一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于有源濾波器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)，本發(fā) 明還涉及并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，在現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)中非線性電力電子裝置得到了廣 泛的應(yīng)用。電力電子裝置的使用使得電網(wǎng)電壓和電流發(fā)生嚴(yán)重的畸變，影響了電能的質(zhì)量， 因此成為了現(xiàn)代工業(yè)中最主要的諧波源。并聯(lián)混合型有源濾波器是由有源濾波器和無源濾 波器并聯(lián)而成，綜合了無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點，既能夠有效地對諧波進行補償，相 比較于單純的APF，又可以使成本降低，開始展現(xiàn)出極強的競爭力。如今，有源電力濾波器從 最常用的三角載波比較控制和電流滯環(huán)比較控制方法，到較復(fù)雜的控制方法如空間電壓矢 量控制、無差拍控制、自適應(yīng)控制等，它們都有各自的優(yōu)缺點。
[0003] 三角波控制方法以其控制方法簡單、開關(guān)頻率固定被廣泛使用，但是其缺點在于 魯棒性較差。當(dāng)有源電力濾波器應(yīng)用于更廣泛的非線性負(fù)載情況時，就必須考慮穩(wěn)定性問 題。非線性負(fù)載和線路上的參數(shù)不確定或者未建模動態(tài)都有可能使系統(tǒng)失穩(wěn)，這將嚴(yán)重限 制有源濾波器的廣泛使用。所以，尋求一種能夠很好的保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性的控制方 法并將其應(yīng)用于有源電力濾波器系統(tǒng)是很必要的。自抗擾控制技術(shù)（Auto Disturbance Rejection Controller, ADRC)是近年來提出的一種非線性控制技術(shù)，該控制器不依賴于 被控對象具體的數(shù)學(xué)模型。它的核心優(yōu)點在于通過擴張狀態(tài)觀測器觀測出系統(tǒng)的狀態(tài)變 量的同時，并觀測出系統(tǒng)的綜合擾動，得到廣義狀態(tài)誤差并對擾動項進行前饋補償、抵消， 因此使控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性和魯棒性方面都有顯著的提高。但是自抗擾控制給理論分析 和工程設(shè)計帶來了較大困難，同時控制設(shè)計參數(shù)過多（10個左右），并且非線性控制器難 以進行工程上常用的頻域分析以確定穩(wěn)定性邊界。所以針對以上問題，將所有控制器和 ESO都以線性形式實現(xiàn)得到線性自抗擾控制器（Linear active disturbance rejection control，LADRC)，LADRC將控制參數(shù)降到4個，而且都有比較明確的物理意義，十分便于工 程應(yīng)用。但線性自抗擾控制器只能抵消系統(tǒng)的部分非線性，系統(tǒng)仍存在一定的不確定性，無 法實現(xiàn)良好的控制精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的有 源濾波器的控制精度差的問題。
[0005] 本發(fā)明的另一目的是提供一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)的控制方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是，一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)，包括三組分別 連接在交流電網(wǎng)三相線上的無源濾波器，三組無源濾波器又均連接至有源濾波器，交流電 網(wǎng)三相線上還連接有非線性負(fù)載。
[0007] 本發(fā)明第一技術(shù)方案的特點還在于，
[0008] 無源濾波器包括依次串聯(lián)連接在交流電網(wǎng)三相線上的電容和電感。
[0009] 本發(fā)明所采用的第二技術(shù)方案是，一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)的控制方法，基 于并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)，具體按照以下步驟實施：
[0010] 步驟1、建立并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型：
[0012] 式⑴中：《為電路電流的角頻率，r為系統(tǒng)的等效電阻值，L為無源濾波器電感 值，C為無源濾波器電容值，ia，ib，i。分別為三相網(wǎng)側(cè)電流值，u d。為直流側(cè)電壓值，b awa、bbwb、 hw。表示開關(guān)損耗、檢測誤差以及外部因素對系統(tǒng)的干擾，u/(j = a、b、c)表示三相電網(wǎng)電 壓等效值，SA，sB，Sc表示開關(guān)狀態(tài)，S j (j = A, B, C)取值如下：
[0016] 式⑶中表示采樣時間，T。為PWM開關(guān)周期，d為占空比，m表示采樣點，m= 1，2, 3,…，
[0017] 將式（3)按傅里葉級數(shù)展開得：
[0019] 式⑷中，dj表示占空比，T。為PWM開關(guān)周期，
[0020]在高開關(guān)頻率f下，忽略Sj (j = A，B，C)開關(guān)函數(shù)的高頻諧波成分，得到低頻模型 按傅里葉級數(shù)展開表達(dá)式為：
[0021]
[0022] 式（5)中，r為系統(tǒng)的等效電阻值，L為無源濾波器電感值，C為無源濾波器⑴電 容值，b awa、bbwb、b，。表示開關(guān)損耗、檢測誤差以及外部因素對系統(tǒng)的干擾，u/(j = a、b、c) 表示三相電網(wǎng)電壓等效折算值，sA，sB，sc表示開關(guān)狀態(tài)，d」(j = A，B，C)表示占空比，
[0023] 采用三角波調(diào)制，占空比dj(j = A，B，C)滿足下式：
[0027]式（7)中，表示三相電流的微分值，r為系統(tǒng)的等效電阻值，L為無源濾波器電感 值，C為無源濾波器電容值，表示調(diào)制波幅值，V 表示載波幅值，u /(j = a、b、c)表示 三相電網(wǎng)電壓等效折算值，bjWj表示開關(guān)損耗、檢測誤差以及外部因素對系統(tǒng)的干擾，UtkS 直流側(cè)電壓，
[0032] Uj= V rJ,
[0033] 式⑶中的k為擾動補償因子，是決定補償強弱的因子，在控制系統(tǒng)中作為可調(diào) 參數(shù)使用，從式（7)看出，fj不僅包含開關(guān)損耗、檢測誤差外部擾動信息，還包含與輸出信息 有關(guān)的表征系統(tǒng)內(nèi)部動態(tài)特性的信息；
[0034] 步驟2、當(dāng)步驟1對并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)建模結(jié)束后，建立線性自抗擾控制數(shù) 學(xué)模型：
[0035] 采用線性擴張狀態(tài)觀測器（Linear Extended State Observer -LESO)和線性狀 態(tài)誤差反饋控制律（Linear State Error Feedback -LSEF)作為一階自抗擾控制器，一階 自抗擾控制器的控制方程有線性擴張狀態(tài)觀測器（LESO)方程和線性狀態(tài)誤差反饋控制律 (LSEF)方程，線性擴張狀態(tài)觀測器（LESO)方程具體表示為：
[0037] 式（9)中，Z21、Z22為線性擴張狀態(tài)觀測器（LESO)方程的兩個輸出變量，e為誤 差，:^為補償電流信號，為系統(tǒng)反饋，B pB2為比例系數(shù)，由式（9)知，Z 21跟蹤系統(tǒng)反饋I "， 并作為控制器的電流反饋信號，Z22被稱作擾動補償，跟蹤系統(tǒng)總擾動a(t)，并被直接引入 線性自抗擾控制器的輸出端，對系統(tǒng)的擾動進行前饋補償，
[0038] 線性狀態(tài)誤差反饋控制律（LSEF)表示為：
[0040] 式（10)中，Z11為指令電流信號，e :為誤差，作為線性狀態(tài)誤差反饋控制律（LSEF) 的輸入，kp為比例系數(shù)，u ^為初始控制量，
[0041] 結(jié)合式（9)和式（10)，得到自抗擾控制器總輸出u，u的表達(dá)式為：
[0042] u = (U0-Z22)/b (11)
[0043] 式（11)中，Utl為初始控制量，b為擾動補償因子，
[0044] 由式（9)、式（10)、式（11)知，線性自抗擾控制器的控制過程中可調(diào)參數(shù)為：LSEF 中的比例系數(shù)k p，LESO中的比例系數(shù)B2，擾動補償因子b，控制量u最終作用于被控對 象；
[0045] 步驟3、在步驟2已經(jīng)建立好的線性自抗擾控制器的基礎(chǔ)上，依據(jù)內(nèi)模原理建立重 復(fù)控制補償線性自抗擾控制模型，具體為：給定輸入指令電流信號1。1，通過比較給定1。1 和實際輸出補償電流I c3得出的偏差e k，偏差ek經(jīng)具有延遲環(huán)節(jié)的低通濾波器Q1(S)e+ 得到上一采樣周期的偏差e (k-T)后，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)，最終得到以T為周期的重復(fù)控制輸出 補償信號Uk。，重復(fù)控制補償線性自抗擾控制模型的表達(dá)式具體如下：
[0047] 式（15)中，為誤差，作為指令電流信號1>與實際補償電流1"的差值， e (k-T)為上一周期的誤差，Uk為以T為周期的重復(fù)控制輸出的補償信號，
[0048] 步驟4、結(jié)合步驟3中的重復(fù)控制補償線性自抗擾控制和步驟2中的線性自抗擾控 制兩種算法，最終作用于系統(tǒng)的控制信號為
[0049] T = U-C+UKC (16)
[0050] 式（16)中，Uadkc為線性自抗擾控制器的輸出信號，Uadkc為自抗擾控制器總輸出u， %。為重復(fù)控制的輸出補償信號；
[0051] 步驟5、將以上得出的最終作用于系統(tǒng)的控制信號T輸入被控對象中，進行控制：
[0052] 將最終作用于系統(tǒng)的控制信號T，經(jīng)過三角波調(diào)制后，得到六路脈沖信號，將六路 脈沖信號輸入有源濾波器（2)內(nèi)的三相橋臂的6個開關(guān)管，通過對開關(guān)管的控制得出實際 的補償電流I c3，最終實現(xiàn)并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)的控制。
[0053] 本發(fā)明第二技術(shù)方案的特點還在于，
[0054] 尚開關(guān)頻率f取值范圍為f 3 f。，f。表不開關(guān)頻率。
[0055] 本發(fā)明的有益效果是，一種并聯(lián)混合型有源濾波的控制方法，采用線性自抗擾控 制方法可以通過擴張狀態(tài)觀測器觀測出系統(tǒng)的狀態(tài)變量的同時觀測出系統(tǒng)的綜合擾動，得 到廣義狀態(tài)誤差并對擾動項進行前饋補償、抵消，因此使控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性和魯棒性方面 都有顯著的提高，采用的重復(fù)控制方法把上一周期運行的偏差和現(xiàn)有偏差共同作為系統(tǒng)輸 入，不僅可以提尚系統(tǒng)的跟蹤精度，還能夠提尚魯棒性及改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。
【附圖說明】
[0056] 圖1是本發(fā)明一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0057] 圖2是本發(fā)明一種并聯(lián)混合型有源濾波系統(tǒng)的控制方法中線性自