有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法技术

本发明专利技术公开了有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法，属于电力技术领域。有源电力滤波器是一种有效地补偿谐波的电力电子装置，而直流侧电压控制是其重要技术之一。本发明专利技术以APF直流侧电压自抗扰控制方法为基础，将自抗扰控制方法中的非线性跟踪微分器与非线性扩张状态观测器分别线性化处理，同时将滑模控制中切换函数的设计方法引入到自抗扰控制非线性状态误差反馈控制率中。通过线性扩张状态观测器观测各个状态变量，并与线性跟踪微分器的输出进行比较，所得结果作为滑模状态误差反馈控制率的输入，最终输出补偿电流分量。本发明专利技术在实现直流侧电压稳定的同时，减少了自抗扰控制需要整定的参数个数，提高了其响应速度并增强了抗干扰性能。

【技术实现步骤摘要】
有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法
本专利技术属于有源电力滤波
，更为具体地说，是一种三相三线制并联型有源电力滤波器直流侧电压的控制方法。
技术介绍
随着电力电子技术的迅速发展，大量的电力电子装置投入电网使用，产生了大量的谐波，因而使得电网中的谐波污染日益严重。相较于无源电力滤波器，有源电力滤波器(APF)由于具有能实时检测谐波并且对谐波进行动态补偿的优点，因而在电力系统中得到了广泛应用，而直流侧电压控制是其重要技术之一。目前，APF直流侧电压控制方法主要有PI控制、模糊控制、滑模控制以及自抗扰控制等。APF直流侧电压的PI控制实现简单，响应较快，但在受到干扰时容易引起直流侧电压的超调，鲁棒性较差；APF直流侧电压的模糊控制依靠模糊规则整定控制参数，虽然具有较强的鲁棒性，但控制精度差，同时由于硬件不易实施因而限制了其实际应用；APF直流侧电压的滑模控制是一种简单且控制性能优越的控制方法，通过设计合适的切换函数可以保证状态变量沿着滑模面趋向于原点，但由于惯性的作用会产生抖振；APF直流侧电压的自抗扰控制是一种非线性控制方法，其基于过程误差来消除系统总体控制误差，并可快速地检测系统的内外扰动，并进行精确补偿，但需要整定的参数过多，响应速度较低。
技术实现思路
针对有源电力滤波器运行过程中产生的扰动会影响直流侧电压稳定性的问题。本专利技术提出了一种抗扰性能好、响应速度高并且设计简易的有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法。本专利技术所采用的技术方案如下：一种有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法，包括如下步骤：步骤1，根据有源电力滤波器交直流侧有功功率平衡列写功率平衡方程，即Pac＝Pdc，通过该功率平衡方程进行自抗扰控制器的设计；步骤2，将直流侧电压设定值Udc-ref与直流侧电压实际值Udc分别作为滑模自抗扰控制器中跟踪微分器与扩张状态观测器的输入；步骤3，通过扩张状态观测器观测出直流侧电压实际值Udc的状态变量z1以及扰动的状态变量z2；步骤4，将直流侧电压设定值Udc-ref经过跟踪微分器的跟踪信号减去状态变量z1，其结果作为滑模状态误差反馈控制率的输入；步骤6，滑模状态误差反馈控制率的输出再对状态变量z2进行补偿，所得结果作为有源电力滤波器d轴电流调节分量id*。进一步，所述直流侧有功功率的计算中直流侧包含了一个并联电阻R，用来等效代替有源电力滤波器运行过程中的功率损耗。进一步，扩张状态观测器设计为线性扩张状态观测器，该控制器的具体形式为其中，e1为APF直流侧电压状态估计值与实际值的差值；z1为APF直流侧电压的状态估计值；z2为扰动的状态估计值；id为交流侧电流的d轴分量；β1与β2为可调参数；b为反馈系数。进一步，跟踪微分器设计为线性跟踪微分器，具体形式为其中，r为一可调参数，其大小正比于跟踪速度；Udc1为Udc-ref的跟踪信号；Udc2为Udc1的导数。进一步，所述步骤4与步骤6中，还包含步骤5：在状态误差反馈控制率环节的设计中引入滑模控制切换函数的设计方法。该方法要求先建立一个滑模面，在满足李雅普诺夫稳定性原则的条件下可以保证系统状态点在控制率的作用下快速的趋向于滑模面原点。进一步，所述步骤5的具体方法包括步骤5.1，构造滑模控制的滑模面为s＝ce，其中c为常数，e为直流侧电压设定值经过线性跟踪微分器的跟踪信号与线性扩张状态观测器观测的状态变量z1的差值；步骤5.2，滑模控制的趋近律函数设计为g(e)＝-εsgn(s)，ε为常数，并且令则设计后的滑模状态误差反馈控制率为其中，id1为经过滑模状态误差反馈控制率后的输出量，g(e)为滑模控制中的趋近律函数。进一步，所述步骤5中趋近律的设计中，为了削弱滑模控制中的抖振现象，采用抗抖振函数来代替符号函数sgn(s)，其中，σ为抗抖振因子，改进后的id1＝-εG(s)。进一步，所述步骤1中滑模状态反馈率的输出为有源电力滤波器d轴电流调节分量id*，该调节量id*的具体计算方法为：id*＝id1-z2/b。本专利技术的有益效果为：针对有源电力滤波器运行过程中可能会存在内外扰动以及参数变动等问题，本专利技术提出了一种有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法。该方法通过扩张观测器观测APF运行过程中的扰动并进行实时补偿，能够在发生扰动时很好地维持有源电力滤波器直流侧电压的稳定。相较于有源电力滤波器直流侧电压的自抗扰控制方法，本方法参数设计简易，抗扰性能好，响应速度高。附图说明图1三相并联型有源电力滤波器拓扑结构图2滑模自抗扰控制方法原理框图图3滑模自抗扰控制方法控制框图图4启动时APF直流侧电压的自抗扰控制与滑模自抗扰响应对比图图5负载扰动变化时APF直流侧电压的自抗扰控制与滑模自抗扰响应对比图图6自抗扰控制下的网侧电流THD图7滑模自抗扰控制下的网侧电流THD图8自抗扰控制下的APF系统启动时直流侧电压的实验结果图9滑模自抗扰控制下的APF系统启动时直流侧电压的实验结果具体实施方式下面结合附图，对本专利技术进行详细描述，以便本领域的技术人员更好地理解本项专利技术。需要特别注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。根据图1所示的三相三线制并联型有源电力滤波器的电路拓扑结构以及其工作在稳定状态时的交直流侧有功功率平衡关系列写功率平衡方程为：式中，Udc为APF直流侧电压值；us为网侧交流电压有效值；id为交流侧电流的d轴分量；C为直流侧电容值；R为直流侧并联的等效电阻值。根据状态平衡可知，APF直流侧电压的控制满足一阶自抗扰控制的数学模型，因此可按照一阶自抗扰控制器的设计规则对APF直流侧电压的控制设计自抗扰控制器。根据图2，APF直流侧电压的滑模自抗扰控制方法包含三个部分的设计：线性跟踪微分器，线性扩张状态观测器和滑模状态误差反馈控制率。这三个部分的具体设计方法如下：首先为APF直流侧电压设定一个固定值Udc-ref，此设定值用来作为线性跟踪微分器的输入，线性跟踪微分器的输出为设定值Udc-ref的跟踪信号，具体的设计规则为式中，r为一可调参数，其大小正比于跟踪速度；Udc1为Udc-ref的跟踪信号；Udc2为Udc1的导数。针对APF直流侧电压控制设计的扩张状态观测器为线性扩张状态观测器，其将APF直流侧电压的实际值作为输入，并实时地观测APF运行过程中产生的扰动信号，因此线性扩张状态观测器的输出为APF直流侧电压实际值的跟踪信号z1，以及观测到的扰动的跟踪信号z2,具体的设计规则为式中，e1为APF直流侧电压状态估计值与实际值的差值；z1为APF直流侧电压的状态估计值；z2为扰动的状态估计值；id为交流侧电流的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，根据有源电力滤波器交直流侧有功功率平衡得到功率平衡方程，即/n

【技术特征摘要】
1.有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据有源电力滤波器交直流侧有功功率平衡得到功率平衡方程，即



步骤2，将直流侧电压设定值Udc-ref与直流侧电压实际值Udc分别作为滑模自抗扰控制器中跟踪微分器与扩张状态观测器的输入；
步骤3，通过扩张状态观测器观测出直流侧电压实际值Udc的状态变量z1以及扰动的状态变量z2；
步骤4，将直流侧电压设定值Udc-ref经过跟踪微分器后的跟踪信号减去观测出的状态变量z1，其结果作为状态误差反馈控制率的输入；
步骤6，滑模状态误差反馈控制率的输出再对状态变量z2进行补偿，所得结果作为有源电力滤波器d轴电流调节分量id*。


2.根据权利要求1所述的有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤1中，直流侧有功功率的计算中包含了一个并联电阻R，用来等效代替有源电力滤波器运行过程中的功率损耗。


3.根据权利要求1所述的有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤3中，扩张状态观测器设计为线性扩张状态观测器，该控制器的具体形式为





4.根据权利要求1所述的有源电力滤波器直流侧电压的滑模自抗扰控制方法，其特征在于，所述步骤4中，跟踪微分器设计为线性跟踪微分器，具体形式为



式中...

【专利技术属性】
技术研发人员：戎杰，李自成，刘国海，许德志，陈兆岭，张荣标，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32