CN107394779B - 一种微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法，谐波电流检测环节采用特定次谐波陷波器和低通滤波器的组合滤波器，特定次谐波陷波器滤除低次谐波，低通滤波器频带较宽，滤除高次谐波，有效解决传统滤波器的带宽和响应时间上的矛盾。电流控制环节在dq同步旋转坐标系下，将基波电流与谐波电流分开控制，解决了变负载时直流侧电压下跌的问题。控制策略交流侧电流、直流侧电压均具有较好的动态响应和稳定性，适用于微电网有源电力滤波器。本发明提供了一种谐波检测速度较快、动态性能较好的微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及有源电力滤波器控制技术领域，具体涉及微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法。
背景技术
微电网中诸如开关电源、电机调速器等非线性负载的广泛使用，会向其注入大量的谐波和无功电流。微电网容量相对较小，电能质量易受影响，造成其他电子设备工作异常。有源电力滤波器以其能补偿多种非线性负载引入的谐波电流而成为研究热点。
有源电力滤波器的主拓扑为电压源变流器，它能产生与谐波电流幅值相等方向相反的电流，使得并网点前的电流只有基波部分。为了实现这个功能，需要对有源电力滤波器采取适当的控制，其控制***主要分为两大环节：谐波电流的检测和补偿电流的产生。由于补偿电流并不是正弦波，稍有补偿不精确的时候，不但起不到效果，反而会向微电网注入新的谐波，因此以上两环节的设计至关重要。在谐波电流检测上，传统方法采用截止频率较低的低通滤波器，虽然能基本滤除交流分量，但会给检测带来较大延时。采用自适应频率跟踪和基波提取的算法，在网侧频率波动时对滤波器系数进行实时修正，但需要预估网侧频率，存在一定误差。在补偿电流产生的控制策略上，传统控制策略将谐波电流指令与基波电流指令相加后一起控制，这样虽然控制器设计起来比较简单，但在负载波动时会引起直流侧电压较大的波动，动态性能差。在α/β坐标系下采用比例谐振控制器，每次谐波均需要一个谐振控制器，当要滤除的谐波较多时，多个谐振控制器并联，控制器阶数较高，不利于***稳定。采用比例积分谐振控(PIR)制器，其实质为比例积分控制和准谐振控制的结合，但准谐振控制器与谐振控制器相比参数较多，给调试设计带来不便。
因此，需要提供一种有效的控制策略，满足较快的谐波检测速度和较好的动态性能。
发明内容
为了克服已有微电网有源电力滤波器控制方式的谐波检测速度较慢、动态性能较差的不足，本发明提供了一种谐波检测速度较快、动态性能较好的微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法，包括以下步骤：
a.获取非线性负载侧三相谐波电流iL,abc和有源电力滤波器的输出三相电流iF,abc以及网侧三相电压eabc。
b.对步骤a得到的值进行同步旋转坐标dq变换得到d轴谐波电流idL、q轴谐波电流iqL和有源电力滤波器输出d轴电流idF、q轴电流iqF以及网侧d轴电压ed、q轴电压eq。
c.根据上一步得到的d轴谐波电流idL和q轴谐波电流iqL，通过谐波分离算法，得到谐波电流参考指令
和q轴谐波电流参考指令
d.电压外环的输出值
作为电流内环d轴有功功率的参考值，并结合谐波电流参考值
和
通过改进型谐振控制器得到空间矢量调制器的输入值ud和uq。
e.通过空间矢量调制器得到空间矢量调制波，控制功率器件开关动作。
进一步，所述步骤c中，所述谐波分离算法的过程为：
选取非线性负载侧d轴谐波电流idL和q轴谐波电流iqL作为输入量，定义
式中，
为idL的直流分量，
为idL的各次谐波的交流分量；idL通过组合滤波器得到
将idL减去
即可得到***d轴负载谐波电流参考指令
其中，组合滤波器为低通滤波器和特定次谐波陷波器，表达式为
式中，ωc为低通滤波器的截止频率，ωs为基波频率，ζp为阻尼比，h为需要滤除的谐波次数，通过该组合滤波器得到d轴和q轴的信号
再进一步，所述步骤d中，所述改进型谐振控制器可分为基波电流控制和谐波电流控制，过程为：
基波电流控制设计，其参考值为电压外环的输出值
通过PI(比例积分)控制器，令其输出值为
其中，GPI为PI调控制器，其表达式为
式中，KIP为比例系数，KII为积分系数；
谐波电流控制设计，其参考值为谐波电流参考指令
通过VR(矢量谐振)控制器，令其输出值为
其中，GVR为VR调节器，其表达式为
式中，KPh、KIh为谐振控制系数，用以补偿***的极点，ωs为基波频率；
上述得到空间矢量的输入值ud的表达式为ud＝ed+ωLiqF-idPI-idVR，式中，ed为网侧电压d轴分量，ωLiqF为d轴前馈解耦量；同理得ud的表达式为uq＝eq-ωLidF-iqPI-iqVR，式中，ed为网侧电压d轴分量，ωLidF为q轴前馈解耦量。
更进一步，所述步骤d中，由步骤c得到的输入值ud和uq，经过空间矢量调制得到6路空间矢量调制波，控制所述有源电力滤波器的开关动作。
本发明采用谐波电流检测环节采用陷波器与低通滤波器组合的新型谐波分离算法，电流控制环节在dq坐标系下采用改进型谐振控制器。
本发明的有益效果主要表现在：1.通过新型低通滤波器和特定次谐波陷波器组合的谐波检测算法，有效解决传统滤波器的带宽和响应时间的矛盾；2.通过电流内环基波电流与谐波电流分开控制，保证了直流侧电压的快速响应和稳定性。
附图说明
图1为本发明的新型谐波检测方法框图。
图2为本发明的改进型谐振控制器框图。
图3为本发明的微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法，包括以下步骤：
a.获取非线性负载侧三相谐波电流iL,abc和有源电力滤波器的输出三相电流iF,abc以及网侧三相电压eabc。
b.对步骤a得到的值进行同步旋转坐标dq变换得到d轴谐波电流idL、q轴谐波电流iqL和有源电力滤波器输出d轴电流idF、q轴电流iqF以及网侧d轴电压ed、q轴电压eq。
c.根据上一步得到的d轴谐波电流idL和q轴谐波电流iqL，通过谐波分离算法，得到谐波电流参考指令
和q轴谐波电流参考指令
d.电压外环的输出值
作为电流内环d轴有功功率的参考值，并结合谐波电流参考值
和
通过改进型谐振控制器得到空间矢量调制器的输入值ud和uq。
e.通过空间矢量调制器得到空间矢量调制波，控制功率器件开关动作。
进一步，所述步骤c中，所述谐波分离算法的过程为：
选取非线性负载侧d轴谐波电流idL和q轴谐波电流iqL作为输入量，定义
式中，
为idL的直流分量，
为idL的各次谐波的交流分量；idL通过组合滤波器得到
将idL减去
即可得到***d轴负载谐波电流参考指令
其中，组合滤波器为低通滤波器和特定次谐波陷波器，表达式为
式中，ωc为低通滤波器的截止频率，ωs为基波频率，ζp为阻尼比，h为需要滤除的谐波次数，通过该组合滤波器得到d轴和q轴的信号
再进一步，所述步骤d中，所述改进型谐振控制器可分为基波电流控制和谐波电流控制，过程为：
基波电流控制设计，其参考值为电压外环的输出值
通过PI(比例积分)控制器，令其输出值为
其中，GPI为PI调控制器，其表达式为
式中，KIP为比例系数，KII为积分系数；
谐波电流控制设计，其参考值为谐波电流参考指令
通过VR(矢量谐振)控制器，令其输出值为
其中，GVR为VR调节器，其表达式为
式中，KPh、KIh为谐振控制系数，用以补偿***的极点，ωs为基波频率；
上述得到空间矢量的输入值ud的表达式为ud＝ed+ωLiqF-idPI-idVR，式中，ed为网侧电压d轴分量，ωLiqF为d轴前馈解耦量；同理得ud的表达式为uq＝eq-ωLidF-iqPI-iqVR，式中，ed为网侧电压d轴分量，ωLidF为q轴前馈解耦量。
更进一步，所述步骤d中，由步骤c得到的输入值ud和uq，经过空间矢量调制得到6路空间矢量调制波，控制所述有源电力滤波器的开关动作。
本实例以5KVA有源电力滤波器测试平台为例分析。本发明包括如下步骤：
步骤1，通过传感器采集非线性负载侧三相谐波电流iL,abc和有源电力滤波器的输出三相电流iF,abc以及网侧三相电压eabc。进行dq变换后得到对应的d轴分量idL，idF，ed和q轴分量iqL，iqF，eq。
步骤2，如图1所示，选取idL和iqL作为输入量，定义
idL、iqL通过组合滤波器
得到
将idL减去
iqL减去
即可得到***d轴负载谐波电流参考指令
和q轴负载谐波电流参考指令
步骤3，如图2所示，基波电流参考值为电压外环的输出值i* dF，通过PI(比例积分)控制器
得到其输出值为
谐波电流控制参考值为步骤2得到的d轴谐波电流参考指令
通过VR(矢量谐振)控制器
得到输出值为
综合上述得到空间矢量的输入值ud的表达式为ud＝ed+ωLiqF-idPI-idVR。类似可得uq的表达式为uq＝eq-ωLidF-iqPI-iqVR。
步骤4，以步骤3得到的ud和uq经过空间矢量调制得到6路空间矢量调制波，控制所述有源电力滤波器的开关动作。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.获取非线性负载侧三相谐波电流iL,abc和有源电力滤波器的输出三相电流iF,abc以及网侧三相电压eabc；
b.对步骤a得到的值进行同步旋转坐标dq变换得到d轴谐波电流idL、q轴谐波电流iqL和有源电力滤波器输出d轴电流idF、q轴电流iqF以及网侧d轴电压ed、q轴电压eq；
c.根据上一步得到的d轴谐波电流idL和q轴谐波电流iqL，通过谐波分离算法，得到d轴谐波电流参考指令
和q轴谐波电流参考指令
d.电压外环的输出值
作为电流内环d轴有功功率的参考值，并结合谐波电流参考值
和
通过改进型谐振控制器得到空间矢量调制器的输入值ud和uq；
e.通过空间矢量调制器得到空间矢量调制波，控制功率器件开关动作；
所述步骤c中，所述谐波分离算法的过程为：
选取非线性负载侧d轴谐波电流idL和q轴谐波电流iqL作为输入量，定义
式中，
为idL的直流分量，
为idL的各次谐波的交流分量；idL通过组合滤波器得到
将idL减去
即可得到***d轴负载谐波电流参考指令
其中，组合滤波器为低通滤波器和特定次谐波陷波器，表达式为
式中，ωc为低通滤波器的截止频率，ωs为基波频率，ζp为阻尼比，h为需要滤除的谐波次数，通过该组合滤波器得到d轴和q轴的信号
2.如权利要求1所述的一种微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法，其特征在于：所述步骤d中，所述改进型谐振控制器可分为基波电流控制和谐波电流控制，过程为：
基波电流控制设计，其参考值为电压外环的输出值
通过PI控制器，令其输出值为
其中，GPI为PI调控制器，其表达式为
式中，KIP为比例系数，KII为积分系数；
谐波电流控制设计，其参考值为谐波电流参考指令
通过VR控制器，令其输出值为
其中，GVR为VR调节器，其表达式为
式中，KPh、KIh为谐振控制系数，用以补偿***的极点，ωs为基波频率；
上述得到空间矢量的输入值ud的表达式为ud＝ed+ωLiqF-idPI-idVR，式中，ed为网侧电压d轴分量，ωLiqF为d轴前馈解耦量；同理得uq的表达式为uq＝eq-ωLidF-iqPI-iqVR，式中，eq为网侧电压q轴分量，ωLidF为q轴前馈解耦量。
3.如权利要求1所述的一种微电网有源电力滤波器动态性能优化控制方法，其特征在于：所述步骤d中，由步骤c得到的输入值ud和uq，经过空间矢量调制得到6路空间矢量调制波，控制所述有源电力滤波器的开关动作。
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