本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是電力電子技術(shù)中一種自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法。

背景技術(shù)：

有源電力濾波器(Active Power filter，簡(jiǎn)稱(chēng)APF)以其高度可控、快速響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為治理諧波污染的首選設(shè)備。隨著非線性負(fù)荷諧波污染的不斷增多，采用模塊化APF并機(jī)方案集中治理諧波成為近年來(lái)本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。模塊化APF并機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析及控制關(guān)系到整機(jī)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，是需要克服的關(guān)鍵技術(shù)難題。

并機(jī)系統(tǒng)諧振點(diǎn)是指其全局導(dǎo)納Y_total(s)頻域增益虛部為零時(shí)的所有頻次，此時(shí)對(duì)應(yīng)的各增益實(shí)部值(R_d)可視為并機(jī)系統(tǒng)在各諧振點(diǎn)處的阻尼大小，當(dāng)所有諧振點(diǎn)的R_d>0并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定，否則失穩(wěn)。因此并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制(失穩(wěn)抑制)的目標(biāo)就是通過(guò)導(dǎo)納重塑使其所有諧振點(diǎn)處的R_d為正。并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制的方式有兩種：(1)間接方式，即通過(guò)僅改變電網(wǎng)無(wú)源器件電路而不改變APF設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行導(dǎo)納重塑，使得并機(jī)系統(tǒng)的諧振點(diǎn)發(fā)生變化或者諧振點(diǎn)處R_d的值得到增加，從而實(shí)現(xiàn)并機(jī)系統(tǒng)所有諧振點(diǎn)的R_d>0目標(biāo)；(2)直接方式，即通過(guò)僅改變APF控制策略而不改變電網(wǎng)已有無(wú)源器件配置的方式進(jìn)行導(dǎo)納重塑，使得APF電流環(huán)導(dǎo)納和諧波控制環(huán)導(dǎo)納至少在并機(jī)系統(tǒng)所有諧振點(diǎn)處呈正阻性，從而實(shí)現(xiàn)并機(jī)系統(tǒng)所有諧振點(diǎn)的R_d>0目標(biāo)。

對(duì)于直接方式，一方面，直接控制方式無(wú)需改變電網(wǎng)已有無(wú)源器件的配置，因而更適用于已經(jīng)投入使用的APF并機(jī)系統(tǒng)；另一方面，由于需要增加控制算法，增加了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，因而目前APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性直接控制方法尚不完善，需要改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法，在不影響電流環(huán)性能的基礎(chǔ)上，可以明顯改善電流環(huán)導(dǎo)納高頻段阻尼特性。

一種自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法，在并機(jī)系統(tǒng)中，每臺(tái)APF按照以下方法進(jìn)行設(shè)置：在原電流環(huán)擾動(dòng)增益的基礎(chǔ)上增加前饋支路，所述前饋支路包括：前饋控制器F(s)、控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)電網(wǎng)PCC處電壓E′(s)分別經(jīng)過(guò)前饋控制器F(s)和控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)后與原電流環(huán)擾動(dòng)增益D(s)的輸出疊加，形成新的電流環(huán)擾動(dòng)增益D′(s)，如下式所示：

其中，D(s)為原電流環(huán)擾動(dòng)增益；D′(s)為新的電流環(huán)擾動(dòng)增益；為控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)；K_fp為負(fù)比例前饋系數(shù)；增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y'(s)如下：

其中，Y(s)為增加前饋支路前的電流環(huán)導(dǎo)納；P(s)為電流環(huán)被控對(duì)象；G(s)P(s)為電流環(huán)開(kāi)環(huán)支路；

所述新的電流環(huán)擾動(dòng)增益滿(mǎn)足如下條件：

①頻域增益幅值小于1；

②頻域增益相位超前0°到90°之間。

所述自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法按如下步驟進(jìn)行：

①預(yù)估負(fù)比例前饋系數(shù)值；

②根據(jù)負(fù)比例前饋系數(shù)預(yù)估值，以及原電流環(huán)擾動(dòng)增益、控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)，計(jì)算新的電流環(huán)擾動(dòng)增益；

③分析新的電流環(huán)擾動(dòng)增益頻域增益幅值、相位特性；若頻域增益幅值、相位特性不滿(mǎn)足上述條件，返回步驟①，重新預(yù)估負(fù)比例前饋系數(shù)；

④根據(jù)新的電流環(huán)擾動(dòng)增益，計(jì)算增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納，并分析其阻尼特性；若增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y'(s)的阻尼特性在諧振頻次附近增益為正阻性，則設(shè)計(jì)結(jié)束并獲得相應(yīng)的參數(shù)，反之返回步驟①重新上述設(shè)計(jì)過(guò)程。

有益效果：

(1)本發(fā)明所述的自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法，通過(guò)預(yù)估-修正自適應(yīng)調(diào)整負(fù)比例前饋系數(shù)，從而改變擾動(dòng)增益D(s)，進(jìn)而改變電流環(huán)導(dǎo)納頻域特性，實(shí)現(xiàn)改善其頻域增益阻尼特性。所述方法不影響電流環(huán)性能，可明顯改善電流環(huán)導(dǎo)納高頻段阻尼特性。

(2)相比較于傳統(tǒng)的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性間接控制方法，本發(fā)明無(wú)需增加無(wú)源器件，無(wú)需改動(dòng)APF硬件設(shè)計(jì)方案。

附圖說(shuō)明

圖1為通過(guò)電網(wǎng)PCC電壓前饋方式改變APF電流環(huán)擾動(dòng)增益示意圖；

圖2為自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制流程圖；

圖3為負(fù)比例前饋系數(shù)K_fp＝-1.5時(shí)電流環(huán)導(dǎo)納頻域特性分析；

圖4為負(fù)比例前饋系數(shù)K_fp＝-1.0時(shí)電流環(huán)導(dǎo)納頻域特性分析；

圖5為負(fù)比例前饋系數(shù)K_fp＝-0.5時(shí)電流環(huán)導(dǎo)納頻域特性分析。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1所示為通過(guò)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC電壓前饋方式改變APF電流環(huán)擾動(dòng)增益示意圖。I為輸出電流；I^*為指令電流。由下式可看出，通過(guò)改變擾動(dòng)增益D(s)，可以改變電流環(huán)導(dǎo)納頻域特性，實(shí)現(xiàn)改善其頻域增益阻尼特性，同時(shí)該過(guò)程對(duì)電流環(huán)特性無(wú)任何影響。

本發(fā)明在原電流環(huán)擾動(dòng)增益的基礎(chǔ)上增加前饋支路。所述前饋支路包括：前饋控制器F(s)、控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC處電壓E′(s)分別經(jīng)過(guò)前饋控制器F(s)和控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)后與原電流環(huán)擾動(dòng)增益D(s)的輸出疊加，形成新的電流環(huán)擾動(dòng)增益D′(s)，如下式所示：

其中，D(s)為原電流環(huán)擾動(dòng)增益；D′(s)為新的電流環(huán)擾動(dòng)增益；為控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)；K_fp為負(fù)比例前饋系數(shù)；增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y'(s)如下：

其中，Y為增加前饋支路前的電流環(huán)導(dǎo)納；P(s)為電流環(huán)被控對(duì)象；G(s)P(s)為電流環(huán)開(kāi)環(huán)支路；

所述新的電流環(huán)擾動(dòng)增益滿(mǎn)足如下條件：

①頻域增益幅值盡量小并且小于1；

②頻域增益相位盡量超前(0°到90°之間)。

所述自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法按如下步驟進(jìn)行：

①預(yù)估負(fù)比例前饋系數(shù)值；

②根據(jù)負(fù)比例前饋系數(shù)預(yù)估值，以及原電流環(huán)擾動(dòng)增益、控制系統(tǒng)延時(shí)環(huán)節(jié)，計(jì)算新的電流環(huán)擾動(dòng)增益；

③分析新的電流環(huán)擾動(dòng)增益頻域增益幅值、相位特性；若頻域增益幅值、相位特性不滿(mǎn)足上述條件，返回步驟①，重新設(shè)定負(fù)比例前饋系數(shù)預(yù)估值；

④根據(jù)新的電流環(huán)擾動(dòng)增益，計(jì)算增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納，并分析其阻尼特性；若增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y'(s)的阻尼特性在諧振頻次附近增益為正阻性，則設(shè)計(jì)結(jié)束并獲得相應(yīng)的參數(shù)，反之返回步驟①重新上述設(shè)計(jì)過(guò)程。

當(dāng)APF并網(wǎng)接口設(shè)計(jì)為電抗時(shí)，原電流環(huán)擾動(dòng)增益D(s)＝1，則與負(fù)比例前饋控制器F(s)形成新的電流環(huán)擾動(dòng)增益D′(s)，如下式所示。

以改善電流環(huán)導(dǎo)納阻尼特性為目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的前饋控制器F(s)形成的新的電流擾動(dòng)增益D′(s)應(yīng)具有以下頻域特性：(1)頻域增益幅值應(yīng)盡量小且小于1，從而減少高頻干擾信號(hào)影響和電流環(huán)啟動(dòng)輸出超調(diào)；(2)頻域增益相位應(yīng)盡量超前(0°到90°之間)，補(bǔ)償電流環(huán)導(dǎo)納頻域增益的相位滯后，從而增加其頻域增益阻性。

圖2為自適應(yīng)負(fù)比例電網(wǎng)電壓前饋的APF并機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定性控制流程圖。

圖3至圖5為采用不同負(fù)比例前饋系數(shù)時(shí)電流環(huán)導(dǎo)納頻域特性分析。其中，標(biāo)記TOP表示幅頻曲線，標(biāo)記BOT表示相頻曲線；并網(wǎng)電抗：電感L＝0.2mH，電阻R＝0.01Ω；電流環(huán)控制器：VPI(Vector PI，矢量比例積分)；零極對(duì)消設(shè)置的電感L′＝0.1mH，電阻R′＝0.01Ω；各諧振器等效積分系數(shù)K均為2π20；諧振器頻次分別為5、7和11次，基波頻率50Hz。圖3中設(shè)置K_fp＝-1.5；圖4中設(shè)置K_fp＝-1.0；圖5中設(shè)置K_fp＝-0.5。圖3中，可看出新的電流擾動(dòng)增益D′(s)頻域增益幅值基本在0db附近，但頻域增益相位即超前補(bǔ)償角度由180°遞減至90°附近，使增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y′(s)頻域增益相位過(guò)補(bǔ)償，由感性變?yōu)槿菪?；圖4中，新的電流擾動(dòng)增益D′(s)的頻域增益幅值由0增至1.414，相位由90°遞減至45°，增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y′(s)全頻段的阻尼特性得到明顯改善，但在諧振頻次附近相位過(guò)補(bǔ)償；圖5中，新的電流擾動(dòng)增益D′(s)的頻域增益幅值基本在0db附近，相位先遞增后遞減(由0°增至20°再減至15°)，增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y′(s)在諧振頻次附近阻尼特性未得到改善，但諧振頻次外的高頻段阻尼特性得到明顯改善，且全頻段相位無(wú)過(guò)補(bǔ)償。

通過(guò)上述分析，對(duì)于調(diào)整電網(wǎng)電壓負(fù)比例前饋系數(shù)，可得出以下幾點(diǎn)定性結(jié)論：1)當(dāng)K_fp<-1時(shí)，新的電流擾動(dòng)增益D′(s)超前相位(補(bǔ)償角度)由180°遞減至90°，使增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y′(s)相位過(guò)補(bǔ)償，實(shí)際情況不允許；2)當(dāng)K_fp＝-1時(shí)，新的電流擾動(dòng)增益D′(s)補(bǔ)償角度由90°遞減至45°，增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y′(s)全頻段阻尼特性得到明顯改善，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，K_fp的不可能絕對(duì)等于-1，當(dāng)出現(xiàn)偏差小于-1時(shí)，會(huì)造成增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y′(s)相位過(guò)補(bǔ)償；3)當(dāng)0>K_fp>-1時(shí)，新的電流擾動(dòng)增益D′(s)補(bǔ)償角度由0°增至最大值α(<90°)再遞減至β(>0°)，K_fp絕對(duì)值和α成正比，增加前饋支路后的電流環(huán)導(dǎo)納Y′(s)在諧振頻次附近阻尼特性未改善，但諧振頻次外的高頻段阻尼特性得到明顯改善，且全頻段相位無(wú)過(guò)補(bǔ)償。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。