有源电力滤波器分数阶PI制造技术

本发明专利技术公开了一种有源电力滤波器分数阶PI

【技术实现步骤摘要】
有源电力滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法
本专利技术涉及有源电力滤波
，尤其涉及了一种有源滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法。
技术介绍
随着社会的进步和发展，人们的生活水平日益提高，大量的用电设备投入到日常的生产生活中，随之而来的就是，电网中出现大量的谐波和无功功率的污染，这严重影响着电能的质量。电网中存在谐波电压或谐波电流会增加电力系统设备的附加损耗，导致测量和自动控制仪器失灵等问题，影响了设备的使用效率，严重时可能会因线路过热引起火灾。目前主要采用外部谐波补偿装置来补偿谐波，滤波器分为无源滤波器和有源滤波器两种。无源滤波器对谐波的控制效果受系统的阻抗特性影响很大，极易受到温度、谐波和非线性负载变化的影响，其滤波性能不稳定。除此之外，无源滤波器只能滤除特定阶次的谐波，因此并不适用于谐波情况复杂的场所。存在只能补偿特定谐波等缺陷，所以现在对电能问题的治理主要集中在有源滤波器。相比于无源滤波器，有源滤波器实现了动态补偿，响应速度快；所需储能元件容量不大；受电网阻抗的影响不大，不会和电网阻抗发生谐振等。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的就在于提供了一种有源滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法，混合控制策略充分结合分数阶控制器高精度控制和自抗扰控制器抗干扰能力强等优势，能够确保补偿电流对指令电流的实时跟踪，有效降低了谐波，明显优于传统的控制方法。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种有源电力滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法，包括如下步骤：(1)建立有源电力滤波器的数学动态模型；(2)基于步骤(1)的数学动态模型建立自抗扰控制器，所述自抗扰控制器包括跟踪微分环节(TD)，状态观测器(ESO)，非线性误差状态反馈(NLSEF)；(3)基于步骤(2)的跟踪微分器(TD)和状态观测器(ESO)得到非线性状态误差反馈控制律，该控制率即为有源电力滤波器自抗扰控制器的控制律；(4)基于步骤(1)的数学动态模型建立分数阶PIλ控制器，采用分数阶PIλ控制器对有源电力滤波器直流侧电容电压进行控制；(5)将有源电力滤波器自抗扰控制器的控制律，输入PWM控制器中生成控制逆变器开关的信号，对主电路中的开关管进行控制，产生电路要求的补偿电流，注入电网实现电流补偿和无功消除。作为一种优选方案，所述步骤(1)具体包括：根据电路理论和基尔霍夫定理对有源电力滤波器建模可得到如下公式：式(1)中，vn,inn＝1,2,3是指有源电力滤波器中每一相的电压和电流，Lc和Rc是有源电力滤波器自身的电感和电阻，v1M,v2M,v3M和vMN是主电路的各部分电压；当交流侧电源电压稳定，可以得到:式(2)中，v1M,v2M,v3M是主电路开关器件的电压；并定义ck为开关函数，指示IGBT的工作状态，定义如下：式(3)中，sk是开关的状态函数，其中，k＝1,2,3；同时，vkM＝ckvdc，结合式(1)可得到：式(4)中，i1,i2,i3和v1,v2,v3是有源电力滤波器的每一相电流和电压，vdc是直流侧电容电压，Lc和Rc是有源电力滤波器自身的电感和电阻，c1，c2，c3分别代表主电路三相开关函数，cm是主电路中三组开关函数；同时，式(4)的数学模型可以得到三个单相的表达式，为：式(5)中，isi是电网电流，b是常数，u是系统的控制量，是系统各干扰的和，L是电感值，R是电阻值。作为一种优选方案，所述步骤(2)具体包括：利用自抗扰控制器的原理，将式(4)中的vi视为模型的不确定项，令其中，是系统各干扰的和，vi是三相滤波器电压，b是常数，ci是主电路中三组开关函数，cm是主电路中三组开关函数，udc是直流侧电压，L是电感值，则系统可以写成式(5)；将检测谐波电流的给定值is*和实际的有源电力滤波器实际输出的补偿电流is作差，作为自抗扰控制器的参考输入，开关函数u作为系统的控制量，控制目标是使有源电力滤波器交流侧实际输出的补偿电流ic，能够跟踪给定值ic*；设定一阶跟踪微分器(TD)的输出为：Z1，1＝-k0fal(z11-ref，α0，δ0)(6)式(6)中，z1,1是参考输入的跟踪信号，k0,α0,δ0为待选参数，构建状态观测器(ESO)如下式所示：式(7)中，Z2,1,Z2,2是状态观测器(ESO)中估计对象的一阶状态变量和二阶状态变量，fal(e,a,δ)是非线性函数，b是常数，u(t)是系统控制量，其中e＝z2,1-is，is是电网电流，k11,k12,α1,δ1为待选参数。作为一种优选方案，所述步骤(3)具体包括：基于跟踪微分器(TD)和误差状态观测器(ESO)，得到非线性状态误差反馈控制律：式(8)中，u0,u是系统的控制变量，k2,α,δ是待调参数，b是常数，z2，2是状态观测器中的二阶状态变量，fal(e1，α，δ)是非线性函数。作为一种优选方案，所述步骤(4)具体包括：分数阶PIλDμ控制器的传递函数为：式(9)中，Kp是比例系数，Ki是积分系数，Kd微分系数，s是传递函数的基本变量，λ是积分阶数，μ是微分阶数，其中，积分阶数λ和微分阶数μ可为任意实数值；含有PI环节的FO-PIλ控制器的传递函数为：式(10)中，Kp是比例系数，Ki是积分系数，s是传递函数的基本变量，λ是积分阶数；分数阶控制器采用Flatphase法与幅值裕量Am和相位裕量指标，开环系统幅相参数之间应满足如下关系：{|Gk(jωc)|}dB＝{|Gs(jωc)Gfo(jωc)|}dB＝0(13)式(11)、(12)、(13)中：Gs(jω)表示被控对象的频率响应，Gfo(jω)表示控制器的频率响应，Gk(jω)表示开环频率响应，其中，ωc为截至频率，是幅值裕量，j表示虚数，ω是实数频率。根据式(11)，得到FO-PIλ控制器的频率响应为：式(14)中，Kp是比例系数，Ki是积分系数，λ是积分阶数，j表示虚数，ω是实数频率；FO-PIλ控制器的相位和幅值为：式(15)中，Kp是比例系数，Ki是积分系数，λ是积分阶数，Gfo(jω)是控制器频率响应，j表示虚数，ω是实数频率；由于被控对象的传递函数已知，被控对象传递函数为：式(16)中，udcr是直流侧电压的参考值，是低通滤波器，Tc是低通滤波器的系数，C是电容值，s是传递函数的基本变量；因此，被控对象的频率响应为：式(17)中，Tc是低通滤波器的系数，C是电容值，j表示虚数，ω是实数频率；被控对象Gs(s)的相位和幅值为：式(18)中，Tc是低通滤波器的系数，C是电容值，j表示虚数，ω是实数频率，Gfo(jω)是控制器的频率响应；因此，系统开环函数为：Gk(s)＝Gfo(s)Gp(s)(19)式(19)中，Gp(s)表示被控对象的传递函数，Gfo(s)表示控制器的传递函数，Gk(s)表示开环传递函数；系统开环频率响应及其相位和幅值为：式(20)、(21)中，Gk(jω)是开环频率响应，Gfo(jω)是控制器的频率响应，Gs(jω)是被控对象的频率响应，j表示虚数，ω是实数频率，ωc为截至频率，Tc是低通滤波器的系数，C是电容值，Kp是比例系数，Ki是积分系数，λ是积分阶数；由式(11)，式(12)可得：式(22)、(23)中，ω是实数频率，Tc是低通滤波器的系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有源电力滤波器分数阶PI

【技术特征摘要】
1.一种有源电力滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立有源电力滤波器的数学动态模型；(2)基于步骤(1)的数学动态模型建立自抗扰控制器，所述自抗扰控制器包括跟踪微分环节(TD)，状态观测器(ESO)，非线性误差状态反馈(NLSEF)；(3)基于步骤(2)的跟踪微分器(TD)和状态观测器(ESO)得到非线性状态误差反馈控制律，该控制率即为有源电力滤波器自抗扰控制器的控制律；(4)基于步骤(1)的数学动态模型建立分数阶PIλ控制器，采用分数阶PIλ控制器对有源电力滤波器直流侧电容电压进行控制；(5)将有源电力滤波器自抗扰控制器的控制律，输入PWM控制器中生成控制逆变器开关的信号，对主电路中的开关管进行控制，产生电路要求的补偿电流，注入电网实现电流补偿和无功消除。2.根据权利要求1所述的一种有源电力滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法，其特征在于：所述步骤(1)具体包括：根据电路理论和基尔霍夫定理对有源电力滤波器建模可得到如下公式：式(1)中，vn,inn＝1,2,3是指有源电力滤波器中每一相的电压和电流，Lc和Rc是有源电力滤波器自身的电感和电阻，v1M,v2M,v3M和vMN是主电路的各部分电压；当交流侧电源电压稳定，可以得到:式(2)中，v1M,v2M,v3M是主电路开关器件的电压；并定义ck为开关函数，指示IGBT的工作状态，定义如下：式(3)中，sk是开关的状态函数，其中，k＝1,2,3；同时，vkM＝ckvdc，结合式(1)可得到：式(4)中，i1,i2,i3和v1,v2,v3是有源电力滤波器的每一相电流和电压，vdc是直流侧电容电压，Lc和Rc是有源电力滤波器自身的电感和电阻，c1，c2，c3分别代表主电路中三组开关函数的状态，cm是主电路中三组开关函数；同时，式(4)的数学模型可以得到三个单相的表达式，为：式(5)中，isi是电网电流，b是常数，u是系统的控制量，是系统各干扰的和，L是电感值，R是电阻值。3.根据权利要求2所述的一种有源电力滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法，其特征在于：所述步骤(2)具体包括：利用自抗扰控制器的原理，将式(4)中的vi视为模型的不确定项，令其中，是系统各干扰的和，vi是三相滤波器电压，b是常数，ci是主电路中三组开关函数，cm是主电路中三组开关函数，udc是直流侧电压，L是电感值，则系统可以写成式(5)；将检测谐波电流的给定值is*和实际的有源电力滤波器实际输出的补偿电流is作差，作为自抗扰控制器的参考输入，开关函数u作为系统的控制量，控制目标是使有源电力滤波器交流侧实际输出的补偿电流ic，能够跟踪给定值ic*；设定一阶跟踪微分器(TD)的输出为：Z1，1＝-k0fal(z11-ref，α0，δ0)(6)式(6)中，z1,1是参考输入的跟踪信号，k0,α0,δ0为待选参数，构建状态观测器(ESO)如下式所示：式(7)中，Z2,1,Z2,2是状态观测器(ESO)中估计对象的一阶状态变量和二阶状态变量，fal(e,a,δ)是非线性函数，b是常数，u(t)是系统控制量，其中e＝z2,1-is，is是电网电流，k11,k12,α1,δ1为待选参数。4.根据权利要求3所述的一种有源电力滤波器分数阶PIλ及自抗扰混合控制方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括：基于跟踪微分器(TD)和误差状态观测器(ESO)，得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘倪宣，费峻涛，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32