本發(fā)明涉及有源濾波器電流環(huán)復合控制技術領域，尤其涉及基于高補償精度電流環(huán)的復合控制型有源濾波器。

背景技術：

自晶閘管誕生以來，因其衍生的電力電子產(chǎn)品不斷地改變著人們的日常生活，基于晶閘管的電力電子產(chǎn)品的優(yōu)越性越來越受到人們的關注與引用。與此同時電網(wǎng)中大量的引入了基于晶閘管等非線性負載的電力電子設備，導致了嚴重的電網(wǎng)諧波污染。這主要是因為這些負載的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性造成的。因此用于諧波抑制的有源濾波器技術逐漸的成為近幾年國內外電力電子和電工領域及用電領域的研究熱點之一。有源電力濾波器(APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它是基于現(xiàn)代控制技術和先進的數(shù)字化高速處理器，對相關數(shù)據(jù)進行高速處理，使其能夠對不同幅值大小和頻率的諧波進行快速的跟蹤補償，在微秒單位里進行快速的反應，使電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波的總矢量和為零。相對與無源濾波器，只能在工頻周期內進行過零投切的反應速度和只能夠被動吸收固定的頻率與大小的諧波而言，有源濾波器可以通過采樣負載電流并進行各次諧波的分離及無功的分離，通過有源濾波器的控制并主動的發(fā)出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵消負載中的相應的諧波。

電流，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，不僅可以補償諧波和無功而且還能夠處理不平衡問題。

有源濾波器從負載電流或者系統(tǒng)電流采集開始，并實時的對采集數(shù)據(jù)進行快速的處理，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)快速的消除系統(tǒng)的諧波、無功和不平衡問題，從而改善電網(wǎng)的供電質量。有源濾波器與傳統(tǒng)的無源濾波器相比較，APF的補償方式更為靈活，補償功能也更全面，可以補償所有的諧波也可以按照指定次的諧波進行補償，除了具備補償諧波的同時還可以補償部分無功和三相不平衡電流。

目前并聯(lián)APF經(jīng)過相關的控制算法，達到諧波單次分離的功能和無功分離，不平衡電流的分離，以分離的相關電流做為參考指令電流IRa和裝置輸出電流ICa做誤差值，誤差值經(jīng)過電流跟蹤控制算法，及時快速的讓裝置發(fā)出和系統(tǒng)中諧波分量相反的矢量值。但是傳統(tǒng)的電流跟蹤控制策略多為滯環(huán)控制、傳統(tǒng)的PI跟蹤、修正型的PI控制算法等，其中滯環(huán)控制會產(chǎn)生較寬的諧波頻譜，沒有固定的開關頻率，無法控制輸入電網(wǎng)的開關頻率次諧波電流，從而引起APF的輸出濾波器的參數(shù)無法確定；對于傳統(tǒng)的PI控制器是一直沿 用于直流量的無靜態(tài)誤差的跟蹤控制，對于APF的諧波電流來講，跟蹤的是交流量，PI無法實現(xiàn)無靜態(tài)誤差跟蹤控制，對于參考指令電流IRa和裝置發(fā)出電流的誤差值，作用速度和準確度較低，無法實現(xiàn)完全跟蹤控制，引起裝置補償率較低，達不到完全抵消系統(tǒng)中的諧波電流。

現(xiàn)有公告號為CN201510018591的中國發(fā)明專利申請文件，公開了一種《一種基于PI控制有源濾波器的快速電流跟蹤控制方法》，包括“步驟一：設定最大誤差電流響應值△imax；步驟二：獲得誤差電流值△i；步驟三：用誤差電流值△i除以最大誤差電流響應值△imax，獲得其整數(shù)倍數(shù)值n及誤差余數(shù)電流△i’；步驟四：誤差余數(shù)電流△i’直接進入PI調節(jié)器計算獲得第一輸出電壓V1,將整數(shù)倍數(shù)值n通過伏秒特性計算獲得第二輸出電壓V2；步驟五：將第一輸出電壓V1和第二輸出電壓V2相加得到調制電壓V。通過在PI調節(jié)前加入輸入誤差限制，然后在PI輸出后補充，實現(xiàn)輸出電壓對電流的無延遲響應。”然而，該發(fā)明專利需要設定最大誤差電流響應值，不屬于閉環(huán)自適應控制，不能夠隨負載電流的動態(tài)大小變化進行自行調節(jié)。整個控制方法采用開環(huán)控制，當設定值與系統(tǒng)負載實際需要值過大時，容易產(chǎn)生過補償或者欠補償情況。在其整個控制系統(tǒng)中最大誤差電流響應值難以界定，針對實際負載頻繁變換的場所，最大誤差電流響應值難以確定一個合理的取值。另外在該控制算法系統(tǒng)中諧波目標電流和輸出電流的誤差總是趨于不斷變化的，得到的誤差值再與設定的最大誤差電流響應值做整數(shù)倍和余數(shù)倍的運算，只是變相的把PI跟蹤的差值變小，并不能真正的起到無靜差的跟蹤的目的。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術中存在的上述問題，提供了一種穩(wěn)態(tài)精度高，響應速度快，能夠通過對交流量的跟蹤消除靜態(tài)誤差的基于高補償精度電流環(huán)的復合控制型有源濾波器。

為解決上述問題，本發(fā)明的一種技術方案是：

本發(fā)明基于高補償精度電流環(huán)的復合控制型有源濾波器，包括連接在采樣側電網(wǎng)上的有源濾波器通用控制電路，所述的有源濾波器通用控制電路包括諧波分離模塊；所述的諧波分離模塊的輸出端依次通過電流環(huán)復合控制器、濾波模塊連入負載側電網(wǎng)；所述的濾波模塊的輸出端連接電流環(huán)復合控制器的輸入端。

進一步地，所述的電流環(huán)復合控制器包括電流外環(huán)控制系統(tǒng)和電流內環(huán)控制系統(tǒng)。

進一步地，所述的電流外環(huán)控制系統(tǒng)包括前向通道調制單元以及后向通道反饋單元。

進一步地，所述的電流內環(huán)控制系統(tǒng)包括電流內環(huán)PI控制單元。

進一步地，所述的有源濾波器通用控制電路包括模擬信號調理電路、數(shù)字化處理器。

進一步地，所述的濾波模塊包括IGBT驅動器、逆變器模塊、LCL濾波連網(wǎng)模塊。

相比較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的缺陷，

本發(fā)明針對傳統(tǒng)的電流跟蹤控制算法對于交流量無法達到無靜差跟蹤問題，提出了一種基于內模原理及PI控制的復合型控制器。所述的復合型控制器通過前一周期中出現(xiàn)的波形的畸變將在下一基波周期的同一時間重復出現(xiàn)，然后控制器根據(jù)指令信號與反饋信號的誤差確定所需要的糾正信號，在下一周波同一時刻將此校正信號疊加在原控制信號上，從而消除以后每個周期中將出現(xiàn)的重復性畸變，能有效的消除所有包含在穩(wěn)定閉環(huán)內的周期性誤差，提高穩(wěn)態(tài)精度。在提高穩(wěn)態(tài)精度的同時為了提高動態(tài)響應時間，把基于內模原理的前向通道和后向通道控制算法嵌入到PI控制器內環(huán)中，利用PI加快系統(tǒng)動態(tài)響應速度，從而提高整個電流環(huán)控制的穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)性能，保障電流跟蹤補償精度達到最佳的效果。

本發(fā)明提出一種電流跟蹤無靜態(tài)誤差的復合型控制算法，解決PI跟蹤交流量無法實現(xiàn)無靜差跟蹤的問題，同時也解決了準比例諧振控制器(PR)需要多通道，參數(shù)匹配較繁瑣的問題。本發(fā)明經(jīng)過復合創(chuàng)新，對電流環(huán)采用多重控制算法，電流外環(huán)固定時間段內進行諧波參考指令電流IRa的修復糾正，不斷地使其趨近于系統(tǒng)中的諧波電流值，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，電流內環(huán)利用跟蹤控制，快速的做出動態(tài)響應提高動態(tài)精度，并以此來提高有源濾波器的濾波性能。

本發(fā)明基于內模原理的誤差糾正控制器，在工作后逐個點的對目標電流值和裝置輸出電流值的誤差進行糾正，使其下一個周期的指令電流趨近于上一個周期的電流值，這樣再給PI控制器就不會存在突變情況，適合PI控制器。采用閉環(huán)控制，不需要進行誤差參數(shù)設定，控制系統(tǒng)根據(jù)實際目標電流和裝置輸出電流的差值，進行閉環(huán)的誤差糾正，不需要考慮最優(yōu)化的動態(tài)響應值。由于PI控制系統(tǒng)中的積分參數(shù)在周波內，積分值最終為零，積分校正效果不存在，基于內模原理的糾正器可以彌補積分效應，對PI的積分進行補償。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所涉及的有源濾波器的整體結構示意圖

圖2是本發(fā)明所涉及的基于高補償精度電流環(huán)復合控制器結構示意圖。

圖3是本發(fā)明所涉及的電流環(huán)復合控制器的控制算法傳遞函數(shù)流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例進一步詳細說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

參照圖1，本發(fā)明基于高補償精度電流環(huán)的復合控制型有源濾波器，包括連接在采樣側電網(wǎng)上的有源濾波器通用控制電路，所述的有源濾波器通用控制電路包括諧波分離模塊；所述的諧波分離模塊的輸出端依次通過電流環(huán)復合控制器、濾波模塊連入負載側電網(wǎng)；所述的濾波模塊的輸出端連接電流環(huán)復合控制器的輸入端。所述的電流環(huán)復合控制器包括電流外環(huán)控制系統(tǒng)和電流內環(huán)控制系統(tǒng)。所述的電流外環(huán)控制系統(tǒng)包括前向通道調制單元以及后向通道反饋單元。所述的電流內環(huán)控制系統(tǒng)包括電流內環(huán)PI控制單元。所述的有源濾波器通用控制電路包括模擬信號調理電路、數(shù)字化處理器。所述的濾波模塊包括IGBT驅動器、逆變器模塊、LCL濾波連網(wǎng)模塊。

一種基于高補償精度電流環(huán)的復合控制型有源濾波器的控制方法，包括以下步驟：

S1、所述的有源濾波器通用控制電路采集電網(wǎng)電壓、負載電流及裝置輸出電流ICa并處理，所述的諧波分離模塊輸出參考指令電流IRa，將所述的參考指令電流IRa和裝置輸出電流ICa輸入到所述的電流環(huán)復合控制器運算；

S2、所述的參考指令電流IRa和裝置輸出電流ICa進行差值運算，得到誤差值error，誤差值error在所述的電流環(huán)復合控制器的電流外環(huán)控制系統(tǒng)中基于內模原理分別通過前向通道調制單元以及后向通道反饋單元進行處理，得到周期的誤差值△error1；

S3、周期的誤差值△error1經(jīng)所述的電流內環(huán)控制系統(tǒng)的電流內環(huán)PI控制單元處理，利用PI控制對突變誤差進行調節(jié)。

進一步地，所述的步驟S1中，

S1.1、采集電網(wǎng)電壓、負載電流及裝置輸出電流ICa，在采樣側電網(wǎng)系統(tǒng)電壓的基礎上經(jīng)過相關的鎖相環(huán)算法處理，得出電網(wǎng)系統(tǒng)的A相的相位角Ф，并對相位角Ф求正弦值和余弦值；

S1.2、采集的負載電流以及步驟S1.1得到的A相的正序的相位角的正弦值和余弦值，經(jīng)過諧波分離算法，對采集的負載電流進行諧波分離，把每一次的諧波電流的幅值相位、矢量方向進行分離，然后把每一次的諧波相加得到參考指令電流IRa；

S1.3、裝置輸出電流ICa經(jīng)過外部采集電路及相關的調理電路，達到AD輸入的范圍，經(jīng)過AD數(shù)字化后和上一步驟中的參考指令電流IRa一起輸入到所述的電流環(huán)復合控制器。

進一步地，所述的諧波分離算法為FFT或者DQ0或PR。

進一步地，所述的步驟S2中，

S2.1.參考指令電流IRa和裝置輸出電流ICa進行差值運算后得到誤差值error，將error與基于內模原理的后向通道復合函數(shù)Q(Z)*S(Z)的修正值進行和運算得到sum；

S2.2.將所述的sum值輸入給第一周波延時積分器函數(shù)S(n)，給予周波點數(shù)以下的延時積分函數(shù)修正，經(jīng)過修正后的數(shù)值為△error；

S2.3.將上一步得到的△error送入該二階低通濾波器函數(shù)C(Z),經(jīng)過該濾波器得到△error1。

進一步地，所述的后向通道的反饋，依次經(jīng)過輔助補償器Q(Z)和周波點數(shù)延時修正函數(shù)S(Z)處理，得到復合函數(shù)Q(Z)*S(Z)。

進一步地，所述的步驟S3中，

3.1.將△error1與所述的參考指令電流IRa做和運算得到sum1，sum1經(jīng)過與所述的裝置輸出電流ICa做差值運算得到△error2；

3.2.將△error2通過所述的電流內環(huán)PI控制器對誤差即時響應，進行快速的動態(tài)響應。

本發(fā)明一種高補償精度電流環(huán)的復合控制有源濾波器包括所述的有源濾波器通用控制電路、電流環(huán)復合控制器、濾波模塊，所述的有源濾波器通用控制電路包括模擬信號調理電路、數(shù)字化處理器(FPGA+DSP)，所述的濾波模塊包括IGBT驅動器、逆變器模塊、LCL濾波連網(wǎng)模塊。對其工作流程作簡要介紹如下：模擬信號調理電路將獲得采樣側電網(wǎng)電壓、電流行模擬信號調理，將調理后的模擬信號采用數(shù)字化處理器(FPGA+DSP)進行數(shù)字化轉換，送給處理器進行鎖相運算和諧波分離計算，經(jīng)過對分離后的電流做為參考指令電流IRa，將參考指令電流IRa與實際的裝置輸出電流ICa的差值進行電流環(huán)復合控制器的運算，輸出驅動信號給IGBT驅動器，驅動IGBT開通，以輸出用于濾除系統(tǒng)諧波電流的濾波電流。

需要說明的是，本發(fā)明提及的FPGA(Field Programmable Gate Array),即現(xiàn)場可編程門陣列，做為專用集成電路領域中的一種半定制電路出現(xiàn)，其目的就是提高電路設計的靈活性。采用并行處理的方式可以大大的提高控制算法的運行速度，解決傳統(tǒng)處理器順序執(zhí)行的不足問題。豐富的邏輯門陣列可以解決負載的邏輯控制，并使每一個邏輯控制并行執(zhí)行，在執(zhí)行動作上完全達到一致的要求，提高控制系統(tǒng)精度。

本發(fā)明提及的DSP(Digital signal processor)是一種偏向于信號數(shù)字化處理的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件，主要針對時間和幅值上都是離散化的數(shù)據(jù)進行處理，主要對信號進行分析、變換、濾波、檢測、調制等，具有強大的可編程性和運算速度，其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬次復雜指令程序，性能遠遠超越通用控制器。

本發(fā)明提及的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是指絕緣柵雙極型晶體管， 一種高速電子開關器件。參考電流是指從消除電網(wǎng)諧波角度來看,希望裝置輸出的電流，參考電流可以隨著所述負載電流的變化而變化。

本發(fā)明基于電流環(huán)復合控制器的前向通道和后向反饋的內模原理對逐周的誤差進行調節(jié)，使每一個周期的參考指令電流IRa誤差為零，從而提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和跟蹤精度。

除此之外，步驟S2中，由于有源濾波器補償?shù)念l段為0至2.5KHz,因此設計控制器時只需要保證中低頻段的控制效果，綜合整體性能需求，只需要設置一個二階低通濾波器以加大對高頻的抑制，并將△error送入該二階低通濾波器。

圖2是本發(fā)明所述的一種基于高精度補償電流環(huán)的復合控制型有源濾波器的跟蹤電流環(huán)的控制方法的結構示意圖。如圖2所示，本發(fā)明是基于高精度補償電流環(huán)復合控制器，通過基于內模原理和PI控制的雙環(huán)電流控制，結合相關的算法，通過軟件實現(xiàn)對每一周波的誤差進行糾正處理，提高穩(wěn)態(tài)誤差精度。利用PI電流內環(huán)的控制，在穩(wěn)態(tài)精度沒有誤差的前提下，利用PI控制器對誤差的快速反應，來綜合性的提高電流的動態(tài)響應速度，兩者結合使電流環(huán)跟蹤控制達到無靜態(tài)誤差控制的目的。

本發(fā)明采用的算法包括有源濾波器通用控制電路的諧波電流分離算法，還包括本發(fā)明闡述的電流環(huán)復合控制器的電流跟蹤無靜態(tài)誤差的復合控制算法，以及直流側電壓控制算法、SPWM生成算法、IGBT逆變模塊、連網(wǎng)LCL濾波模塊。所述的復合控制算法模塊依次包括諧波分離模塊的參考指令電流IRa、裝置輸出電流ICa、電流外環(huán)控制系統(tǒng)(多周期作用控制器)和電流內環(huán)控制系統(tǒng)(PI控制器構成)。首先簡單指出整機工作原理如下：并聯(lián)型有源濾波器通用控制電路獲得采樣側電網(wǎng)電壓信號和電流信號，進行模擬信號調理，將調理后的模擬量分別送入數(shù)字處理芯片，進行數(shù)字轉換，將轉換后的結果送入處理器，進行相位和頻率的計算，利用計算出的相位和頻率，進行諧波電流、無功以及不平衡電流的分離，將分離后的參考指令電流IRa和裝置輸出電流ICa輸入到本發(fā)明所述的電流環(huán)復合控制器中，經(jīng)過電流環(huán)復合控制器,處理后的目標值給到SPWM生成器，生成PWM信號，驅動IGBT進行參考指令電流IRa的逆變輸出，經(jīng)過平波電抗器和連網(wǎng)電抗，輸出電流到系統(tǒng)中，以此來產(chǎn)生和系統(tǒng)中諧波電流方向相反，大小相等的矢量以消除系統(tǒng)中的諧波電流，從而提高電網(wǎng)系統(tǒng)供電質量。

鑒于諧波電流的交流特性和傳統(tǒng)跟蹤控制器的不足，本發(fā)明特意針對電流環(huán)存在的跟蹤誤差問題，提出快速修正誤差的控制算法，使整個諧波電流趨近于系統(tǒng)中存在的諧波電流，經(jīng)過電流環(huán)的復合控制，達到快速無靜態(tài)誤差的輸出和系統(tǒng)諧波電流大小相等方向相反的電流值，以達到完全消除系統(tǒng)中諧波電流的目的。解決了傳統(tǒng)電流環(huán)控制器跟蹤存在 靜態(tài)誤差而不能完全消除系統(tǒng)諧波的弊端，從而提高了設備的補償性能，優(yōu)化有源濾波器整機性能。

以上僅就本發(fā)明的最佳實施例作了說明，但不能理解為是對權利要求的限制。本發(fā)明不僅限于以上實施例，凡在本發(fā)明獨立權利要求的保護范圍內所作的各種變化均在本發(fā)明的保護范圍內。