專(zhuān)利名稱(chēng)：有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專(zhuān)利屬于有源電力濾波技術(shù)，特別涉及一種有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展，電力負(fù)荷越來(lái)越復(fù)雜，形成了電力系統(tǒng)諧波的容量大、時(shí)變的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的LC無(wú)源濾波器越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用和電力系統(tǒng)的要求，隨著有源電力濾波器(APF)的出現(xiàn)，為電網(wǎng)諧波治理提供了一種重要的方式。有源電力濾波器通過(guò)向電網(wǎng)注入一定補(bǔ)償電流來(lái)抵消負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流，其應(yīng)用克服了LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制方法的一些缺點(diǎn)，它既可補(bǔ)償非線性負(fù)荷產(chǎn)生的高次諧波，又能自動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)阻抗和頻率的快速變化，并且具有高可控性和快速響應(yīng)性。
有源電力濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)中存在著兩個(gè)方面的延時(shí)，一方面是有源電力濾波器數(shù)字化控制器的信號(hào)在每個(gè)環(huán)節(jié)的信號(hào)處理中都會(huì)引起有源電力濾波器補(bǔ)償電流相位的滯后；另一方面，數(shù)字化控制的特點(diǎn)是控制指令每隔一定的周期更新一次，控制指令的更新周期大于等于系統(tǒng)的采樣周期，從當(dāng)前周期更改了控制指令的時(shí)刻開(kāi)始，到下一個(gè)周期更改控制指令之前，系統(tǒng)的控制信號(hào)保持不變，并不是實(shí)時(shí)跟隨控制對(duì)象的變化而變化，這是引起數(shù)字化控制器控制誤差的更重要的原因。
理論研究表明在同一延時(shí)下，諧波次數(shù)越高，補(bǔ)償殘余度越大；對(duì)于某次諧波，延時(shí)越大，補(bǔ)償殘余度越大。解決數(shù)字化控制器的延時(shí)有兩種措施，一是采用快速微處理器，二是采用信號(hào)預(yù)測(cè)方法。第一種方法只能緩解數(shù)字化控制器引起的延時(shí)，并不能有效地減小延時(shí)對(duì)有源電力濾波器補(bǔ)償性能的影響，因此，不是理想的解決措施。信號(hào)預(yù)測(cè)方法是從信息處理方面解決延時(shí)問(wèn)題的，它有較強(qiáng)的處理復(fù)雜的非線性、時(shí)變性和不確定性工業(yè)過(guò)程控制的能力，可完全由軟件實(shí)現(xiàn)，不需增加任何硬件，因而是一種較經(jīng)濟(jì)的解決措施。
但是，采用信號(hào)預(yù)測(cè)方法的前提是信號(hào)具有可預(yù)測(cè)性。考慮到大多數(shù)電力負(fù)荷屬于可預(yù)測(cè)性負(fù)荷，而且，電力系統(tǒng)主要的諧波污染源——各種變流裝置也屬于可預(yù)測(cè)性負(fù)載，因此，有源電力濾波器選擇使用信號(hào)預(yù)測(cè)方法，來(lái)研究解決有源電力濾波器數(shù)字化控制器延時(shí)的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法。這種預(yù)測(cè)控制方法能夠有效的解決數(shù)字化控制器的延時(shí)問(wèn)題，從而使有源電力濾波器的輸出能跟蹤電網(wǎng)電流的變化，實(shí)現(xiàn)諧波電流完全補(bǔ)償。
本有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法包括以下步驟將補(bǔ)償前的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)畸變電流信號(hào)is(n)通過(guò)ip，iq算法得到它的基波分量isf(n)；將電網(wǎng)電流基波分量isf(n)進(jìn)行幅值估計(jì)，得到其幅值大小，isf(n)除以其幅值則得到單位信號(hào) 作為自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器的輸入信號(hào)，濾波器的輸出信號(hào)與幅值相乘即為預(yù)測(cè)得到的理想的下一時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 isf(n)與補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流信號(hào)is(n)相減，得到的結(jié)果為補(bǔ)償誤差ε(n)，ε(n)與反饋校正系數(shù)λ相乘即為誤差校證信號(hào)λε(n)， 與λε(n)相加得到實(shí)際預(yù)測(cè)輸出的下一時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 補(bǔ)償前的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)畸變電流信號(hào)is(n)與預(yù)測(cè)得到的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 相減，得到當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)電流諧波分量，即為有源電力濾波器需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流信號(hào)；將得到的諧波分量進(jìn)行PWM調(diào)制，即得到等效的PWM脈沖信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的有源電力濾波器的自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制方法預(yù)測(cè)精度高，收斂速度快，有效地減小了有源電力濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)中存在的延時(shí)，以及延時(shí)對(duì)有源電力濾波器補(bǔ)償性能的影響，即使電網(wǎng)頻率或幅值發(fā)生變化，仍可準(zhǔn)確地得到期望結(jié)果。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是基于FIR自適應(yīng)濾波器的預(yù)測(cè)算法原理框圖。
圖2是基于自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法的計(jì)算有源電力濾波器補(bǔ)償參考電流的整體思想結(jié)構(gòu)圖。
圖3是自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法和內(nèi)插值算法的數(shù)據(jù)流程圖。
圖4有源電力濾波器自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制方法的原理框圖。
圖5有源電力濾波器自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制方法的具體實(shí)現(xiàn)示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是基于FIR自適應(yīng)濾波器的預(yù)測(cè)算法的原理框圖。基于FIR模型的自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器的輸出y可表示為當(dāng)前和過(guò)去輸入x的線性組合y^(n+1)=Σk=0N-1hkx(n-k)=H′·X(n)···(1)]]>式中，X′(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-N+1)]為自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器輸入信號(hào)向量。H′＝[h0，h1，…，hN-1]為預(yù)測(cè)濾波器的系數(shù)向量，是決定預(yù)測(cè)濾波器性能的關(guān)鍵因素，為了增強(qiáng)算法在動(dòng)態(tài)條件下的適應(yīng)性，應(yīng)對(duì)它進(jìn)行反復(fù)地在線優(yōu)化。N為數(shù)據(jù)窗的長(zhǎng)度，是影響濾波器性能的另外一個(gè)因素。自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器的原理框圖如圖1所示。圖1中，y(n)為期望輸出， 為預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果，e(n)為期望輸出與預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果之間的誤差，即e(n)=y(n)-y^(n)···(2)]]>濾波器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整算法就是跟據(jù)該誤差信號(hào)，采取一定的準(zhǔn)則，來(lái)在線優(yōu)化校正濾波器系數(shù)的。
圖2是基于自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法的計(jì)算有源電力濾波器補(bǔ)償參考電流的整體思想結(jié)構(gòu)圖。假設(shè)系統(tǒng)的采樣頻率為fs，每電網(wǎng)周期采樣M點(diǎn)數(shù)據(jù)。檢測(cè)電網(wǎng)畸變電流，采用ip，iq諧波電流檢測(cè)算法計(jì)算電網(wǎng)基波電流。從當(dāng)前時(shí)刻開(kāi)始，從過(guò)去的一個(gè)電網(wǎng)周期的電網(wǎng)基波電流數(shù)據(jù)中等間隔地抽取N個(gè)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些歷史基波數(shù)據(jù)(采樣頻率為fs/k)，采用自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法預(yù)測(cè)從當(dāng)前采樣周期開(kāi)始第k個(gè)采樣周期的電網(wǎng)基波電流，當(dāng)前采樣周期與第k個(gè)采樣周期之間的其它采樣周期的電網(wǎng)基波電流采用內(nèi)插值算法計(jì)算得到。
圖3是自適應(yīng)預(yù)測(cè)算法和內(nèi)插值算法的數(shù)據(jù)流程圖。圖中左邊虛線框中的數(shù)據(jù)即為直接預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果，右邊虛線框中數(shù)據(jù)為內(nèi)插值計(jì)算結(jié)果。在接下來(lái)的k個(gè)采樣周期內(nèi)，只需檢測(cè)總的電網(wǎng)電流，并執(zhí)行一次減法運(yùn)算，即從檢測(cè)得到的電網(wǎng)電流中減去電網(wǎng)基波電流的預(yù)測(cè)值，就可得到有源電力濾波器的參考電流。本發(fā)明所提出的方法中，預(yù)測(cè)算法和內(nèi)插值算法每k個(gè)采樣周期執(zhí)行一次，即只在n＝k*i(i＝0，1，…，N-1)的采樣周期內(nèi)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，而在其它采樣周期不進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，濾波器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)算則安排在這些采樣周期內(nèi)完成，下一個(gè)n＝k*(i+1)(i＝0，1，…，N-1)采樣周期到來(lái)之前，新的濾波器系數(shù)已準(zhǔn)備好。這樣分配計(jì)算任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)是，使得濾波器系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)算不影響功能程序的執(zhí)行，并且保證系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整運(yùn)算有充裕的時(shí)間完成。
圖4為有源電力濾波器自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制方法的原理框圖。首先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理，從總的電網(wǎng)畸變電流中預(yù)測(cè)將來(lái)時(shí)刻的電網(wǎng)基波電流，在將來(lái)的那個(gè)采樣周期，只需檢測(cè)電網(wǎng)畸變電流，從總的電流中減去基波電流的預(yù)測(cè)值即為有源電力濾波器的參考電流，然后根據(jù)參考電流計(jì)算并發(fā)出PWM信號(hào)。期望信號(hào)——電網(wǎng)基波電流采用ip，iq法計(jì)算得到。
圖5為有源電力濾波器自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制方法的具體實(shí)現(xiàn)示意圖。其工作過(guò)程如下1)將補(bǔ)償前的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)畸變電流信號(hào)is(n)通過(guò)ip，iq算法得到它的基波分量isf(n)；2)將電網(wǎng)電流基波分量isf(n)進(jìn)行幅值估計(jì)，得到其幅值大小，isf(n)除以其幅值則得到單位信號(hào) 作為自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器的輸入信號(hào)，自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器的輸出信號(hào)與幅值相乘即為預(yù)測(cè)得到的理想的下一時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 3)isf(n)與補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流信號(hào)is(n)相減，得到的結(jié)果為補(bǔ)償誤差ε(n)，ε(n)與反饋校正系數(shù)λ相乘即為誤差校證信號(hào)λε(n)， 與λε(n)相加得到實(shí)際預(yù)測(cè)輸出的下一時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 4)補(bǔ)償前的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)畸變電流信號(hào)is(n)與預(yù)測(cè)得到的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 相減，得到當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)電流諧波分量，即為有源電力濾波器需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流信號(hào)；5)將得到的諧波分量進(jìn)行PWM調(diào)制，即得到等效的PWM脈沖信號(hào)，PWM脈沖信號(hào)用于控制逆變器IGBT的通斷，逆變器輸出的諧波電流通過(guò)注入電路注入到電網(wǎng)中即ic(n)，ic(n)與負(fù)載電流iL(n)的差值即為補(bǔ)償后的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)電流is(n)。
本發(fā)明的有源電力濾波器的自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制方法中，本時(shí)刻只需檢測(cè)電網(wǎng)畸變電流，從總的電流中減去基波電流的預(yù)測(cè)值即為有源電力濾波器的參考電流。即在本時(shí)刻只需檢測(cè)電網(wǎng)畸變電流，而不需做任何濾波算法，從而大大減少了信號(hào)處理過(guò)程中的延時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法，包括以下步驟將補(bǔ)償前的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)畸變電流信號(hào)is(n)通過(guò)ip，iq算法得到它的基波分量isf(n)；將電網(wǎng)電流基波分量isf(n)進(jìn)行幅值估計(jì)，得到其幅值大小，isf(n)除以其幅值則得到單位信號(hào) 作為自適應(yīng)預(yù)測(cè)濾波器的輸入信號(hào)，濾波器的輸出信號(hào)與幅值相乘即為預(yù)測(cè)得到的理想的下一時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量isf(n);^]]>isf(n)與補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流信號(hào)is(n)相減得到補(bǔ)償誤差ε(n)，ε(n)與反饋校正系數(shù)λ相乘即為誤差校證信號(hào)λε(n)， 與λε(n)相加得到實(shí)際預(yù)測(cè)輸出的下一時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 補(bǔ)償前的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)畸變電流信號(hào)is(n)與預(yù)測(cè)得到的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)電流基波分量 相減，得到當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)電流諧波分量，即為有源電力濾波器需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流信號(hào)；將得到的諧波分量進(jìn)行PWM調(diào)制，即得到等效的PWM脈沖信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法，所述自適應(yīng)濾波器為FIR自適應(yīng)濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法，所述自適應(yīng)濾波器系數(shù)的優(yōu)化方法采用改進(jìn)型LMS算法，電網(wǎng)基波電流采用內(nèi)插值算法計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法，所述FIR自適應(yīng)濾波器只采樣當(dāng)前周期與第k個(gè)周期的電網(wǎng)電流信號(hào)，它們之間的其它采樣周期的電網(wǎng)基波電流采用內(nèi)插值算法計(jì)算得到。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種有源電力濾波器的預(yù)測(cè)控制方法，將補(bǔ)償前的當(dāng)前時(shí)刻電網(wǎng)畸變電流信號(hào)通過(guò)i
文檔編號(hào)H02J3/01GK1747274SQ20051003204
公開(kāi)日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月23日
發(fā)明者羅安, 章兢, 賈煜, 范瑞祥, 周柯, 唐杰 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)