CN109119991A - 基于apf重复控制的补偿方法和信息数据处理终端 - Google Patents

基于apf重复控制的补偿方法和信息数据处理终端 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于APF重复控制的补偿方法和信息数据处理终端，属于电网技术领域，用于频率波动的范围是50±0.2Hz的小范围频率波动电网；即针对小范围频率波动补偿，波动范围为：50±0.2Hz，对于超出此范围频率波动不适用，其特征在于，上述补偿方法包括：S1、将重复控制作为APF控制***的电流跟踪控制策略；S2、给APF控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，S3、将该超前补偿步数代入重复控制计算。通过采用上述技术方案，本发明通过对小范围频率波动下APF重复控制的补偿方法和信息数据处理终端，提高APF重复控制精度，从而提高APF补偿精度。

Description

基于APF重复控制的补偿方法和信息数据处理终端
技术领域
本发明属于电网技术领域，尤其涉及一种基于APF重复控制的补偿方法和信息数据处理终端。
背景技术
众所周知，有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)能够有效的治理电网中谐波、无功以及三相不平衡等多种电能质量问题。并联型APF控制***框图如图1所示，APF通过检测负载侧电流信号、电网电压信号、APF发出侧电流信号，将采集的信号进行指令运算，再经过重复控制闭环调节运算的指令，产生PWM信号，通过驱动电路驱动功率单元发出谐波电流，从而达到补偿负载谐波的目的。
具体如下：
画虚线部分为有源电力滤波器的控制***，它通过电压传感器采集电网电压信号(ua，ub，uc)，通过锁相环(PLL)计算出角度θ，分别给帕克(Park) 变换及其反变换使用，通过克拉克(Clarke)变换将电网电压信号从三轴abc静止坐标系变换为两轴αβ静止坐标系信号(uα，uβ)；
其中
通过电压传感器采集直流侧电压信号(udc)，该信号经过PI调节后再经过帕克(Park)反变换得到信号(udcα，udcβ)；
其中
通过电流传感器采集APF发出侧电流(iaf，ibf，icf)；经过克拉克(Clarke) 变换将APF发出侧电流信号从三轴abc静止坐标系变换为两轴αβ静止坐标系信号(iαf，iβf)；
其中
通过电流传感器采集负载侧电流信号(iaL，ibL，icL)，经过克拉克(Clarke) 变换将负载侧电流信号从三轴abc静止坐标系变换为两轴αβ静止坐标系信号 (iαL，iβL)，再经过帕克(Park)变换将负载侧电流信号从静止坐标系变换为dq 旋转坐标系信号(idL，iqL)；idL和iqL分别与其通过低通滤波器(LPF)后的信号作差，所得到的信号再进行帕克反变换为αβ静止坐标系下信号，再分别与udcα， udcβ信号相加，与iαf，iβf信号相减，所得信号经过重复控制计算，再与uα，uβ信号相加，再经过克拉克(Clarke)反变换将负载侧电流信号从两轴αβ静止坐标系变换为三轴abc静止坐标系信号，再经过PWM调制得到驱动信号从而驱动 APF功率单元发出谐波电流。
其中
在APF的电流跟踪控制技术上，重复控制是一种常用的控制方法，它使APF 控制***获得了很好的静态性能，而且易于实现，由于APF的采样频率固定，采样点数也固定，如果电网频率发送变化，则重复控制的前一周期指令和下一周期指令的相位会发生偏移，会使重复控制效果变差。我国电网电压频率的波动范围一般在(50±0.2)Hz，在这种小范围的频率波动下，重复控制精度也会受到一定的影响，从而影响APF的补偿精度。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明通过对小范围频率波动下APF重复控制的补偿方法(本方法只针对小范围频率波动补偿，波动范围为：(50±0.2)Hz，对于超出此范围频率波动不适用)，提高APF重复控制精度，从而提高APF补偿精度；
本发明的另一目的在于提供一种基于APF重复控制的补偿方法，用于频率波动的范围是50±0.2Hz的小范围频率波动电网；上述补偿方法包括：
S1、将重复控制作为APF控制***的电流跟踪控制策略；
S2、给APF控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，
S3、将该超前补偿步数代入重复控制计算。
本发明的工作原理为：
重复控制的基本思想是假定前一周出现的基波波形畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需要的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各周期中出现的重复性畸变。当电网电压频率在小范围波动时，重复控制也会受到一定的影响，其输出随着频率的变化而变化，本方法是给APF 控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，该超前补偿步数是通过锁相环(PLL)计算出当前角度函数，与首个运行周期的角度函数作差得出角度误差，再通过判断角度误差范围与一定的逻辑条件求出，最后将该超前补偿步数代入重复控制计算，使补偿后的重复控制不受小范围频率波动的影响，提高了APF控制***的鲁棒性，并且计算简单，容易实现，在实际工程应用中取得较好的控制效果。
进一步，上述步骤S1具体为：
获取参考信号与输出信号的误差信号E(z)；其中：
Z＝ejωTs＝ej2kπ/N(ω＝2kπ/T，T＝NTs，k∈[0,N/2]，Z-N＝1)；
N为每周期T内的采样次数，且NTs＝T，T为参考信号的基波周期(本方法取T＝20mS)，Ts为离散***的采样周期；
重复控制输出的控制量为U(z)，Q(z)为延时环节中小于1的常数或低通滤波器；G(z)为针对控制对象设计的补偿环节，PID为比例积分微分控制器，d为重复控制的超前补偿步数；
误差信号E(z)和前一个周期的补偿误差信号相加，然后通过传递函数Z-(N-d)Q(Z)和G(Z)与PID的输出信号相加，最终得到控制量U(Z)。
更进一步，N＝250，Q(Z)＝0.98，Ts＝80μs。
进一步，所述步骤S2具体为：
APF控制***运行的第一个周期由锁相环计算出来的角度函数为θ1(t)，APF 控制***运行m时刻后由锁相环计算出来的当前角度函数为θm(t)，具体的锁相环计算方法如下：
设电网AB相之间线电压UAB，且：
UAB＝Usinα，其中：U为UAB的幅值，α为UAB的相位角；
则有：
其中：UCB为电网CB相之间线电压；
当输出角度为θ，则有源电力滤波器的输出虚拟瞬时有功为：
当且仅当即：
时，(1)式为0时，也即PI调节达到稳定状态。
设A相电压的相位角为ωt，由于线电压和相电压的相位角相差30°，则：
当PI调节稳定时，经积分器后输出角度正好为超前A相正序基波分量90°的角度；
θ1(t)和θm(t)两个角度函数是在0°到360°之间变化的周期函数，且周期均为250，且：
Ts＝80μS，ω1＝2πf1，ωm＝2πfm，由于电网频率f1波动到fm，ω1和ωm出现差别，造成θm(t)和θ1(t)也出现差别，第n点时角度误差表达式为：
θerr＝θm(n)-θ1(n。
更进一步，所述步骤S3具体为：
设超前补偿步数为d，α＝360/N＝1.44，APF控制***在重复控制计算之前，先进行各控制参数的初始化，然后计算角度误差θerr，判断当前超前补偿步数是否在5到N-5之间，如果超出该范围则不进行补偿，如果在该范围内则再判断角度误差信号θerr是否在α到10之间，如果在α到10内且误差大于2α；则超前补偿步数在前一周期的基础上加2，否则加1；如果误差信号θerr不在α到10之间，再判断是否在-10和-α之间，如果超出范围则不进行补偿，如果在该范围内且误差小于-2α，则超前补偿步数在前一周期的基础上加2，否则加1；判断超前补偿步数d是否达到采样点数N，如果达到或超出则超前补偿步数则在前一周期的基础上减去250，否则再判断超前补偿步数d是否小于0，如果小于0，则超前补偿步数在前一周期的基础上加250，否则直接代入重复控制计算。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述APF重复控制的补偿方法的计算机程序。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述基于APF重复控制的补偿方法的信息数据处理终端。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述基于APF重复控制的补偿方法。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
通过采用上述技术方案，能使APF控制***中重复控制不受小范围频率波动的影响，提高了APF控制***的鲁棒性，提高重复控制精度和APF补偿精度，并且计算简单，容易实现，在实际工程应用中取得较好的控制效果。
附图说明
图1是传统APF控制***的框图；
图2是本发明优选实施例中APF重复控制的框图；
图3是本发明优选实施例中锁相环计算得出的角度函数图；
图4是本发明优选实施例中超前补偿步数计算流程图；
图5是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50HZ，未采用本专利技术方案时电网侧电流波形图；
图6是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50HZ，采用本专利技术方案时电网侧电流波形图；
图7是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50.2HZ，未采用本专利技术方案时电网侧电流波形图；
图8是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50.2HZ，采用本专利技术方案时电网侧电流波形图；
图9是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50HZ，未采用本专利技术方案时电网侧电流总畸变率柱形图；
图10是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50HZ，采用本专利技术方案时电网侧电流总畸变率柱形图；
图11是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50.2HZ，未采用本专利技术方案时电网侧电流总畸变率柱形图；
图12是在仿真调节下，主要用于显示电网频率为50.2HZ，采用本专利技术方案时电网侧电流总畸变率柱形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图2至图4，一种基于APF重复控制的补偿方法，用于频率波动的范围是50±0.2Hz的小范围频率波动电网；上述补偿方法包括：
S1、将重复控制作为APF控制***的电流跟踪控制策略；
S2、给APF控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，
S3、将该超前补偿步数代入重复控制计算。
重复控制的基本思想是假定前一周出现的基波波形畸变将在下一基波周期的同一时间重复出现，控制器根据给定信号和反馈信号的误差来确定所需要的校正信号，然后在下一个基波周期的同一时间将此信号叠加到原控制信号上，以消除后面各周期中出现的重复性畸变。当电网电压频率在小范围波动时，重复控制也会受到一定的影响，其输出随着频率的变化而变化，本方法是给APF 控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，该超前补偿步数是通过锁相环(PLL)计算出当前角度函数，与首个运行周期的角度函数作差得出角度误差，再通过判断角度误差范围与一定的逻辑条件求出，最后将该超前补偿步数代入重复控制计算，使补偿后的重复控制不受小范围频率波动的影响，提高了APF控制***的鲁棒性，并且计算简单，容易实现，在实际工程应用中取得较好的控制效果。
重复控制框图如图2所示，图中E(z)为APF控制***的参考信号与输出信号的误差信号，U(z)为重复控制输出的控制量，Q(z)通常为延时环节中略小于1 的常数或低通滤波器(本方法取Q(Z)＝0.98)，N为每周期T内的采样次数(本方法取N＝250)，且NTs＝T，T为参考信号的基波周期(本方法取T＝20mS)，Ts为离散***的采样周期(本方法取Ts＝80μS)，G(z)为针对控制对象设计的补偿环节，PID为比例积分微分控制器，d为重复控制的超前补偿步数。
其中Z＝ejωTs＝ej2kπ/N(ω＝2kπ/T，T＝NTs，k∈[0,N/2]，Z-N＝1)
E(z)通过一个加法器和前一个周期的补偿误差信号相加，再通过传递函数 Z-(N-d)Q(Z)和G(Z)与PID的输出信号相加，得到U(Z)。
如图3所示，θ1(t)为APF控制***运行的第一个周期由锁相环(PLL)计算出来的角度函数，θm(t)为APF控制***运行m时刻后由锁相环(PLL)计算出来的当前角度函数，具体的锁相环(PLL)计算方法如下：
设电网AB相之间线电压UAB，且：
UAB＝Usinα，其中：U为UAB的幅值，α为UAB的相位角；
则有：
其中：UCB为电网CB相之间线电压；
当输出角度为θ，则有源电力滤波器的输出虚拟瞬时有功为：
当且仅当即：
时，(1)式为0时，也即PI调节达到稳定状态。
设A相电压的相位角为ωt，由于线电压和相电压的相位角相差30°，则：
因此，当PI调节稳定时，经积分器后输出角度正好为超前A相正序基波分量90°的角度。
θ1(t)、θm(t)这两个角度函数是在0°到360°之间变化的周期函数，且周期均为250，且：
TS＝80μS，ω1＝2πf1，ωm＝2πfm，由于电网频率f1波动到fm，ω1和ωm出现差别，造成θm(t)和θ1(t)也出现差别，第n点时角度误差表达式为：
θerr＝θm(n)-θ1(n)
如图4所示，d为超前补偿步数，α＝360/N＝1.44，APF控制***在重复控制计算之前，先进行各控制参数的初始化，然后开始计算角度误差θerr，判断当前超前补偿步数是否在5到N-5之间，如果超出该范围则不进行补偿，如果在该范围内则再判断角度误差信号θerr是否在α到10之间，如果在该范围内且误差较大(大于2α)则超前补偿步数在前一周期的基础上加2，否则加1；如果误差信号θerr不在α到10之间再判断是否在-10和-α之间，如果超出范围则不进行补偿，如果在该范围内且误差较大(小于-2α)则超前补偿步数在前一周期的基础上加2，否则加 1；判断超前补偿步数d是否达到采样点数N(N＝250)，如果达到或超出则超前补偿步数则在前一周期的基础上减去250，否则再判断超前补偿步数d是否小于0，如果小于0，则超前补偿步数在前一周期的基础上加250，否则直接代入重复控制计算。
如图5至图12所示，分别对50Hz和50.2Hz电网频率下进行有源电力滤波器谐波治理仿真，通过仿真发现，在50Hz电网频率下该方法效果不明显，其总谐波畸变率(THD)分别为4.71％和4.63％；但在50.2Hz电网频率下，该方法效果非常明显，未用该方法的总谐波畸变率(THD)为12.03％，电流波形畸变非常严重，而用该方法补偿的总谐波畸变率(THD)为5.75％，大幅度降低了由于电网频率波动引起的波形失真，提高了APF的补偿精度。
一种基于上述APF重复控制的补偿方法的计算机程序。上述APF重复控制的补偿方法用于频率波动的范围是50±0.2Hz的小范围频率波动电网；上述补偿方法包括：
S1、将重复控制作为APF控制***的电流跟踪控制策略；
S2、给APF控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，
S3、将该超前补偿步数代入重复控制计算。
一种实现上述基于APF重复控制的补偿方法的信息数据处理终端。上述 APF重复控制的补偿方法用于频率波动的范围是50±0.2Hz的小范围频率波动电网；上述补偿方法包括：
S1、将重复控制作为APF控制***的电流跟踪控制策略；
S2、给APF控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，
S3、将该超前补偿步数代入重复控制计算。
一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述基于APF重复控制的补偿方法。上述APF重复控制的补偿方法用于频率波动的范围是50±0.2Hz的小范围频率波动电网；上述补偿方法包括：
S1、将重复控制作为APF控制***的电流跟踪控制策略；
S2、给APF控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，
S3、将该超前补偿步数代入重复控制计算。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于APF重复控制的补偿方法，用于频率波动的范围是50±0.2Hz的小范围频率波动电网；其特征在于，上述补偿方法包括：
S1、将重复控制作为APF控制***的电流跟踪控制策略；
S2、给APF控制***一个与频率波动相关的超前补偿步数作为补偿，
S3、将该超前补偿步数代入重复控制计算。
2.根据权利要求1所述基于APF重复控制的补偿方法，其特征在于，所述超前补偿步数是通过锁相环计算出的当前角度函数与首个运行周期的角度函数作差得出角度误差，再通过判断角度误差范围与一定的逻辑条件求出。
3.根据权利要求1所述基于APF重复控制的补偿方法，其特征在于，上述步骤S1具体为：
获取参考信号与输出信号的误差信号E(z)；其中：
Z＝ejωTs＝ej2kπ/N(ω＝2kπ/T，T＝NTs，k∈[0,N/2]，Z-N＝1)；
N为每周期T内的采样次数，且NTs＝T，T为参考信号的基波周期(本方法取T＝20mS)，Ts为离散***的采样周期；
重复控制输出的控制量为U(z)，Q(z)为延时环节中小于1的常数或低通滤波器；G(z)为针对控制对象设计的补偿环节，PID为比例积分微分控制器，d为重复控制的超前补偿步数；
误差信号E(z)和前一个周期的补偿误差信号相加，然后通过传递函数Z-(N-d)Q(Z)和G(Z)与PID的输出信号相加，最终得到控制量U(Z)。
4.根据权利要求3所述基于APF重复控制的补偿方法，其特征在于，N＝250，Q(Z)＝0.98，Ts＝80μs。
5.根据权利要求2所述基于APF重复控制的补偿方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
APF控制***运行的第一个周期由锁相环计算出来的角度函数为θ1(t)，APF控制***运行m时刻后由锁相环计算出来的当前角度函数为θm(t)，具体的锁相环计算方法如下：
设电网AB相之间线电压UAB，且：
UAB＝Usinα，其中：U为UAB的幅值，α为UAB的相位角；
则有：
其中：UCB为电网CB相之间线电压；
当输出角度为θ，则有源电力滤波器的输出虚拟瞬时有功为：
当且仅当即：
时，(1)式为0时，也即PI调节达到稳定状态。
设A相电压的相位角为ωt，由于线电压和相电压的相位角相差30°，则：
当PI调节稳定时，经积分器后输出角度正好为超前A相正序基波分量90°的角度；
θ1(t)和θm(t)两个角度函数是在0°到360°之间变化的周期函数，且周期均为250，且：
TS＝80μS，ω1＝2πf1，ωm＝2πfm，由于电网频率f1波动到fm，ω1和ωm出现差别，造成θm(t)和θ1(t)也出现差别，第n点时角度误差表达式为：
θerr＝θm(n)-θ1(n)。
6.根据权利要求5所述基于APF重复控制的补偿方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
设超前补偿步数为d，α＝360/N＝1.44，APF控制***在重复控制计算之前，先进行各控制参数的初始化，然后计算角度误差θerr，判断当前超前补偿步数是否在5到N-5之间，如果超出该范围则不进行补偿，如果在该范围内则再判断角度误差信号θerr是否在α到10之间，如果在α到10内且误差大于2α；则超前补偿步数在前一周期的基础上加2，否则加1；如果误差信号θerr不在α到10之间，再判断是否在-10和-α之间，如果超出范围则不进行补偿，如果在该范围内且误差小于-2α，则超前补偿步数在前一周期的基础上加2，否则加1；判断超前补偿步数d是否达到采样点数N，如果达到或超出则超前补偿步数则在前一周期的基础上减去250，否则再判断超前补偿步数d是否小于0，如果小于0，则超前补偿步数在前一周期的基础上加250，否则直接代入重复控制计算。
7.一种实现权利要求1～6任意一项所述基于APF重复控制的补偿方法的计算机程序。
8.一种实现权利要求1～6任意一项所述基于APF重复控制的补偿方法的信息数据处理终端。
9.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-6任意一项所述的基于APF重复控制的补偿方法。
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