專利名稱：：一種基于解耦諧振調(diào)節(jié)器陣列的有源電力濾波器閉環(huán)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電網(wǎng)電能質(zhì)量治理研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于新型解耦諧振調(diào)節(jié)器陣列的有源電力濾波器(APF-ActivePowerFilter)閉環(huán)控制方法。
背景技術(shù)：
：隨著人類工業(yè)發(fā)展及電力電子技術(shù)的不斷進步，大量非線性負載設(shè)備被接入用電網(wǎng)絡(luò)。這些設(shè)備在提高人們生活、生產(chǎn)效率和水平的同時，也帶來了各方面電能質(zhì)量問題。特別是大量諧波電流的引入，極大的影響著整個電網(wǎng)系統(tǒng)的效率和壽命，威脅著電網(wǎng)的安全、可靠運行。有源電力濾波器(APF)作為一種高效的電能質(zhì)量治理裝置，將電力電子，控制理論等先進技術(shù)集于一身，相較于傳統(tǒng)無源補償設(shè)備擁有諸多優(yōu)點，代表著未來電能質(zhì)量治理裝置的發(fā)展方向。APF現(xiàn)已大規(guī)模使用于工業(yè)現(xiàn)場等配電網(wǎng)絡(luò)中，用以補償諧波電流、無功電流、不平衡電流等，發(fā)揮著重要的作用。但現(xiàn)場實際裝置基本都采用基于負載電流檢測的控制方式，從控制理論的角度講，這實際上是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)性能往往依賴于各參數(shù)的精確匹配，這給APF的工程應(yīng)用和現(xiàn)場調(diào)試帶來了極大的困難。其系統(tǒng)魯棒性，補償效果，響應(yīng)速度，也還存在一些不盡如人意的地方。為解決這些問題，進一步改進系統(tǒng)性能，將有源電力濾波器電流檢測點從負載側(cè)移至電網(wǎng)側(cè)，通過檢測電網(wǎng)電流控制裝置，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，是現(xiàn)階段APF性能改進的關(guān)鍵所在。針對APF系統(tǒng)閉環(huán)控制方法的研究，已有許多學者提出了卓有成效的建議，但這些控制方法都存在一定的不足或?qū)κ褂铆h(huán)境存在一定的限制條件，在現(xiàn)場使用過程中暴漏出了很多實際問題，還遠未成熟。本發(fā)明從最基本的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，引入具有解耦功能的新型諧振調(diào)節(jié)器陣列，有效實現(xiàn)了APF的閉環(huán)控制。該控制方法結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，運算量小，且對高次諧波仍具有較好的補償效果。在該控制方法下的APF等效于在電網(wǎng)與負載間串入了一個虛擬帶阻濾波器，將所選諧波濾除，從根本上實現(xiàn)了APF系統(tǒng)的閉環(huán)控制，改進了裝置的補償性能。相關(guān)文獻[I]AkagiH.NewTrendsinActiveFiltersforPowerConditioning[J]IEEETrans.Ind.AppI.，1996，32(6):1312-1322.[2]FangZhengPeng.Applicationissuesofactivepowerfilters[J]IEEETrans.Ind.AppI.，1998，4(5):21-30.[3]PaoloMattavelli.AClosed-LoopSelectiveHarmonicCompensationforActiveFilters[J]IEEETrans.Ind.AppI,vol.37，NO.1，Jan./Feb.2001:81-89.[4]HamasakiS.,KawamuraA..ImprovementofCurrentRegulationofLineCurrentDetectionTypeActiveFilterbasedonDeadbeatControl[C].IEEEIndustryApplicationsConference2001，vol.1，Sept./Oct.2001:202-207[5]TokudaH.,AmanoI.，EguchiN..AResonanceDumpingControlforaLine-currentDetectionTypeActiveFilter[C]PCC2002，vol.2，Apr.2002:755-760.[6]TakeshitaT.，MatsuiN.,ControlofActiveFiltersUsingSourceCurrentDetection[C].IEC0N’03，vol.2，Nov.2003:1515-1520.[7]WuJC,JouHL.Simplifiedcontrolmethodforthesingle-phaseactivepowerfilter[J],ElecticPowerApplications，IEEProceedings-,1996,vol.143.no.3219-224.[8]SinghB.N.，ChandraA.，Ai-HaddadK.，PerformanceComparisonofTwoCurrentControlTechniques[C]，HarmonicsandQualityofPower,vol.1，Oct.1998133-138.[9]SinghB.N.,Slidingmodecontroltechniqueforindirectcurrentcontrolledactivefilter[C]，IEEERegion5，2003AnnualTechnicalConference，Apr.2003:51-58.[10]0hnishiT.，UekiK.，HojoM..SourceCurrentDetectionControlofActiveFilterforPreventingCurrentOsilllation[C].PESC04,vol.2,Jun.2004965-969.[ll]0hnishiT.,UekoK.,HojoM.StableControlMethodofSourceCurrentDetectionTypeActiveFilterbyVoltageHarmonicsFeedback[C].PowerElectronicsandApplications2005:9pp.-p.9.[12]0hnishiT.，HojoM.ACLineVoltageHarmonicsCompensatorWithExcessiveCurrentControl[J].IEEETrans.Ind.Appl.，vol.50，NO.6，Dec.20031126-1133.[13]LeonardoR.L.，RaduB.，GiovanniT.DigitalCurrent-ControlSchemes[J].IEEEIndustryElectronicsMagaziene，March2009，:20-31.[14]DanielN.Z.，DonaldG.H.,StationaryFrameCurrentRegulationofPWMInvertersWithZeroSteady-stateError[J],IEEETrans.PowerElectronics，VOL.18，NO.3，May2003:814-822.[15]MichaelJ.N.,DanielN.Z.,DonaldG.H.StationaryFrameHarmonicReferenceGenerationforActiveFilterSystems[J]，IEEETrans.IndustryApplication，VOL.38.NO.6Nov./Dec.2002:1591-1599.[16]FernandoBriz,MichaelW.Degner,RobertD.Lorenz.AnalysisandDesignofCurrentRegulatorsUsingComplexVectors.IEEETrans.Ind.Appl.，vol.36，NO.3，May/Jun.2000:817-825.[17]LascuC.，AsiminoaeiL，BoldeaI.，etal.HighPerformanceCurrentControllerforSelectiveHarmonicCompensationinActivePowerFilters[J]IEEETranspowerElectronics，2007.Vol.22，Sept.2007:1826-1835.[18]CristianL,LucianA.，IonB.，F(xiàn)redeB.,FrequencyResponseAnalysisofCurrentControllersforSelectiveHarmonicCompensationinActivePowerFilters[J],IEEETrans.IndustryElectronics,VOL.56.NO.2.Feb2009:337-347.
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種基于新型解耦諧振調(diào)節(jié)器陣列的有源電力濾波器閉環(huán)控制方法。該方法從最基本的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，引入帶解耦功能的新型諧振調(diào)節(jié)器陣列，實現(xiàn)了APF系統(tǒng)的閉環(huán)控制，改進了裝置的補償性能。本發(fā)明控制方法主要從諧波控制、基波控制以及指令調(diào)制幾個方面進行闡述I)諧波控制方法a)檢測補償對象配電網(wǎng)絡(luò)的三相電網(wǎng)側(cè)電流(以構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng))b)對上述網(wǎng)側(cè)電流信號進行旋轉(zhuǎn)坐標變換，將其從三相靜止坐標系變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下，坐標系旋轉(zhuǎn)角速度與電網(wǎng)電壓角速度相同；c)選擇待補償諧波次數(shù)，并將相應(yīng)的新型解耦諧振調(diào)節(jié)器組成陣列；將前述旋轉(zhuǎn)坐標系下網(wǎng)側(cè)電流信號與該諧振調(diào)節(jié)器陣列相乘，作為諧波控制指令等待后續(xù)處理；2)基波控制方法a)通過10個IOK電阻將直流側(cè)電壓降壓并采集，將其與預(yù)定的直流側(cè)電壓參考指令(一般取電網(wǎng)線電壓2倍左右)做差，差值通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后作為裝置穩(wěn)壓所需基波電流指令；b)檢測裝置輸出電流(逆變器交流輸出端口側(cè)電流)，并將其變換至前述旋轉(zhuǎn)坐標系下與2)a)中所得基波電流指令做差，所得差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，得到基波控制指令；3)指令調(diào)制將I)c)中所得諧波控制指令與2)b)中所得基波控制指令相疊加得到最終的控制指令，通過旋轉(zhuǎn)變換逆變換將最終指令變換至三相靜止坐標系下，并采用SVM調(diào)制方式將其轉(zhuǎn)換為PWM信號控制逆變器相應(yīng)IGBT開關(guān)元件工作。本發(fā)明通過引入具有解耦功能的諧振調(diào)節(jié)器陣列，實現(xiàn)APF系統(tǒng)的選頻閉環(huán)控制。該控制方法下的APF具有選擇次諧波補償?shù)墓δ?，整個系統(tǒng)具有較好的魯棒性和較高的穩(wěn)態(tài)補償性能，且對高次諧波仍具有良好的補償效果。系統(tǒng)控制無需諧波運算環(huán)節(jié)，且所需調(diào)節(jié)器數(shù)量少，簡單易實現(xiàn)，具有較好的應(yīng)用前景。此外，通過搭建APF系統(tǒng)仿真模型，對所提控制方法進行了仿真驗證，證實了該方法的正確性和可靠性。圖I為本發(fā)明所介紹有源電力濾波器拓撲結(jié)構(gòu)及其閉環(huán)控制方法原理圖；圖2為本發(fā)明介紹閉環(huán)控制方法下APF的諧波補償效果的仿真波形，圖中(a)為非線性負載產(chǎn)生的畸變、富含諧波成分的負載電流(b)為APF補償后得到的不含諧波成分的電網(wǎng)電流；具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述如圖I中所示有源電力濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)，其主體為三相電壓型逆變器VSI，直流側(cè)與電容器Cde相連，交流側(cè)通過三個進線電感Lc與三相電網(wǎng)并聯(lián)連接。本發(fā)明所提閉環(huán)控制方法如圖I下半部控制框圖所示，由于裝置直接檢測電網(wǎng)側(cè)電流，故從控制的角度形成了閉環(huán)系統(tǒng)?？刂撇糠种饕种C波控制部分，基波控制部分，以及指令調(diào)制部分。諧波控制部分主要用于控制流入電網(wǎng)側(cè)的諧波電流成分，達到補償諧波電流的功能。它檢測電網(wǎng)側(cè)電流、，并將其轉(zhuǎn)換至與電網(wǎng)電壓角頻率相同的旋轉(zhuǎn)坐標系下(abc/dq)。APF目標為控制流入網(wǎng)側(cè)的所選諧波成分為零，即所選諧波成分參考指令為零，ish*=O0諧波控制框圖中的負號可由電流傳感器矢量方向?qū)崿F(xiàn)，即從負載側(cè)至電網(wǎng)側(cè)為正，而從電網(wǎng)側(cè)至負載側(cè)為負。將上述網(wǎng)側(cè)電流信號在旋轉(zhuǎn)坐標系下與所選諧振調(diào)節(jié)器陣列C(S)相乘，即可得到諧波控制指令V。本發(fā)明中所用諧振調(diào)節(jié)器具有解耦功能，且對高次諧波也有精確的控制效果，并可提供明確的設(shè)計方法，這是傳統(tǒng)諧振調(diào)節(jié)器所無法具備的。這種帶解耦功能的新型諧振調(diào)節(jié)器具有如下結(jié)構(gòu)權(quán)利要求1.一種基于解耦諧振調(diào)節(jié)器陣列的有源電力濾波器閉環(huán)控制方法，其特征在于(1)設(shè)置拓撲結(jié)構(gòu)將三相電壓型逆變器的直流側(cè)與電容器相連，三相電壓型逆變器的交流側(cè)通過三個進線電感與三相電網(wǎng)并聯(lián)連接；(2)采用如下控制方法a)諧波控制方法i.直接檢測補償對象配電網(wǎng)絡(luò)的三相電網(wǎng)側(cè)電流，以構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；ii將上述所采集三相電網(wǎng)側(cè)電流信號進行旋轉(zhuǎn)坐標變換，將其從三相靜止坐標系變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下，坐標系旋轉(zhuǎn)角速度與電網(wǎng)電壓角速度相同；iii.選擇與待補償諧波次數(shù)相應(yīng)的新型解耦諧振調(diào)節(jié)器組成陣列，并將前述網(wǎng)側(cè)電流信號在旋轉(zhuǎn)坐標系下與該諧振調(diào)節(jié)器陣列相乘，其乘積結(jié)果相作為諧波控制指令等待后續(xù)處理；b)基波控制方法1.首先通過10個IOK電阻將直流側(cè)電壓降壓，并通過電壓傳感器檢測后與預(yù)定的直流側(cè)電壓參考指令做差，其差值通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后作為裝置穩(wěn)壓所需基波電流指令；ii通過電流霍爾檢測裝置輸出電流，即逆變器交流輸出端口側(cè)電流，并變換至前述旋轉(zhuǎn)坐標系下與步驟b)i中所得基波電流指令做差，所得差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，截止頻率在70100Hz，得到基波控制指令；c)指令調(diào)制將a)iii.中所得諧波控制指令與步驟b)ii中所得基波控制指令相疊加得到最終的控制指令，通過旋轉(zhuǎn)變換逆變換將最終指令變換至三相靜止坐標系下，并采用SVM調(diào)制方式將其轉(zhuǎn)換為PWM信號控制逆變器相應(yīng)IGBT開關(guān)元件工作。2.如權(quán)利要求I所述有源電力濾波器閉環(huán)控制方法，其特征在于1)解耦諧振調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)全文摘要本發(fā)明公開了一種基于新型解耦諧振調(diào)節(jié)器陣列的有源電力濾波器閉環(huán)控制方法。該控制方法從最基本的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)出發(fā)，引入帶解耦功能的新型諧振調(diào)節(jié)器陣列，實現(xiàn)了有源電力濾波器系統(tǒng)的閉環(huán)控制。該控制方法不但提高了系統(tǒng)的魯棒性和整體補償性能，且可以方便地實現(xiàn)選擇次諧波補償及高次諧波的有效補償?？刂葡到y(tǒng)無需繁瑣的諧波分離算法，簡單、可靠，易于實現(xiàn)，大大改善了有源電力濾波器裝置的補償性能，具有較為實際的工程應(yīng)用價值。文檔編號H02J3/01GK102623996SQ201210082218公開日2012年8月1日申請日期2012年3月26日優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日發(fā)明者卓放,張艷軍,易皓申請人:西安交通大學