基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器的仿真研究

1、基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器的仿真研究小組成員：分工：工作內容負責人參與者文獻與資料收集逆變系統(tǒng)工作原理研究模型建立及分析報告撰寫摘要首次將自適應逆控制應用于并聯型有源電力濾波器的控制,提出了一種新的并聯型電力有源濾波器的控制方法。此方法把有源濾波器及主電路部分看作廣義有源濾波器并利用其逆模型作為控制器對其進行控制。此控制算法對電路中的參數變化不敏感,不但簡單易行,而且比較可靠有效,對理想三相電源電壓能夠產生較好的補償效果,當電源電壓出現畸變和不平衡時,仍能得到較好的補償效果。仿真結果證實了所提出算法的可行性。關鍵詞:自適應逆控制有源電力濾波器廣義有源濾波器目錄1引言51.1APF簡

2、介512研究背景62基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器62.1有源濾波器的基本原理62.2基于自適應逆控制并聯型有源電力濾波器72.3自適應濾波器及算法的設計83不同電源電壓情況下補償性能的仿真研究83.1電源電壓為理想情況時的仿真研究93.2電源電壓畸變情況時的仿真研究93.3電源電壓不平衡時的仿真研究94濾波電感和自適應參數對濾波性能影響的仿真105結論13參考文獻141引言1.1APF簡介有源電力濾波器（APF：Active power filter）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，它能夠對不同大小和頻率的諧波進行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波

3、器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵銷負載中相應電流，實現了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。三相電路瞬時無功功率理論是APF發(fā)展的主要APF；APF有并聯型和串聯型兩種，前者用的多；并聯有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高！實際應用安全系數很低，國際普遍做法是以變壓器升壓，來保證可靠性，國家相關部門也要求以變壓器升壓的形式和有源

4、濾波器結合，治理高壓諧波！APF主要用于以下場合1.變頻設備的應用場合隨著技術的進步，變頻設備大量應用于各類場合，變頻設備會產生大量的諧波，因此，這類場合是有源濾波器主要的目標市場之一。2.不穩(wěn)定負荷的應用場合不穩(wěn)定負荷不是有源濾波器的主要市場，但它是電力系統(tǒng)一個極其重要的方面，因為不穩(wěn)定的負荷雖然所占比例不大，但是它們對電力系統(tǒng)產生的影響卻遠遠大于其它負荷所造成的影響，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的主要市場方向之一。3.鋼鐵廠鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機等是主要的諧波發(fā)生設備，且主要是沖擊性負荷，對鋼鐵廠附近的其它負荷有很大影響。同時，諧波問題對鋼鐵廠無功補償的影響很大，所以應以無功補償

5、和諧波治理同時處理作為目標。4.有色冶金有色冶金的負荷除電弧爐性質的負荷外，還由于采用直流濕法冶金而產生大量的直流成分。5.港口機械港機是大型的提升設備，一般都采用很大的變頻器，因此是港口機械主要的諧波發(fā)生源，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的市場方向之一。6.電氣化鐵路電氣化鐵路一般使用直流電機拖動，因此是一個市政方面的主要諧波源。根據現有上海、北京等地電氣化鐵路的運行情況，大多數系統(tǒng)都安裝了濾波器。預計本產品可以達到電氣鐵路濾波器國產化的作用。7.高精度自動化生產線高精度自動化生產線本身不產生諧波，但是對于電能質量有很高的要求，因此需要在高精度自動化生產線的供電側安裝有源濾波器，以降

6、低諧波對生產線的影響。8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調集中場所辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調集中場所的諧波情況也非常嚴重，治理方法宜采用集中治理方法，以節(jié)省成本。12研究背景自適應逆控制在控制系統(tǒng)和調節(jié)器的設計中是一種很新穎的方法1,該方法用被控對象傳遞函數的逆作為串聯控制器來對系統(tǒng)的動態(tài)特性做開環(huán)控制,系統(tǒng)動態(tài)特性控制和對象擾動控制被分為兩個單獨的過程2, 3。自適應逆控制的控制器是自適應的,將其調節(jié)到既能使得對象及其控制器的總體動態(tài)響應達到最優(yōu);同時又能做到對系統(tǒng)動態(tài)特性的控制與對象擾動的控制分開處理而互不影響。自適應逆控制在消噪方面得到大量應用,已經成功解決了諸如空調管道中風扇

7、噪聲和汽車的馬路噪聲等許多噪聲消除問題4,但目前國內外自適應逆控制在電力電子應用方面的報道較少,文獻5將逆控制用于直流伺服電機位置和速度的控制,文獻6將其應用于一個開關DC-DC升壓電路,而用于有源濾波器的報道尚未發(fā)現。本文將自適應逆控制思想應用于并聯型有源電力濾波器(APF)的控制,將包括主電路與負載以及APF在內的電路結構看作廣義的APF,通過求此廣義APF的離線逆作為控制器實現對APF的控制。并分別對系統(tǒng)不同電壓情況以及濾波電感和自適應參數改變對系統(tǒng)補償效果的影響進行了仿真研究。仿真結果證明了所提出的控制算法不但算法簡單,而且性能非?？煽俊２粌H在理想的電源電壓情況下具有較好的補償效果,而

8、且當電源電壓出現畸變與不對稱情況下,仍能夠得到較好的補償效果。2基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器2.1有源濾波器的基本原理圖1 并聯型有源電力濾波器圖1為傳統(tǒng)并聯型有源電力濾波器的基本原理圖7。從圖1可知 ist=ilt+ict （1）其中iL(t)為非線性負載產生的負載電流,將其進行傅氏分解 iLt=Ilmsinkt+1+i=2Inmsinnkt+n （2）式中:I1m為基波電流的幅值;Inm為n次諧波電流的幅值;iL1(t)為基波電流;iLh(t)為諧波電流。如果 ict=iL1t-iLt=-iLh(t) （3）那么系統(tǒng)僅向負載提供基波電流,補償后的系統(tǒng)電流將不再含有諧波成分。因此通

9、過檢測負荷產生的諧波電流,得到補償電流的期望值,然后再控制脈寬調制(PWM )逆變器使之產生相應的補償電流,然后將補償電流注入到負荷節(jié)點以抵消負荷產生的諧波電流,達到濾波的目的。圖1代表的有源電力濾波器的典型結構總是將濾波器的濾波電路和主電路分離開來,對有源濾波器的檢測和控制要分別進行,而且由于直流端電容電壓的儲能功能,必須同時對直流端電容電壓進行控制來減小擾動,而常規(guī)的控制方法如比例積分(proportion-integral, PI)控制總是存在參數難以調節(jié)而且對電路參數變化敏感的問題,而且常規(guī)的控制方法對由整流橋負載產生的諧波在跳變點處補償時在補償電流中總會因跟蹤速度而產生尖峰。2.2基

10、于自適應逆控制并聯型有源電力濾波器圖2基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器圖2為所提出的基于自適應逆控制結構的并聯型有源濾波器控制框圖,將圖1中包括主電路與負載以及APF在內的電路結構看作廣義的APF。根據文獻8的分析,直流端電容電壓的變化反映了主電路中電網電流的變化,通過控制電容電壓為恒定參考值,即可達到控制諧波補V=f(i) (4)式中:V為有源濾波器直流端電容電壓;i為期望的主電流幅值。圖2基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器根據式(4)所給出的關系,我們對廣義的APF進行自適應建模,得出其自適應模型后,那么通過離線建?？梢缘玫阶赃m應模型的逆模型i=f-1(V),也即圖2中的C (z

11、)。得到逆模型后,此逆模型的復制作為控制器來實現對有源濾波器的控制。控制器的輸出信號i*s作為離線逆建模過程的指令信號。而控制器的輸入信號可以設定為直流端電容電壓的參考信號V*dc。由于C (z)為APF模型的逆模型,因此在離線過程收斂的情況下,APF的模型與C (z)的級聯傳函即為1。在控制電路中,廣義APF與C (z)的級聯傳函也為1,那么將控制器的輸入指令給定為參考信號V*dc,廣義的APF在完全收斂的情況下就跟蹤這個輸入信號。此控制方法中因為將廣義的APF看作一個整體來控制,通過控制直流端電容電壓的輸出來控制整個APF,比起傳統(tǒng)的控制方法來說,既不用再為直流端電容電壓另設一套控制線路,

12、又不存在任何參數調節(jié)困難的問題,而且因為是采用自適應濾波器,對濾波電路中參數的改變不敏感,因此比較可靠。2.3自適應濾波器及算法的設計傳統(tǒng)的無限沖擊響應(infinity impulse re-sponse, IIR)濾波器雖然性能較好,但相位移大,無法引入到APF的實時控制之中,而有限沖擊響應FIR濾波器可做到較小相移9,在本算法中采用2階有限沖擊響應(finite impulse response,FIR)濾波器即可滿足要求。最小均方算法(least-mean square, LMS)由于計算簡單、量小、便于實現,算法的跟蹤性能較好,而且因為在本控制系統(tǒng)中不管是廣義APF的自適應模型,還是

13、由此模型得到的控制器,采用FIR結構的濾波器只需2階即可滿足要求,因此本文采用的自適應算法為LMS算法。3不同電源電壓情況下補償性能的仿真研究針對所研究的算法,建立了基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器的仿真模型,仿真中的電路不變參數見表1。電源阻抗補償支路電感電源電壓自適應濾波參數直流側電容二極管整流橋負載0.3mH5mH220VN=2,=0.0012200F50mH，30（串聯）表1仿真模型的電路參數3.1電源電壓為理想情況時的仿真研究對理想電源電壓情況可用如下方程表示:Ua=U1sin（kt） Ua=U1sin（kt-1200） （5）Ua=U1sin(kt+1200）式中:U1為22

14、0 V的峰值電壓;k為基波頻率,50Hz。3.2電源電壓畸變情況時的仿真研究當電源電壓發(fā)生畸變時,用如下方程式表示:ea=U1sinkt+U2sin5kt ea=U1sinkt-1200+U2sin5kt-1200 (6)ea=U1sinkt+1200+U2sin5kt+1200其中,U1,k定義同式(5),U2= 22V。此時電源電壓發(fā)生了5次畸變。3.3電源電壓不平衡時的仿真研究電源電壓不平衡時的情況用如下的方程式來表示:ea=U1sinkt+U2sinkt ea=U1sinkt-1200+U2sinkt-1200 (7)ea=U1sinkt+1200+U2sinkt+1200其中,U1,

15、k及U2的定義如同式(6)。此時因為電源電壓中含有負序電壓,所以電壓不再是平衡的。圖3為幾種情況的仿真結果。圖3a為負載電流的波形,在幾種電源電壓情況下負載電流基本不變,從其諧波含量圖可以看出,在補償前電源電流畸變嚴重,單次諧波如5、7次諧波含量都非常高。圖3b、圖3c、圖3d分別為理想電源電壓、電源電壓畸變時及電源電壓不平衡時3種補償后的電網電流波形及諧波含量圖。從圖3可以看出,無論是對理想的電源還是當電源電壓發(fā)生畸變或者不平衡,補償后的電網電流中單次諧波含量都比較低,而且在負載電流跳變點處不存在任何尖峰,這說明基于自適應逆控制的有源濾波器具有較好的動態(tài)跟蹤補償性能,而不管電網情況是否理想。

16、表2定量地描述了補償前后電網電流中最高次諧波及其含量。從表2中可以看出對于3種電源電壓情況來說,補償后的單次諧波含量大大降低,說明所提出的控制方式具有較好的補償性能。負載電流最高次諧波含量%714.222510.921補償后電網電流理想電源72.16151.976畸變52.081131.908不平衡271.599151.586表2補償前后主電流中最高次諧波含量對照表4濾波電感和自適應參數對濾波性能影響的仿真在表1其它參數不變的情況下,對理想電源電壓情況,分別改變補償支路的濾波電感和自適應步長參數,仿真研究濾波器相應的補償性能,表3、表4分別為相應參數改變時所對應的補償后主電流中所含的最高次諧波

17、圖3,4,5為matlab仿真模型。圖3圖4圖5表3濾波電感變化時的補償效果對照表濾波電感L/mH最高次諧波含量/%17385.9045.289237132.9512.30931.2518.752.0101.907423351.6411.61255171.6351.454623111.5621.38171171.5401.47081172.1762.08895113.6833.497表4自適應參數變化時的補償效果對照表自適應步長參數最高次諧波含量/%22232.9211.42711152.0241.369055351.4881.4410.15171.5811.1740.051.52.51.70

18、91.6150.015111.5201.4950.0011771.5261.350當主電路濾波電感在一定范圍內變化時,APF的濾波性能并沒有受到明顯的影響。對于選定的負載,濾波電感的選取有一個最佳值,從表3可以看出,當濾波電感值為6mH時主電流的諧波含量最低,當電感值在其附近變化時,濾波性能逐漸變差,但是總體來說,并聯型有源電力濾波器對電路參數的變化不是很敏感。而對于建模和離線建模過程自適應參數來說,為簡化起見,在本仿真中取相同的值。從表4可以看出,本算法中的自適應參數可以在一個較大的范圍內取值,只要保證建模以及離線建模過程是收斂的,APF都能取得較好的濾波效果。相對來說,稍微大些的自適應參數

19、具有較好的濾波效果。5結論本文首次將自適應逆控制的思想,應用于有源電力濾波器的研究,提出了基于自適應逆控制的并聯型有源電力濾波器,并且對所提出的控制方法進行了仿真研究,本方法不僅簡單易行,而且具有可靠的性能,因為算法本身的自適應性能,因此在較大的范圍內對電路參數的變化不敏感。仿真結果表明,將自適應逆控制用于有源電力濾波器的控制,不但理想電源情況下可以產生較好的補償效果,而且當電網中電源發(fā)生畸變和不平衡時仍然可以取得非常好的控制效果,仿真結果表明了所提出的控制方法的有效性。參考文獻1W idrow B, W alach E. Adaptive Inverse ControlJ. ControEn

20、gineering Practice, 1997, 5(1): 1461472W idrow B, W alach E著.劉樹棠,韓崇昭譯.自適應逆控制M .西安:西安交通大學出版社, 20003W idrow B, Bilello M. Adaptive Inverse ControlC . Pro-ceeding of the 1993 International Symposium on IntelligentControl. Chicago, 1993: 164趙斌,張如輝,齊占慶.基于自適應逆控制的飛機客艙消噪系統(tǒng)J.控制工程, 2002, 9(6): 84865Jianm ing Lu, Muhammad Shafiq, Takashi Yahagi. M odeReference Adaptive Control forNonm inimum Phase Systemand ItsA