现对三相电流的跟踪控制。

发明内容

并联型有源电力滤波器(APF)常见的一些电流跟踪控制方法具有相应速度慢、易受自身参数和外界干扰影响等缺点。本发明针对上述现有技术所存在的不足之处，提出了一种基于全程滑模变结构控制的有源电力滤波器控制方法，将其应用于有源电力滤波器，以提高***动态性能和鲁棒性。

具体技术方案如下：

一种用于有源电力滤波器的全程滑模变结构控制方法，包括如下步骤：

（1）通过建立在直角坐标系下并联有源电力滤波器的状态空间数学模型，得到以三相补偿电流为状态变量的数学模型；

（2）设计全程滑模变结构控制器，使状态点的运动轨迹一开始便落在设计好的滑模面上，其中包括全程滑模变结构切换超平面的设计和全程滑态变结构控制律的设计，控制律的设计是将***状态稳定地保持在滑动模态上；当滑模面取值为0时，表示跟踪误差为0，三相补偿电流被完全准确跟踪；

（3）通过构造开关函数得到驱动开关管的PWM信号，使补偿电流快速地跟踪指令电流，使电网电流被补偿为稳定平衡的正弦电流。

所述步骤（2）全程滑模变结构控制器的滑模函数为S(x，t)=Cx-CE(t)x(0)，其中定义全程滑动模态因子为W(t)=CE(t)x(0)，这是一个随时间变化的量，该量在滑模函数中出现，能有效缩短状态点到达滑模态的时间，这里，S(x，t)为滑模切换函数；C为滑动模态参数；E(t)为指数函数；x为状态变量。

所述步骤（2）中为了消除高频振颤，采用如下公式消颤：

$M_i\left(S\right)=\frac{s_i}{\left|\right|S_i\left|\right|+{\mathrm{\δ}}_i},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,m$

其中，M_i(S)为滑模变结构控制律中一项；δ_i为一小正常数，取0.1，S_i表示滑模函数；‖S_i‖对于矩阵而言为诱导范数；m为控制律的维数，这里取值为3。

本发明的控制算法采用TMS320F2812芯片实现。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1）改变了有源电力滤波器的传统电流跟踪控制方法，提出了全程滑模变结构控制方法，使电流偏差为状态变量，受控制器作用始终保持在滑模面滑动，使电流跟踪与APF自身参数变化和外界干扰无关，直接满足APF的不变性要求；

2）本发明设计的全程滑模面与传统的滑模面相比，引入了一个随时间而变化的全程滑动模态因子W(t)，从而使得滑模面S不仅仅是状态变量的显函数，也是时间变量的显函数，即滑模面是时变的，实现了全程滑模，避免了定常滑模变结构控制***在到达阶段对扰动敏感的特性；

3）本发明控制律的设计可以改善***性能、克服未知参数摄动的影响、增强了***鲁棒性。

4）本发明采用合理消颤方法消除了高频振颤。

附图说明

图1为APF***控制的总体框图。

图2为本发明的软件主程序流程图。

图3为本发明的ADC中断子程序流程图。

图4为全程滑模变结构控制器设计。

具体实施方式

以下结合附图对APF电流跟踪进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

本发明以全程滑模变结构控制理论为基础，与其他电流跟踪控制方法相比，该方法除了具有定常滑模控制方法的快速性、稳定性好及对参数摄动和外部干扰不敏感等优点，尤其突出的是，该方法设计的控制律将***状态始终保持在滑模面上，消除了到达阶段，并通过在变结构控制律中引入与状态有关的时变因子项，改善了***的瞬态性能，克服了未知参数摄动的影响，从而大大加强了***的鲁棒性。软件环节由TMS320F2812芯片实现。

具体实现包括以下步骤：

1）建立在‘abc’坐标系下的并联有源电力滤波器的状态空间模型为：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ca}}\\ i_{\mathrm{cb}}\\ i_{\mathrm{cc}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\frac{R_c}{L_c}& 0& 0\\ 0& -\frac{R_c}{L_c}& 0\\ 0& 0& -\frac{R_c}{L_c}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ca}}\\ i_{\mathrm{cb}}\\ i_{\mathrm{cc}}\end{array}\right]+\frac{u_{\mathrm{dc}}}{3L_c}\left[\begin{array}{ccc}-2& 1& 1\\ 1& -2& 1\\ 1& 1& -2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{d}_1\\ d_2\\ d_3\end{array}\right]+\frac{1}{L_c}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sa}}\\ u_{\mathrm{sb}}\\ u_{\mathrm{sc}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：i_ca、i_cb、i_cc为三相补偿电流；d₁、d₂、d₃为三个桥臂的开关状态，d=1表示桥臂上管导通、下管关断，d=0表示桥臂上管关断、下管导通；u_sa、u_sb、u_sc为电源电压；u_dc为直流侧电压；R_c、L_c为主电路输入电阻和电感。

写成矩阵形式为：

$\stackrel{\·}{i}=\mathrm{Ai}+\mathrm{Bu}+G---\left(2\right)$

式中：i=[i_ca,i_cb,i_cc]^T；u=[d₁,d₂,d₃]^T；G=1/L_c[u_sa,u_sb,u_sc]^T；

$A=-\frac{R_c}{L_c}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$ $B=\frac{u_{\mathrm{dc}}}{3L_c}\left[\begin{array}{ccc}-2& 1& 1\\ 1& -2& 1\\ 1& 1& -2\end{array}\right]---\left(3\right)$

2）将误差i_ca-i_ca ^*，i_cb-i_cb ^*和i_cc-i_cc ^*作为滑模控制器的输入状态变量，同时确定全程滑动模态因子W(t)，据此来构造滑模面对三相电流i_ca、i_cb和i_cc进行控制，得到滑模面S_a、S_b和S_c为：

$S=\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]=\mathrm{Cx}-\mathrm{CE}\left(t\right)x\left(0\right)---\left(4\right)$

式中x=[i_ca-i_ca ^*，i_cb-i_cb ^*，i_cc-i_cc ^*]^T，C=[C₁，C₂]^T为滑动模态参数矩阵。

3）当S=0时，跟踪误差为0，i_ca ^*、i_cb ^*和i_cc ^*被完全准确跟踪，定义控制律u_a，u_b和u_c为：

$U=\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]=-g\left(t\right){\left(\mathrm{CB}\right)}^{-1}\mathrm{sgn}\left(S\right)---\left(5\right)$

式中g(t)为需设计的变结构控制系数，g(t)=(1-a₄)^-1[a₁‖x‖+a₂+a₃exp(-β_mint)]+ε，sgn(S)为[-1，1]的符号函数。

4）判断控制律的控制方向，得到u_a ^*、u_b ^*和u_c ^*为：

$u_a^{*}=\mathrm{ksgn}\left(u_a\right)$

$u_b^{*}=\mathrm{ksgn}\left(u_b\right)---\left(6\right)$

$u_c^{*}=\mathrm{ksgn}\left(u_c\right)$

式中k=2.9。

5）为了消除高频振颤，采用消颤方法，用下式代替变结构控制律中的sgn(S)

$M_i\left(S\right)=\frac{s_i}{\left|\right|s_i\left|\right|+{\mathrm{\δ}}_i},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,m---\left(7\right)$

式中δ_i(i=a,b,c)是一个小的正常数，取0.1。

6）获得驱动开关管的PWM信号为：

$d_{s1}=0.5(1+u_a^{*}/k_0),$ d_s4=1-d_s1

$d_{s3}=0.5(1+u_b^{*}/k_0),$ d_s6=1-d_s3  （8）

$d_{s5}=0.5(1+u_c^{*}/k_0),$ d_s2=1-d_s5

式中k₀=2.47。

通过设计，消除了传统滑动模态的趋近阶段，能有效地缩短***到达滑动模态的时间，避免了定常滑态变结构控制***在能达阶段对扰动的灵敏性。由于***状态一开始就处于所设计的切换平面上，因此控制律的设计任务是将***状态可靠地保持在滑动模态上。这一控制律的设计可以有效改善***的瞬态性能、克服未知参数摄动的影响；当APF***中存在参数摄动时，由于全程滑模变结构控制方法对参数摄动和外部干扰不敏感等特点，此时APF***的补偿性能不会受到影响，大大增强了***的鲁棒性；

如图1所示，负载采用全控整流桥，整流器的直流侧为阻感负载，谐波电流检测电路即指令电流运算电路的作用是计算得出补偿电流指令信号，电流跟踪控制电路采用全程滑模变结构控制方法，保证补偿电流跟踪谐波指令信号变化。有源电力滤波器采用全数字化控制方案设计，以TI公司TMS320F2812DSP芯片为核心，辅以相应的外部采样调理电路、三相逆变器及驱动电路等，实现电流信号的采集、调理，谐波和无功电流计算，电流跟踪控制等功能。

控制***主要完成以下功能：

1）采用i_p-i_q谐波电流检测方法，利用TMS320F2812软件编程计算出谐波和无功电流指令值，通过数据总线将计算结果送出，并利用DA转换芯片将基准电流数字信号转变为模拟信号；

2）根据指令电流与实际补偿电流之差设计全程滑模控制器，产生基本的PWM信号，并将该PWM信号经过驱动电路产生控制开关通断的控制信号，从而实现电流跟踪控制。

如图2所示，首先主程序开始，关闭所有外部中断，对***外设及变量进行初始化，并使能外部中断EXINT1，开放全局中断，等待中断，本发明中控制***软件主要完成***控制模块、外设模块初始化以及一些全局变量的定义。

如图3所示，首先进入ADC_ISR入口，读取ADCRESULT值并转换为实际电流值，TMS320F2812的模数转换模块带有一个内置采样和保持的12位转换器，并具有16个模拟转换通道，***信号经过信号预处理装置后接入ADC的模拟量输入通道，在完成模数转换之后，访问ADC存储寄存器。然后依次调用计算谐波指令电流子程序和滑模变结构控制子程序，从而得到PWM信号。

如图4所示，全程滑模变结构控制器设计中利用直角坐标系下的误差分量△i_ca、△i_cb、△i_cc构造滑模面，定义控制律u_a、u_b、u_c，再经过符号判断得到新的控制律u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*，最后，构造驱动开关管的PWM信号。

Claims (3)

1.一种用于有源电力滤波器的全程滑模变结构控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过建立在直角坐标系下并联有源电力滤波器的状态空间数学模型，得到以三相补偿电流为状态变量的数学模型；

(2)设计全程滑模变结构控制器，使状态点的运动轨迹一开始便落在设计好的滑模面上，其中包括全程滑模变结构切换超平面的设计和全程滑态变结构控制律的设计，控制律的设计是将***状态稳定地保持在滑动模态上；所述全程滑模变结构控制器的滑模函数为S(x，t)＝Cx-CE(t)x(0)，其中定义全程滑动模态因子为W(t)＝CE(t)x(0)，这里，S(x，t)为滑模切换函数，C为滑动模态参数，E(t)为指数函数，x为状态变量，x(0)表示在t＝0时刻对应的状态变量x的值，即三相补偿电流和补偿电流指令信号之间的偏差；当滑模面取值为0时，表示跟踪误差为0，三相补偿电流被完全准确跟踪；

(3)通过构造开关函数得到驱动开关管的PWM信号，使补偿电流快速地跟踪指令电流，使电网电流被补偿为稳定平衡的正弦电流。

2.根据权利要求1所述的一种用于有源电力滤波器的全程滑模变结构控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中为了消除高频振颤，采用如下公式消颤：

$M_i\left(S\right)=\frac{s_i}{\left|\right|s_i\left|\right|+{\mathrm{\δ}}_i},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,m$

其中，M_i(S)为滑模变结构控制律中的一项；δ_i为一小正常数，取0.1；S_i表示滑模函数；‖S_i‖对于矩阵而言为诱导范数；m为控制律的维数，m＝3。

3.根据权利要求1所述的一种用于有源电力滤波器的全程滑模变结构控制方法，其特征在于，所述控制方法采用TMS320F2812芯片实现。