CN115453855A - 一种针对lcl型apf的重复控制补偿器的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，首先分析控制对象的性质，得到控制对象的谐振峰值和谐振频率；进一步的根据控制对象的谐振峰值和谐振频率，设计所需要的陷波器；进一步的分析加入陷波器后的控制对象的性质，设计对应的低通滤波器，低通滤波器的加入仅仅为了获得较好的高频衰减特性；最后根据实际实验效果调整相位补偿环节的k值，至此重复控制补偿器设计完成。通过对APF控制***的分析，简单明了的给出了通用的重复控制补偿器的设计方法，此方法可以降低APF并网电流THD，大大改善并网电流质量。
Description
技术领域
本发明涉及APF控制***技术领域，具体为一种重复控制***补偿器设计方法。
背景技术
随着经济的迅速发展，非线性负载给电网在注入大量谐波，造成电网电压或者电流波形发生畸变。随着电网谐波源增多，电能质量不断下降，线路损耗增加，电网***的安全性和稳定性下降。在众多谐波治理方案中，有源电力滤波器(APF)是谐波补偿的高效装置。APF具有较好的动态特性和补偿性能。
为了使APF能更好发挥其治理谐波的能力，电流设计方法就成了重中之重。为了满足对非线性负载谐波补偿的要求，要求APF的补偿范围要大于25次谐波，一般设置APF补偿次数为2-50次谐波。APF输出电流的跟踪目标为负载谐波电流。当负载电流含有丰富的高次谐波，各次谐波叠加时，参考电流变化率较大，要求电流控制器较快的动态响应。常见的P I控制器不能实现对目标电流的无静差跟踪。基于内模原理，重复控制可以实现对各次谐波电流的无静差跟踪，但是重复控制的动态响应较慢，增加并网电流THD，大大降低了并网电流质量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，通过对APF控制***的分析，给出了通用的重复控制补偿器的设计方法，此方法可以降低并网电流THD，大大改善并网电流质量。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
S1、构建基于LCL型APF的电流环控制模型；
S2、对被控对象进行分析，得出谐振峰的高度和谐振频率；
S3、根据被控对象的谐振峰高度和谐振频率设计相应的陷波器，分析加入陷波器后的被控对象频域特性，设计对应的低通滤波器，低通滤波器的加入为了获得较好的高频衰减特性，如果此时被控对象具有较好的高频衰减特性，则可以不加入低通滤波器；反之，则需要加入低通滤波器；
S4、加入相位补偿环节zk，至此重复控制补偿器设计完成，k为正整数，k值根据实际实验效果来确定。
进一步地，所述构建基于LCL型APF的电流环控制模型包括：实际电流与给点电流做差后，经过电流控制器，电流控制器由PI与重复控制器并联组成，电流控制器的输出经过逆变器等效比例环节和LCL滤波器输出补偿电流。
进一步地，电流控制器由PI与重复控制器并联组成，电流控制器决定了APF跟踪目标电流的好坏，重复控制器的核心为补偿器。
进一步地，重复控制器的核心为补偿器，补偿器的表达式如下：
C(z)＝Gtrap(z)Gl(z)zk
其中Gtrap(z)为陷波器，Gl(z)为低通滤波器，zk为相位补偿环节，具体步骤如下：
首先给出陷波器Gtrap(z)的设计步骤，本发明所采用的陷波器表达式为：
其中ωn为陷波频率，ξ1、ξ2为陷波系数，S为拉普拉斯函数中的复数变量；
定义陷波频率为ωn，陷波深度为depth，陷波宽度为Bw
进一步的Bw＝2πΔf，Δf为陷波频率宽度；
进一步的
ξ2＝depthξ1
陷波器设计完成。
进一步地，
所述的低通滤波器的表达式为：
其中ωc为截至频率，取较接近控制对象谐振频率，S为拉普拉斯函数中的复数变量，ξ为阻尼比，取0.707。
进一步地，所述S4中的补偿器包括底板和下端开口的壳体，所述壳体的两端连接有若干根螺栓插接柱，所述底板和壳体的壳口之间共同连接有组装机构；
所述组装机构包括支撑框，所述支撑框固定连接在底板的上端，所述支撑框和壳体之间共同连接有散热组件，所述支撑框的外框壁上对称开设有传动槽，所述传动槽的槽底通过弹簧连接有定位块，所述壳体对应定位块的内壳壁上开设有定位槽，所述定位块远离弹簧的一端插设在定位槽内，所述定位块和底板之间共同连接有驱动件。
进一步地，所述底板的两侧对称连接有固定耳，所述固定耳开设有固定孔。
进一步地，所述驱动件包括驱动块，所述驱动块连接在定位块靠近弹簧一端位置的下端，所述底板上对应驱动块的位置开设有驱动槽，所述传动槽的槽壁和驱动槽的槽底之间共同开设有长条形的滑槽，所述驱动块远离定位块的一端穿过滑槽并向驱动槽内延伸；所述驱动块远离定位块的一端连接有驱动柄。
进一步地，位于所述支撑框内的底板上安装有电路板。
进一步地，所述散热组件包括散热板，所述散热板滑动连接在支撑框的上端，所述散热板的框壁倾斜设置，所述壳体的内壳壁上连接有框型的密封圈，所述密封圈形变活动挤压设置在散热板的外框壁上，且所述散热板上设有若干个通孔，所述支撑框上设有散热孔，且散热板与支撑框之间滑动连接，连接在电路板上的散热板由热胀冷缩材料制作，通过通孔与散热孔之间的连通实现散热。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提出的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，设计步骤简单，对于使用LCL滤波器的APF而言，只需要得知控制对象的谐振尖峰和谐振频率就可以直接带入上述设计步骤，设计出满足要求的补偿器，大大改善了APF对谐波电流的跟踪。且由于加入陷波器后具有较好的高频衰减特性，故可以不加入低通滤波器，降低并网电流THD，大大改善并网电流质量。
(2)本发明提出的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，当补偿器出现故障时，电路板长期过电压或过电流运行、电网存在谐波时。会导致补偿器运行时温度过高，还有可能导致补偿器接线端子烧毁、鼓包等现象，影响电力***的稳定运行，此时，散热板受热膨胀使两边的散热板向两边伸展，散热板的伸展使通孔与散热孔之间连通，及时将内部的热量排出，同时，散热板能够起到很好的散热效果，防止内部零部件进步的烧毁。在正常使用过程中通孔与散热孔错开，防止外部灰尘进入到补偿器内部。
附图说明
图1为本发明提出的APF的PI+重复控制的控制框图；
图2为本发明实施例所公开的一种采用LCL滤波的APF控制对象的伯德图；
图3为本发明实施例所公开的一种采用LCL滤波的APF控制对象加入补偿器后的伯德图；
图4为本发明实施例所公开的一种采用LCL滤波的APF未加入补偿器时的并网电流波形；
图5为本发明实施例所公开的一种采用LCL滤波的APF加入补偿器时的并网电流波形；
图6为本发明提出的一种补偿器的立体示意图；
图7为本发明提出的一种补偿器的部分结构示意图；
图8为图7中A部分的放大图；
图9为本发明提出的一种补偿器中壳体和密封圈连接部分示意图；
图10为本发明提出的一种补偿器中散热板示意图；
图中：1、底板；2、壳体；3、螺栓插接柱；4、支撑框；41、散热孔；5、传动槽；6、弹簧；7、定位块；8、密封圈；9、定位槽；10、固定耳；11、固定孔；12、驱动块；13、驱动槽；14、滑槽；15、驱动柄；16、散热板；161、通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图5，一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：
首先建立含有LCL滤波器的控制***的传递函数。APF电流环控制框图如图1所示；
S1、构建基于LCL型APF的电流环控制模型；
采集APF网侧的并网电流io；
将所述并网电流io电与给定电流i ref做差，然后经过PI控制与重复控制输出相加，作用在APF的LCL滤波器中得到并网电流值。则APF控制***的闭环传递函数为：
N为一个信号周期的采样次数，Q是小于1的积分衰减系数，K为调制信号传送到APF输出桥臂之间的输出电压增益。z-N为延时环节，Gpi(z)为电流环控制函数，GLCL(z)为LCL滤波器的等效传递函数，C(z)为重复控制***的补偿环节。
S2、对被控对象进行分析，得出谐振峰的高度和谐振频率；
S3、根据被控对象的谐振峰高度和谐振频率设计相应的陷波器，分析加入陷波器后的被控对象频域特性，设计对应的低通滤波器，低通滤波器的加入为了获得较好的高频衰减特性，如果此时被控对象具有较好的高频衰减特性，则可以不加入低通滤波器；反之，则需要加入低通滤波器；
S4、加入相位补偿环节zk，至此重复控制补偿器设计完成，k为正整数，k值根据实际实验效果来确定。
具体如下：
首先对分析控制对象的性质，对于采用电容串联电阻的LCL滤波器的APF来说，重复控制对象为LCL滤波器。控制对象的伯德图如图2所示：
分析伯德图可知，控制对象存在谐振尖峰，此谐振尖峰会大大影响APF对负载谐波的补偿效果，使得并网电流THD较高。为了消除此谐振尖峰，常规的做法是在重复控制***中加入补偿器，补偿器表达式如下所示：
C(z)＝Gtrap(z)Gl(z)zk
其中Gtrap(z)为陷波器，Gl(z)为低通滤波器，zk为相位补偿环节。
首先给出陷波器Gtrap(z)的设计步骤，本发明所采用的陷波器表达式为：
其中ωn为陷波频率，ξ1、ξ2为陷波系数，S为拉普拉斯函数中的复数变量。
定义陷波频率为ωn，陷波深度为depth，陷波宽度为Bw
进一步的Bw＝2πΔf，Δf为陷波频率宽度。
进一步的
ξ2＝depthξ1
陷波器设计完成。
给出加入陷波器后的控制对象的伯德图，如下图3所示：
可以看出此时控制对象的谐振尖峰已经被消除。
下面给出低通滤波器的表达式为：
其中ωc为截至频率，取较接近控制对象谐振频率，S为拉普拉斯函数中的复数变量。ξ为阻尼比，取0.707。
低通滤波器的作用是为了使控制对象获得较高的高频衰减特性。实际实验过程中，若加入陷波器后，控制对象已经具有较高的高频衰减特性，则可以不加入低通滤波器。
相位补偿环节zk是为了使在***带宽2.5kHz以下，控制对象的相位基本为0。k值通过实际实验获得，图4为本发明实施例所公开的一种采用LCL滤波的APF未加入补偿器时的并网电流波形；图5为本发明实施例所公开的一种采用LCL滤波的APF加入补偿器时的并网电流波形。通过加入补偿器，电流平稳，使并入电网的电流平稳。
同时，如图6-10所示，所述S4中的补偿器包括底板1和下端开口的壳体2，所述壳体2的两端连接有若干根螺栓插接柱3，所述底板1和壳体2的壳口之间共同连接有组装机构；
所述组装机构包括支撑框4，所述支撑框4固定连接在底板1的上端，所述支撑框4和壳体2之间共同连接有散热组件，所述支撑框4的外框壁上对称开设有传动槽5，所述传动槽5的槽底通过弹簧6连接有定位块7，所述壳体2对应定位块7的内壳壁上开设有定位槽9，所述定位块7远离弹簧6的一端插设在定位槽9内，所述定位块7和底板1之间共同连接有驱动件。
所述底板1的两侧对称连接有固定耳10，所述固定耳10开设有固定孔11。
所述驱动件包括驱动块12，所述驱动块12连接在定位块7靠近弹簧6一端位置的下端，所述底板1上对应驱动块12的位置开设有驱动槽13，所述传动槽5的槽壁和驱动槽13的槽底之间共同开设有长条形的滑槽14，所述驱动块12远离定位块7的一端穿过滑槽14并向驱动槽13内延伸；所述驱动块12远离定位块7的一端连接有驱动柄15，通过对驱动柄15进行施力的方式，从而便于推动驱动块12进行移动。
位于所述支撑框4内的底板1上安装有电路板。
所述散热组件包括散热板16，所述散热板16滑动连接在支撑框4的上端，所述散热板16的框壁倾斜设置，所述壳体2的内壳壁上连接有框型的密封圈8，所述密封圈8形变活动挤压设置在散热板16的外框壁上，且所述散热板16上设有若干个通孔161，所述支撑框4上设有散热孔41，且散热板16与支撑框4之间滑动连接，连接在电路板上的散热板16由热胀冷缩材料制作，通过通孔161与散热孔41之间的连通实现散热；当补偿器出现故障时，电路板长期过电压或过电流运行、电网存在谐波时。会导致补偿器运行时温度过高，还有可能导致补偿器接线端子烧毁、鼓包等现象，影响电力***的稳定运行，此时，散热板16受热膨胀使两边的散热板16向两边伸展，散热板16的伸展使通孔161与散热孔41之间连通，及时将内部的热量排出，同时，散热板16能够起到很好的散热效果，防止内部零部件进步的烧毁。在正常使用过程中通孔161与散热孔41错开，防止外部灰尘进入到补偿器内部。
使用过程中，通过***到定位槽9内的定位块7，将底板1和壳体2固定连接在一起，当需要将底板1从壳体2的壳口进行拆装时，单手两根手指对两块驱动块12施加相向的压力，两块驱动块12做相向运动时带动两块定位块7压缩两根弹簧6，将两块定位块7从两个定位槽9中拉出，随后即可对底板1进行相应的拆装取放，对底板1和壳体2之间进行便捷的连接，两者之间配合度好，且连接稳定。当底板1安装在壳体2的壳口上的同时，支撑框4上的散热板16同步向上运动***到密封圈8内，散热板16的外框壁对密封圈8的内圈壁施加挤压力，使得密封圈8发生形变的同时，内圈挤压在散热板16的外框壁上，保证了两者之间的密封性，无需再使用密封胶浇筑，避免密封胶进入壳体2内影响产品质量。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
S1、构建基于LCL型APF的电流环控制模型；
S2、对被控对象进行分析，得出谐振峰的高度和谐振频率；
S3、根据被控对象的谐振峰高度和谐振频率设计相应的陷波器，分析加入陷波器后的被控对象频域特性，设计对应的低通滤波器，低通滤波器的加入为了获得较好的高频衰减特性，如果此时被控对象具有较好的高频衰减特性，则可以不加入低通滤波器；反之，则需要加入低通滤波器；
S4、加入相位补偿环节zk，至此重复控制补偿器设计完成，k为正整数，k值根据实际实验效果来确定。
2.根据权利要求1所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，所述构建基于LCL型APF的电流环控制模型包括：实际电流与给点电流做差后，经过电流控制器，电流控制器由PI与重复控制器并联组成，电流控制器的输出经过逆变器等效比例环节和LCL滤波器输出补偿电流。
3.根据权利要求2所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，电流控制器由PI与重复控制器并联组成，电流控制器决定了APF跟踪目标电流的好坏，重复控制器的核心为补偿器。
4.根据权利要求3所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，重复控制器的核心为补偿器，补偿器的表达式如下：
C(z)＝Gtrap(z)Gl(z)zk
其中Gtrap(z)为陷波器，Gl(z)为低通滤波器，zk为相位补偿环节，具体步骤如下：
首先给出陷波器Gtrap(z)的设计步骤，本发明所采用的陷波器表达式为：
其中ωn为陷波频率，ξ1、ξ2为陷波系数，S为拉普拉斯函数中的复数变量；
定义陷波频率为ωn，陷波深度为depth，陷波宽度为Bw
进一步的Bw＝2πΔf，Δf为陷波频率宽度；
进一步的
ξ2＝depthξ1
陷波器设计完成。
5.根据权利要求4所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法其特征在于，
所述的低通滤波器的表达式为：
其中ωc为截至频率，取较接近控制对象谐振频率，S为拉普拉斯函数中的复数变量，ξ为阻尼比，取0.707。
6.根据权利要求1所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，所述S4中的补偿器包括底板(1)和下端开口的壳体(2)，所述壳体(2)的两端连接有若干根螺栓插接柱(3)，所述底板(1)和壳体(2)的壳口之间共同连接有组装机构；
所述组装机构包括支撑框(4)，所述支撑框(4)固定连接在底板(1)的上端，所述支撑框(4)和壳体(2)之间共同连接有散热组件，所述支撑框(4)的外框壁上对称开设有传动槽(5)，所述传动槽(5)的槽底通过弹簧(6)连接有定位块(7)，所述壳体(2)对应定位块(7)的内壳壁上开设有定位槽(9)，所述定位块(7)远离弹簧(6)的一端插设在定位槽(9)内，所述定位块(7)和底板(1)之间共同连接有驱动件。
7.根据权利要求6所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，所述底板(1)的两侧对称连接有固定耳(10)，所述固定耳(10)开设有固定孔(11)。
8.根据权利要求6所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，所述驱动件包括驱动块(12)，所述驱动块(12)连接在定位块(7)靠近弹簧(6)一端位置的下端，所述底板(1)上对应驱动块(12)的位置开设有驱动槽(13)，所述传动槽(5)的槽壁和驱动槽(13)的槽底之间共同开设有长条形的滑槽(14)，所述驱动块(12)远离定位块(7)的一端穿过滑槽(14)并向驱动槽(13)内延伸；所述驱动块(12)远离定位块(7)的一端连接有驱动柄(15)。
9.根据权利要求6所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，位于所述支撑框(4)内的底板(1)上安装有电路板。
10.根据权利要求6所述的一种针对LCL型APF的重复控制补偿器的设计方法，其特征在于，所述散热组件包括散热板(16)，所述散热板(16)滑动连接在支撑框(4)的上端，所述散热板(16)的框壁倾斜设置，所述壳体(2)的内壳壁上连接有框型的密封圈(8)，所述密封圈(8)形变活动挤压设置在散热板(16)的外框壁上，且所述散热板(16)上设有若干个通孔(161)，所述支撑框(4)上设有散热孔(41)，且散热板(16)与支撑框(4)之间滑动连接，连接在电路板上的散热板(16)由热胀冷缩材料制作，通过通孔(161)与散热孔(41)之间的连通实现散热。
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2022
- 2022-09-05 CN CN202211078873.5A patent/CN115453855A/zh active Pending
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