專利名稱：一種新型有源濾波器的非線性控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用新型自適應(yīng)非線性控制方法對(duì)單獨(dú)注入式有源濾波器(HAPFSIC) 進(jìn)行有效 控制，實(shí)現(xiàn)了在線路與負(fù)載參數(shù)時(shí)變未知的情況下，直流側(cè)電容電壓補(bǔ)償控制和 諧波電流的精確跟蹤。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大量非線性負(fù)載如各種晶閘可控整流器、變 頻器、電弧爐等給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染，采用有源電力濾波器(APF)對(duì)電網(wǎng)諧 波進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，已成為解決諧波污染問題最有效、最具有潛力的途徑之一。這就要求 對(duì)APF的控制有很好實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性能和控制精度。隨著研究的深入，一系列的新型控制方 法被提出，但它們響應(yīng)速度不快，在負(fù)載變化時(shí)容易產(chǎn)生電流畸變，甚至系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且 其研究的控制對(duì)象主要是在低壓小容量APF系統(tǒng)，存在一定的局限性。目前國內(nèi)有關(guān)適合 于中高壓大容量條件下的APF控制算法的研究并不多，根據(jù)對(duì)前期的理論探討深刻的認(rèn)識(shí) 到單純將已有的一些APF控制算法完全照搬也是無法取得滿意效果的。因此在大功率單獨(dú) 注入式有源濾波器(HAPFSIC)的工程應(yīng)用中，如何對(duì)HAPFSIC進(jìn)行有效控制是一個(gè)非常重 要的環(huán)節(jié)，也是其它類型的APF必須面對(duì)的重大問題?，F(xiàn)有的非線性控制方法主要有無源 性控制(PBC)、反步法、變結(jié)構(gòu)控制等。其中，PBC法通過配置系統(tǒng)能量耗散特性方程中的 無功分量迫使系統(tǒng)總能量跟蹤期望的能量函數(shù)，并使系統(tǒng)的狀態(tài)變量漸進(jìn)收斂至設(shè)定值， 但在負(fù)載時(shí)變未知情方法的應(yīng)用范圍受到很大限制。反步法引進(jìn)了虛擬控制，本質(zhì)上是一 種靜態(tài)補(bǔ)償思想，但需APF精確參數(shù)，設(shè)計(jì)方法復(fù)雜。變結(jié)構(gòu)控制根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導(dǎo) 數(shù)，有目的地使系統(tǒng)沿設(shè)計(jì)好的“滑動(dòng)模態(tài)”軌跡運(yùn)動(dòng)，且它與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動(dòng)無關(guān)，也不 需要任何在線辨識(shí)，很容易實(shí)現(xiàn)。但它本質(zhì)上的不連續(xù)開關(guān)特性使系統(tǒng)存在“抖振”問題， 當(dāng)采樣時(shí)間較大時(shí)，形成近似狀態(tài)的“準(zhǔn)滑?！爆F(xiàn)象，且無法消除，因此限制了變結(jié)構(gòu)控制的 應(yīng)用。在分析了 HAPFSIC這一非線性、多變量和強(qiáng)耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明公開了一 種新型的自適應(yīng)非線性控制方法。它基于線性反饋技術(shù)，從平均功率平衡的角度出發(fā)，在非 線性負(fù)載突變情形下，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)諧波電流的精確計(jì)算與跟蹤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的新型自適應(yīng)非線性控制方法，基于非線性反饋控制、自適應(yīng)控制原 理和輸入輸出間功率平衡特性，并將其應(yīng)用到dq坐標(biāo)下的大功率單獨(dú)注入式有源濾波器 (HAPFSIC)模型中，設(shè)計(jì)了參數(shù)自適應(yīng)識(shí)辨環(huán)節(jié)，得到電源瞬時(shí)有功參考電流以及系統(tǒng)的狀 態(tài)方程，實(shí)現(xiàn)了在線路與負(fù)載參數(shù)時(shí)變未知的情況下，直流側(cè)電容電壓補(bǔ)償控制和諧波電 流的精確跟蹤。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如下對(duì)和k值進(jìn)行Park變換并將其作為自適應(yīng)控制器的輸入端，直流電壓反饋信 號(hào)vd。與給定值Vdc*的比較誤差的k倍作為控制律；
運(yùn)用本發(fā)明提到非線性反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制方法，獲得電源有功電流幅值為isp，它與 Vs的檢測(cè)信號(hào)相乘得瞬時(shí)有功參考電流iSl；；經(jīng)式= ip-iL運(yùn)算產(chǎn)生所要求的無功和諧波補(bǔ)償電流給定信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ) 償電流對(duì)i廣跟蹤。直流側(cè)電壓自適應(yīng)控制，保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下isp大小恰好符合電源輸 出功率與負(fù)載功率相平衡的要求，同時(shí)直流側(cè)電壓Vd?；竞愣?。本發(fā)明的有益效果是(1)本發(fā)明提出的新型自適應(yīng)非線性控制方法應(yīng)用在三相HAPFSIC中，能夠快速 調(diào)節(jié)其控制系統(tǒng)，保證了電網(wǎng)電流的平穩(wěn)運(yùn)行；(2)在發(fā)生線路與非線性負(fù)載參數(shù)是時(shí)變未知的情況下，該控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)較 好的直流側(cè)電壓補(bǔ)償控制和精確諧波電流跟蹤，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較強(qiáng)的魯棒 性。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。



圖1是HAPFSIC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是自適應(yīng)非線性控制器框圖。圖3是HAPFSIC中自適應(yīng)非線性控制圖。
具體實(shí)施例方式圖1為一種大功率單獨(dú)注入式有緣濾波器結(jié)構(gòu)圖，主要由電壓型逆變器、紋波濾 波器、耦合變壓器和注入支路組成。直流側(cè)電容和電壓型逆變器構(gòu)成有源部分，C22和L2構(gòu) 成基波諧振電路，C21上面的電容主要是考慮補(bǔ)償電網(wǎng)基波無功，及盡量使有源濾波器的輸 出電流注入到電網(wǎng)以補(bǔ)償電網(wǎng)諧波。假設(shè)電源電壓為正弦波，其表達(dá)式為A =VIfZi sin wi，若非線性負(fù)載從交流側(cè)電 源索取的電流為周期性非正弦波，可通過傅立葉分析表示為 式中第一項(xiàng)是直流分量；第二項(xiàng)為基波有功電流分量，記為ip ；第三項(xiàng)為基波無 功電流分量，記作k ；第四項(xiàng)是負(fù)載電流k的高次諧波分量之和，記為ih。在周期性畸變電 流所包含的許多正弦分量中，與有功功率有關(guān)的只有與電源電壓同頻同相的分量ip，而io 和仁產(chǎn)生基頻無功，ih是產(chǎn)生畸變功率的根本原因。為此，考慮在電源和負(fù)載之間引入一 個(gè)適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流ic，即有 則補(bǔ)償后的電源輸出電流為is = iL+ic = ip(3)ic = ip-iL(4)
其中，is為交流側(cè)電網(wǎng)電流。由于、是與電源電壓同頻同相的純正弦有功電流， 所以無論負(fù)載電流發(fā)生何種畸變，只要保證式(2)滿足，即可使電源對(duì)外提供的電流為同 頻的正弦波，并且功率因數(shù)等于1。為了消除HAPFSIC中由于電壓畸變對(duì)鎖相環(huán)節(jié)的影響，采用Park變換提取基波 正序電壓，通過改變旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)速度，來提取任意次諧波的正、負(fù)序分量和基波有功分 量，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電流的完全分解，提高補(bǔ)償方式的靈活度。而三相三線系統(tǒng)中沒有零序分 量，這樣就可將任何三相不平衡的電流、電壓或電阻分解成為兩個(gè)平衡的向量成分即正相 序和負(fù)相序。因此，通過Park變換，可以得到單相系統(tǒng)負(fù)載電流k及補(bǔ)償電流有效值 為iL = iLd+jiLq(5)ic = icd+jicq(6)其中，iLd, icd分別為負(fù)載和補(bǔ)償器的電流正相序，iLq, iCq分別為負(fù)載和補(bǔ)償器的 電流負(fù)相序。而-jiq = j、，則有is = iLd+icd(7)HAPFSIC輸出的補(bǔ)償功率為Pco = 3Vsicd(8)根據(jù)直流側(cè)與交流側(cè)間平均功率平衡原理，可以得到Pco = PE+PL+PC = 3Vsicd(9)即有 式中，Pk為電阻功率損耗，Pl為電感功率值，Pc為電容的平均功率；Vd。是直流側(cè)瞬 時(shí)電壓。當(dāng)交流側(cè)電網(wǎng)電流為is時(shí)，把式(7)代入(10)可得數(shù)學(xué)模型為 令X1和X2為系統(tǒng)狀態(tài)變量，U為系統(tǒng)輸入信號(hào)，且 三相HAPFSIC的系統(tǒng)狀態(tài)方程可表示χ = f{x) + g{x)u
在三相HAPFSIC中，由于線路與非線性負(fù)載參數(shù)是時(shí)變未知的，為了確保系統(tǒng)穩(wěn) 定的前提下，實(shí)現(xiàn)較好的直流側(cè)電壓補(bǔ)償控制和精確諧波電流跟蹤，下面主要介紹了一種 自適應(yīng)的非線性控制器。在線性的輸入-輸出出情況下，有y=h(x)=Vdc
(13)其中， 這樣，
(14)假如考慮的是一個(gè)線性控制過程，就可以得到控制律ν = k(Vd - Vdc)=,其中Vdc* 為直流側(cè)電壓參考值。從式(13)和(14)，可以推出輸入信號(hào)表達(dá)式
(15) 通過上式可求得系統(tǒng)輸入，然后對(duì)它進(jìn)行積分運(yùn)算，就可以得到電源有功電流的 幅度值isp，讓它與Vs的檢測(cè)信號(hào)相乘得到瞬時(shí)有功參考電流is/，再經(jīng)式(4)運(yùn)算產(chǎn)生所 要求的無功補(bǔ)償電流給定信號(hào)從而將該有源電力濾波器的控制問題轉(zhuǎn)化為補(bǔ)償電流 對(duì)G的跟蹤。在一個(gè)三相HAPFSIC的非線性系統(tǒng)中，假設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)方程x=f(x)+g(x)u仍成立，且G(X)H(X)不為零，令
⑴和(2)為未知參數(shù)。則有
(16)
(17) 式中 εi = Rc, ε 2 = Lc0
在線路參數(shù)和負(fù)載參數(shù)發(fā)生時(shí)變的情況下，為了實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流對(duì)參考電流的快速 準(zhǔn)確跟蹤，先可以根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)電流、負(fù)載參數(shù)及負(fù)載變量，估計(jì)出瞬間函數(shù)值以及負(fù)載情 況。假設(shè)在t時(shí)刻，可以確定函數(shù)f(x)、g(x)的預(yù)測(cè)值分別是f(x)'和g(x)'，時(shí)變參數(shù) ε i、ε 2的預(yù)測(cè)值分別為ε ‘工和ε ‘ 2，就可以得到

(18)

(19)

定義參數(shù)誤差為Φ = ε ‘ -ε，跟蹤控制律為ν = k (Vdc*-Vj，所以由式(13)可 以得到
(20)
(22)其中

綜合以上分析，可以求出跟蹤誤差e和參數(shù)誤差Φ之間的關(guān)系式如下 其中 由式(23)可知 因此，參數(shù)的自適應(yīng)控制律和系統(tǒng)的控制可表示為 (25) 式中，λ為系統(tǒng)自適應(yīng)增益向量。當(dāng)y(t)趨近于y(t廣時(shí)，所有的誤差變量就接 近于0，這樣就實(shí)現(xiàn)了諧波電流的精確計(jì)算和實(shí)時(shí)跟蹤。自適應(yīng)非線性控制器的框圖如圖2 所示?；谏鲜鯤APFSIC數(shù)學(xué)模型及自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)，得到控制系統(tǒng)如圖3所示。其 中主電路采用了全橋式電壓型PWM逆變器，控制系統(tǒng)從功能上主要包括直流側(cè)電壓自適 應(yīng)閉環(huán)控制；參考電流形成；電流閉環(huán)控制和開關(guān)控制信號(hào)產(chǎn)生。該系統(tǒng)的無功與諧波補(bǔ) 償主電路，作為系統(tǒng)的非線性控制對(duì)象，是以兩個(gè)功率開關(guān)互補(bǔ)通斷方式工作的。
權(quán)利要求
本發(fā)明提出的新型自適應(yīng)非線性控制，其特征在于利用輸入輸出間功率平衡特性，將非線性反饋控制方法與自適應(yīng)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了參數(shù)自適應(yīng)識(shí)辨環(huán)節(jié)，得到電源瞬時(shí)有功參考電流以及系統(tǒng)的狀態(tài)方程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型自適應(yīng)非線性控制方法，將其應(yīng)用到dq坐標(biāo)下的 HAPFSIC模型中，其特征在于自適應(yīng)控制器能快速調(diào)節(jié)其控制系統(tǒng)，保證了電源電流的平 穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了線路與負(fù)載參數(shù)時(shí)變未知的情況下，直流側(cè)電容電壓補(bǔ)償控制和諧波電流 的精確跟蹤，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和較強(qiáng)的魯棒性。
3.本發(fā)明公開的一種新型自適應(yīng)非線性控制，包括以下步驟對(duì)和k值進(jìn)行Park變換并將其作為自適應(yīng)控制器的輸入端，直流電壓反饋信號(hào)Vic 與給定值Vdc*的比較誤差的k倍作為控制律；運(yùn)用本發(fā)明提到非線性反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制方法，獲得電源有功電流幅值為isp，它與Vs的 檢測(cè)信號(hào)相乘得瞬時(shí)有功參考電流iSl；；經(jīng)式i。= 運(yùn)算產(chǎn)生所要求的無功和諧波補(bǔ)償電流給定信號(hào)i。*，從而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電 流對(duì)G跟蹤。 直流側(cè)電壓自適應(yīng)控制，保證了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下isp大小恰好符合電源輸出功 率與負(fù)載功率相平衡的要求，同時(shí)直流側(cè)電壓Vd。基本恒定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型的自適應(yīng)非線性控制方法?；诜蔷€性反饋控制、自適應(yīng)控制原理和輸入輸出間功率平衡特性，并將其應(yīng)用到dq坐標(biāo)下的大功率單獨(dú)注入式有源濾波器(HAPFSIC)模型中，設(shè)計(jì)了參數(shù)自適應(yīng)識(shí)辨環(huán)節(jié)，得到電源瞬時(shí)有功參考電流以及系統(tǒng)的狀態(tài)方程，實(shí)現(xiàn)了在線路與負(fù)載參數(shù)時(shí)變未知的情況下，直流側(cè)電容電壓補(bǔ)償控制和諧波電流的精確跟蹤。
文檔編號(hào)H02J3/01GK101847873SQ20101019083
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月3日
發(fā)明者夏向陽, 龔芬 申請(qǐng)人:長沙理工大學(xué)