有源电力滤波器的电网电流检测K值控制法.pdf

摘要
申请专利号：	CN201210322237.2	申请日：	2012.09.01
公开号：	CN102882209A	公开日：	2013.01.16
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H02J 3/01申请日:20120901\|\|\|公开
IPC分类号：	H02J3/01; H02J3/18	主分类号：	H02J3/01
申请人：	华南理工大学
发明人：	田新良; 杨苹; 张金国
地址：	510640 广东省广州市天河区五山路381号
优先权：
专利代理机构：	广州粤高专利商标代理有限公司 44102	代理人：	何淑珍
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内容摘要

本发明公开了一种有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法，具体是：直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。该方法通过控制的方式彻底消除电流检测的测量误差。同时，该方法通过测量电网电流来实现，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。本发明还简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。

权利要求书

权利要求书一种有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法，其特征在于：直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。一种有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法，其特征在于包括以下步骤：检测电网电流和补偿输出电流；求负载电流，；将负载电流il加上K倍电网电流in作为新的负载参考电流il*，；通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流。通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。根据权利要求2所述的电网电流检测‑K值控制法，其特征在于步骤4）中的补偿需求是指如果有源滤波器装置需要对谐波、无功、零序电流同时进行补偿，则只需要将基波分量从中分离出来得到，包含了补偿输出谐波、无功、零序等多个参考电流分量，如果不需要对其中一个或多个电流分量进行补偿，则将无需补偿的电流分量同时从中分离出来。根据权利要求2所述的电网电流检测‑K值控制法，其特征在于步骤5）中的功率器件为分立IGBT模块或IPM模块。根据权利要求1~4任一项所述的电网电流检测‑K值控制法，其特征在于所述K值的取值是依据闭环系统的输出值来确定；K值取值方法为：先通过等步长爬山法取K值，比较不同K值下闭环系统的输出值，从而逼近K值的最优值区域，然后再通过变步长爬山法，比较不同K值下闭环系统的输出值，来精确K值的最优解。

说明书

说明书有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法
技术领域
本发明涉及电力系统无功谐波补偿领域，具体涉及一种有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法。
背景技术
在电力系统无功谐波补偿领域，电网电流                                                、补偿输出电流、负载电流都是通过CT及采样电路来测量得到的。然而由于周围环境不理想、CT精度不够高、电子元器件不够精密等因素的限制,测得的结果与被测量实际数值总会存在一定差别,这种差别称为测量误差。测量误差的存在大大影响了无功谐波补偿装置的控制精度。传统的控制方法，工程技术人员只能通过选用昂贵的高精度CT及电子元器件测量电流，来减少测量误差。为此付出了高昂的成本，而效果并不理想。如果能够通过控制的方式消除测量误差，将大大提高补偿装置的控制精度，减少测量成本，推动整个电力系统无功谐波补偿领域的发展。
为了减小系统的给定或扰动稳态误差，一般采用提高开环传递函数中串联积分环节的阶次N，或增大系统的开环放大系数KK的方法。增大开环增益理论上很容易实现，但有源电力滤波器的控制系统比较复杂，一般为双闭环或多闭环的复合控制系统，需要对电网谐波、无功、零序电流及直流侧电压等多个对象进行控制调节，如何将多个控制对象的开环增益调试到最佳，既能减小稳态误差，又能保证系统的稳定性，这在传统的控制方法里是一个非常大的难题。如果能够对每一个控制对象的开环增益进行单独调试，那么很简单就能将每个控制对象的开环增益调试到最优。但在有源电力滤波器控制系统里，由于多控制对象的存在，最终计算得到的总误差电流里通常含谐波、无功、零序电流、直流分量等多个误差分量，想要对这多个误差分量进行单独调节必须先要利用复杂的数学变换将每一个误差分量分离出来，再进行调节，这样不仅使整个控制算法变得复杂，而且带来了计算误差。如果能够在输出总误差电流之前就能够测量到每一个误差分量并单独进行调节，那么以上问题就能迎刃而解。
发明内容
本发明的目的是提供一种有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法，使有源电力滤波器装置通过控制的方式就能彻底消除电流检测的测量误差。同时，该方法通过测量电网电流来实现，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。此外，该方法可对电网谐波、无功、零序电流及直流侧电压的开环增益进行单独调试，只需要很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优，从而简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。
本发明的技术方案如下：
一种有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法，其直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。
具体的，有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法包括以下步骤：
1）            检测电网电流和补偿输出电流；
2）            求负载电流，；
3）            将负载电流il加上K倍电网电流in作为新的负载参考电流il*，
；
4）        通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流。
所述K值的取值是依据闭环系统的输出值来确定；K值取值方法为：先通过等步长爬山法取K值，比较不同K值下闭环系统的输出值，从而逼近K值的最优值区域，然后再通过变步长爬山法，比较不同K值下闭环系统的输出值，来精确K值的最优解。
步骤4）中的补偿需求是指如果有源滤波器装置需要对谐波、无功、零序电流同时进行补偿，则只需要将基波分量从中分离出来得到，包含了补偿输出谐波、无功、零序等多个参考电流分量，如果不需要对其中一个或多个电流分量进行补偿，则将无需补偿的电流分量同时从中分离出来。
步骤5）中的功率器件为分立IGBT模块或IPM模块。
与现有技术相比，本发明的技术效果在于：
电网电流检测‑K值控制法通过控制的方式彻底消除了电流检测的测量误差，工程技术人员不再需要通过选用昂贵的高精度CT及电子元器件测量电流，来减少测量误差，只需要选用普通的CT和电子元器件来测量电流即可。这不但大大减少测量成本，也大大提高控制系统的控制精度。
电网电流检测‑K值控制法可以对谐波、无功、零序电流等多控制对象中的每一个控制对象的开环增益进行单独调节，只需很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优。因此，电网电流检测‑K值控制法也大大简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。
附图说明
为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对技术中描述所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明有源电力滤波器电网电流检测‑K值控制法的原理框图。
图2为传统有源滤波器对负载谐波、无功、零序电流补偿的控制原理框图。
图3为电网电流检测‑K值控制法对电网谐波、无功、零序电流补偿的控制原理框图。
图4为电网电流检测‑K值控制法分离电网电流基波简化后的控制原理框图。
图5为有源滤波器装置电网电流检测‑K值控制法内部原理图。
图6a和图6b为负载电流为100A左右,谐波含量为25.99%时，采用电网电流检测‑K值控制法补偿前与补偿后电网电流谐波含量的示意图。
图7a和图7b为负载电流为100A左右,谐波含量为46.82%时，采用电网电流检测‑K值控制法补偿前与补偿后电网电流谐波含量的示意图。
具体实施方式
以下结合所有附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
采用传统的有源电力滤波器控制方法，其电流检测测量误差对系统误差的影响如下：
传统的有源电力滤波器控制，是通过检测补偿输出电流和负载电流来实现的。其对负载谐波、无功、零序电流进行补偿的控制原理框图如图2所示。因为直流侧电压为一定值，对控制精度要求相对而言并不是很高，在此不做考虑。为分析测量误差对系统误差的影响，在此设定以下参数：
为滤波器补偿输出电流的检测量；
为滤波器补偿输出电流的实际量；
为负载电流的检测量；
为负载电流的实际量；
为负载电流分离基波后的检测量；
为负载电流分离基波后的实际量；
为补偿输出电流的相对测量误差；
为负载电流的相对测量误差；
根据相对误差的定义，和定义如下：
      （1）
      （2）
因为补偿参考电流是由负载电流分离出基波后得到的，其包含负载电流的谐波、无功、零序电流分量，所以的相对测量误差与相等，即：
      （3）
根据实际应用控制系统的测量误差大小，设，;
设为常规控制系统的相对系统误差；
      （4）
设系统处于稳定状态时，误差电流为定值，得，
      （5）
将（1）（3）（5）式代入（4）式得：
      （6）
由（6）式可知，该控制系统的相对系统误差由两部分组成，第一部分系统误差由测量误差产生，假如相对测量误差，，则测量误差产生的系统误差的极限值为：
      （7）
第二部分系统误差由控制系统的误差电流产生，其值由误差电流决定。而第一部分测量误差与补偿输出电流为同一数量级，对系统误差影响巨大，大大降低了控制系统的控制精度。
采用电网电流检测‑K值控制法消除电流检测测量误差的原理如下：
电网电流检测‑K值控制法，是通过检测补偿输出电流和电网电流来实现的。其对电网谐波、无功、零序电流进行补偿的控制原理框图如图3所示。因为直流侧电压为一定值，对控制精度要求相对而言并不是很高，在此不做考虑。
因为系统的补偿控制对象为电网谐波、无功、零序电流，基波分量都必需分离，为了简化推导过程，在此不考虑基波分量，其对电网谐波、无功、零序电流进行补偿的控制原理框图可以简化为图4所示。
为分析电网电流检测‑K值控制法消除测量误差的原理，在此设定以下参数：
为滤波器补偿输出电流分离基波后的检测量；
为滤波器补偿输出电流分离基波后的实际量；
为电网电流的分离基波后的检测量；
为电网电流分离基波后的实际量；
为的相对测量误差；
为的相对测量误差；
根据相对误差的定义，和定义如下：
      （8）
      （9）
根据实际应用控制系统的测量误差大小，设，;
设为新控制系统的相对系统误差，其值为电网谐波无功零序电流实际量比负载谐波无功零序电流实际量。
      （10）
设系统处于稳定状态时，误差电流为定值，得，
      （11）
对于新的控制系统，
      （12）
将（11）式代入（12）式得：
      （13）
由（9）式得，
      （14）
将(13)式代入（14）式得：
      （15）
将（8）（15）代入（10）式得系统误差，
      （16）
因实际控制系统中，会比、、大几个数量级，可以将（16）式简化为：
      （17）
由（17）式可知，采用电网电流检测‑K值控制法之后，相对系统误差与测量误差无关，测量误差已经被彻底消除。
传统的有源电力滤波器控制方法，通过检测补偿输出电流和负载电流来实现，系统将负载谐波、无功、零序电流作为控制目标，通过功率器件对其进行补偿。而电网电流检测‑K值控制法通过测量电网电流来实现，将电网谐波、无功、零序电流作为控制目标，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。
电网电流检测‑K值控制法调节系统开环增益，减少稳态误差原理如下：
根据误差信号的定义，常规有源电力滤波器控制系统的误差电流为，
      （18）
采用电网电流检测‑K值控制法之后，新的控制系统的误差电流为，又
      (19)
将（19）式代入（18）式得出：
      (20)
由（20）式可知，有源电力滤波器常规控制方法的误差电流是电网电流检测‑K值控制法误差电流的K+1倍，也就是电网电流检测‑K值控制法通过K值可以对系统各控制对象的开环增益进行单独调节。
在有源电力滤波器控制系统里，由于多控制对象的存在，最终计算得到的总误差电流里通常含谐波、无功、零序电流、直流分量等多个误差分量，想要对这多个误差分量进行单独调节必须先要利用复杂的数学变换将每一个误差分量分离出来，再进行调节，这样不仅使整个控制算法变得复杂，而且带来了计算误差。
电网电流检测‑K值控制法通过直接检测电网电流来实现，在输出总误差电流之前就能够测量到每一个误差电流分量并单独进行调节，因此不再需要用复杂的数学变换将每一个误差电流分量分离出来。同时，该方法并可以实现对多控制对象中的每一个控制对象的开环增益进行单独调试，只需很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优。因此，误差检测‑K值控制法也大大简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。
如图1所示为有源电力滤波器电网电流检测‑K值控制法的原理图。图中，为滤波器补偿输出电流；为负载电流；K为开环增益调节系数；为新的负载参考电流；为补偿输出谐波、无功、零序参考电流；为系统处于稳定状态时的误差电流；W(s)为主控制系统的传递函数；为直流侧实际电压；为直流侧参考电压。
负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。APF系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。APF的基本工作原理为，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与电网电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流波形。
本发明采用了基于数字PI的电压电流双闭环控制策略，以直流侧电压为内环，以电网谐波电流为外环进行控制。电网电流检测‑K值控制法直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换并经过LPF低通滤波将基波分量从中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。
如图2所示，为传统有源滤波器对负载谐波、无功、零序电流补偿的控制原理图。图中，为滤波器补偿输出电流；为负载电流；为补偿输出谐波、无功、零序参考电流；为系统处于稳定状态时的误差电流；W(s)为主控制系统的传递函数。
传统的APF控制法是通过检测补偿输出电流和负载电流来实现的。通过dq0变换或傅立叶变换并经过LPF低通滤波将基波分量从负载电流中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。
如图3所示，为电网电流检测‑K值控制法对电网谐波、无功、零序电流补偿的控制原理图，因为直流侧电压为一定值，对控制精度要求相对而言并不是很高，在此不做考虑。图中，为滤波器补偿输出电流；为负载电流；K为开环增益调节系数；为新的负载参考电流；为补偿输出谐波、无功、零序参考电流；为系统处于稳定状态时的误差电流；W(s)为主控制系统的传递函数。
电网电流检测‑K值控制法直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换并经过LPF低通滤波将基波分量从中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。
如图4所示，为电网电流检测‑K值控制法分离电网电流基波简化后的控制原理图。因为系统的补偿控制对象为电网谐波、无功、零序电流，基波分量都必需分离，为了简化推导过程，在此不考虑基波分量。图中变量、、K、、、、W(s)与图3定义相同，其控制原理也与图3相同。
如图5所示，建立有源电力滤波器装置电网电流检测‑K值控制法的控制策略模型。APF装置主要由LCL滤波模块、智能IGBT模块、直流侧大电容、电源PCB模块、采样&隔离PCB模块、控制PCB模块组成。其控制方式如下：断路器合闸后，有源滤波器首先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电，当母线电压达到额定值后，预充电接触器闭合。直流电容作为储能元件，通过IGBT逆变器和内部LCL滤波器向外输出补偿电流。同时，内部LCL滤波器中电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电源。有源滤波器通过外部CTe采集电网电流信号，通过内部IPM模块中的CTi采集补偿输出电流信号，并将电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波、无功、零序电流成分送至调节和监测模块。该模块会将通过电网电流检测‑K值控制法计算得到的补偿参考电流ic*和滤波器已发出的补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。
根据上述有源电力滤波器装置电网电流检测‑K值控制法的控制策略，利用MATLAB仿真软件建立其仿真模型，仿真模型中各参数如下：
系统相电压220V；系统线路阻抗0.1Ω＋0.1mH；LCL滤波器中，L1=0.25mH, C=68uF，L2=0.03mH；变流器开关频率10KHz，直流侧电容5000µF，谐波负载采用三相整流桥整流后加RLC负载实现；为了验证上述专利成果，仿真过程中K值设为6，检测电网电流in的比例因子设为1，而补偿输出电流的比例因子设为0.9，特意让补偿输出电流存在10%的测量误差。
其仿真结果如图6a、图6b、图7a、图7b所示。从图6a、图6b可见，当负载谐波含量为25.99%时，经采用电网电流检测‑K值控制法补偿后，电网电流谐波含量下降为0.37%；从图7a、图7b可见，当负载谐波含量为46.82%时，经采用电网电流检测‑K值控制法补偿后，电网电流谐波含量下降为0.48%；
通过上述仿真结果验证了有源电力滤波器的电网电流检测‑K值控制法的技术效果，补偿后电网电流可以等效为完整的正弦波。电网电流检测‑K值控制法通过控制的方式彻底消除了电流检测的测量误差，同时，该方法通过测量电网电流来实现，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。此外，该方法可对电网谐波、无功、零序电流及直流侧电压的开环增益进行单独调试，只需要很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优，从而简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。

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1、(10)申请公布号 CN 102882209 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 2 0 9 A *CN102882209A* (21)申请号 201210322237.2 (22)申请日 2012.09.01 H02J 3/01(2006.01) H02J 3/18(2006.01) (71)申请人华南理工大学地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人田新良杨苹张金国 (74)专利代理机构广州粤高专利商标代理有限公司 44102 代理人何淑珍 (54) 发明名称有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法 (57)。

2、摘要本发明公开了一种有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法，具体是：直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。该方法通过控制的方式彻底消除电流检测的测量误差。同时，该方法通过测量电网电流来实现，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。本发明还简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难。

3、度，使系统的稳态误差降到最低。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页说明书8页附图3页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书 1 页说明书 8 页附图 3 页 1/1页 2 1.一种有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法，其特征在于：直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。 2.一种有源电。

4、力滤波器的电网电流检测-K值控制法，其特征在于包括以下步骤：检测电网电流和补偿输出电流；求负载电流，；将负载电流i l 加上K倍电网电流i n 作为新的负载参考电流i l * ，；通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流。 3.通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。 4.根据权利要求2所述的电网电流检测-K值控制法，其特征在于步骤4）中的补偿需求是指如果有源滤波器装置需要对谐波、无功、零序电流同时进行补偿，则只需要将基波分量从中分离出来得到，包含了补偿输出谐波、无功、零序等多。

5、个参考电流分量，如果不需要对其中一个或多个电流分量进行补偿，则将无需补偿的电流分量同时从中分离出来。 5.根据权利要求2所述的电网电流检测-K值控制法，其特征在于步骤5）中的功率器件为分立IGBT模块或IPM模块。 6.根据权利要求14任一项所述的电网电流检测-K值控制法，其特征在于所述K值的取值是依据闭环系统的输出值来确定；K值取值方法为：先通过等步长爬山法取K值，比较不同K值下闭环系统的输出值，从而逼近K值的最优值区域，然后再通过变步长爬山法，比较不同K值下闭环系统的输出值，来精确K值的最优解。权利要求书CN 102882209 A 1/8页 3 有源电力滤波器的电网。

6、电流检测 -K 值控制法技术领域 0001 本发明涉及电力系统无功谐波补偿领域，具体涉及一种有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法。背景技术 0002 在电力系统无功谐波补偿领域，电网电流、补偿输出电流、负载电流都是通过CT及采样电路来测量得到的。然而由于周围环境不理想、CT精度不够高、电子元器件不够精密等因素的限制,测得的结果与被测量实际数值总会存在一定差别,这种差别称为测量误差。测量误差的存在大大影响了无功谐波补偿装置的控制精度。传统的控制方法，工程技术人员只能通过选用昂贵的高精度CT及电子元器件测量电流，来减少测量误差。为此付出了高昂的成本，而效果并不理想。如果能够通过。

7、控制的方式消除测量误差，将大大提高补偿装置的控制精度，减少测量成本，推动整个电力系统无功谐波补偿领域的发展。 0003 为了减小系统的给定或扰动稳态误差，一般采用提高开环传递函数中串联积分环节的阶次N，或增大系统的开环放大系数K K 的方法。增大开环增益理论上很容易实现，但有源电力滤波器的控制系统比较复杂，一般为双闭环或多闭环的复合控制系统，需要对电网谐波、无功、零序电流及直流侧电压等多个对象进行控制调节，如何将多个控制对象的开环增益调试到最佳，既能减小稳态误差，又能保证系统的稳定性，这在传统的控制方法里是一个非常大的难题。如果能够对每一个控制对象的开环增益进行单独调试，那么很简单。

8、就能将每个控制对象的开环增益调试到最优。但在有源电力滤波器控制系统里，由于多控制对象的存在，最终计算得到的总误差电流里通常含谐波、无功、零序电流、直流分量等多个误差分量，想要对这多个误差分量进行单独调节必须先要利用复杂的数学变换将每一个误差分量分离出来，再进行调节，这样不仅使整个控制算法变得复杂，而且带来了计算误差。如果能够在输出总误差电流之前就能够测量到每一个误差分量并单独进行调节，那么以上问题就能迎刃而解。发明内容 0004 本发明的目的是提供一种有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法，使有源电力滤波器装置通过控制的方式就能彻底消除电流检测的测量误差。同时，该方法通过测。

9、量电网电流来实现，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。此外，该方法可对电网谐波、无功、零序电流及直流侧电压的开环增益进行单独调试，只需要很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优，从而简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。 0005 本发明的技术方案如下：一种有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法，其直接检测电网电流和补偿输说明书CN 102882209 A 2/8页 4 出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，。

10、同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。 0006 具体的，有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法包括以下步骤： 1）检测电网电流和补偿输出电流； 2）求负载电流，； 3）将负载电流i l 加上K倍电网电流i n 作为新的负载参考电流i l * ，； 4）通过dq0变换或傅立叶变换将基波分量从中分离出去，同时根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流。 0007 所述K值的取值是依据闭环系统的输出值来确定；K值取值方法为：先通过等步长爬山法取K值，比较。

11、不同K值下闭环系统的输出值，从而逼近K值的最优值区域，然后再通过变步长爬山法，比较不同K值下闭环系统的输出值，来精确K值的最优解。 0008 步骤4）中的补偿需求是指如果有源滤波器装置需要对谐波、无功、零序电流同时进行补偿，则只需要将基波分量从中分离出来得到，包含了补偿输出谐波、无功、零序等多个参考电流分量，如果不需要对其中一个或多个电流分量进行补偿，则将无需补偿的电流分量同时从中分离出来。 0009 步骤5）中的功率器件为分立IGBT模块或IPM模块。 0010 与现有技术相比，本发明的技术效果在于：电网电流检测-K值控制法通过控制的方式彻底消除了电流检测的测量误差，工程技术人。

12、员不再需要通过选用昂贵的高精度CT及电子元器件测量电流，来减少测量误差，只需要选用普通的CT和电子元器件来测量电流即可。这不但大大减少测量成本，也大大提高控制系统的控制精度。 0011 电网电流检测-K值控制法可以对谐波、无功、零序电流等多控制对象中的每一个控制对象的开环增益进行单独调节，只需很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优。因此，电网电流检测-K值控制法也大大简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。附图说明 0012 为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面将对技术中描述所需要使用的附图作简单介绍。 0013 图1为本发明有源电。

13、力滤波器电网电流检测-K值控制法的原理框图。 0014 图2为传统有源滤波器对负载谐波、无功、零序电流补偿的控制原理框图。说明书CN 102882209 A 3/8页 5 0015 图3为电网电流检测-K值控制法对电网谐波、无功、零序电流补偿的控制原理框图。 0016 图4为电网电流检测-K值控制法分离电网电流基波简化后的控制原理框图。 0017 图5为有源滤波器装置电网电流检测-K值控制法内部原理图。 0018 图6a和图6b为负载电流为100A左右,谐波含量为25.99%时，采用电网电流检测-K值控制法补偿前与补偿后电网电流谐波含量的示意图。 0019 图7a和图7b为负载电流为。

14、100A左右,谐波含量为46.82%时，采用电网电流检测-K值控制法补偿前与补偿后电网电流谐波含量的示意图。具体实施方式 0020 以下结合所有附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。 0021 采用传统的有源电力滤波器控制方法，其电流检测测量误差对系统误差的影响如下：传统的有源电力滤波器控制，是通过检测补偿输出电流和负载电流来实现的。其对负载谐波、无功、零序电流进行补偿的控制原理框图如图2所示。因为直流侧电压为一定值，对控制精度要求相对而言并不是很高，在此不做考虑。为分析测量误差对系统误差的影响，在此设定以下参数：为滤波器补偿输出电流的检测量；。

15、为滤波器补偿输出电流的实际量；为负载电流的检测量；为负载电流的实际量；为负载电流分离基波后的检测量；为负载电流分离基波后的实际量；为补偿输出电流的相对测量误差；为负载电流的相对测量误差；根据相对误差的定义，和定义如下：（1）（2）因为补偿参考电流是由负载电流分离出基波后得到的，其包含负载电流的谐波、无功、零序电流分量，所以的相对测量误差与相等，即：说明书CN 102882209 A 4/8页 6 （3）根据实际应用控制系统的测量误差大小，设，; 设为常规控制系统的相对系统误差；（4）设系统处于稳定状态时，误差电流为定值，得，（5）将（1）（3）（5）式代入。

16、（4）式得：（6）由（6）式可知，该控制系统的相对系统误差由两部分组成，第一部分系统误差由测量误差产生，假如相对测量误差，则测量误差产生的系统误差的极限值为：（7）第二部分系统误差由控制系统的误差电流产生，其值由误差电流决定。而第一部分测量误差与补偿输出电流为同一数量级，对系统误差影响巨大，大大降低了控制系统的控制精度。 0022 采用电网电流检测-K值控制法消除电流检测测量误差的原理如下：电网电流检测-K值控制法，是通过检测补偿输出电流和电网电流来实现的。其对电网谐波、无功、零序电流进行补偿的控制原理框图如图3所示。因为直流侧电压为一定值，对控制精度要求相对而言并不是很。

17、高，在此不做考虑。 0023 因为系统的补偿控制对象为电网谐波、无功、零序电流，基波分量都必需分离，为了简化推导过程，在此不考虑基波分量，其对电网谐波、无功、零序电流进行补偿的控制原理框图可以简化为图4所示。 0024 为分析电网电流检测-K值控制法消除测量误差的原理，在此设定以下参数：为滤波器补偿输出电流分离基波后的检测量；为滤波器补偿输出电流分离基波后的实际量；为电网电流的分离基波后的检测量；为电网电流分离基波后的实际量；为的相对测量误差；说明书CN 102882209 A 5/8页 7 为的相对测量误差；根据相对误差的定义，和定义如下：（8）（9）根据实际应用。

18、控制系统的测量误差大小，设，; 设为新控制系统的相对系统误差，其值为电网谐波无功零序电流实际量比负载谐波无功零序电流实际量。 0025 （10）设系统处于稳定状态时，误差电流为定值，得，（11）对于新的控制系统，（12）将（11）式代入（12）式得：（13）由（9）式得，（14）将(13)式代入（14）式得：（15）将（8）（15）代入（10）式得系统误差，（16）因实际控制系统中，会比、大几个数量级，可以将（16）式简化为：（17）由（17）式可知，采用电网电流检测-K值控制法之后，相对系统误差与测量误差无关，测量误差已经被彻底消除。说明书CN 10。

19、2882209 A 6/8页 8 0026 传统的有源电力滤波器控制方法，通过检测补偿输出电流和负载电流来实现，系统将负载谐波、无功、零序电流作为控制目标，通过功率器件对其进行补偿。而电网电流检测-K值控制法通过测量电网电流来实现，将电网谐波、无功、零序电流作为控制目标，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。 0027 电网电流检测-K值控制法调节系统开环增益，减少稳态误差原理如下：根据误差信号的定义，常规有源电力滤波器控制系统的误差电流为，（18）采用电网电流检测-K值控制法之后，新的控制系统的误差电流为，又 (19) 将（19）式代入（18）式得出： (。

20、20) 由（20）式可知，有源电力滤波器常规控制方法的误差电流是电网电流检测-K值控制法误差电流的K+1倍，也就是电网电流检测-K值控制法通过K值可以对系统各控制对象的开环增益进行单独调节。 0028 在有源电力滤波器控制系统里，由于多控制对象的存在，最终计算得到的总误差电流里通常含谐波、无功、零序电流、直流分量等多个误差分量，想要对这多个误差分量进行单独调节必须先要利用复杂的数学变换将每一个误差分量分离出来，再进行调节，这样不仅使整个控制算法变得复杂，而且带来了计算误差。 0029 电网电流检测-K值控制法通过直接检测电网电流来实现，在输出总误差电流之前就能够测量到每一个误差电流。

21、分量并单独进行调节，因此不再需要用复杂的数学变换将每一个误差电流分量分离出来。同时，该方法并可以实现对多控制对象中的每一个控制对象的开环增益进行单独调试，只需很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优。因此，误差检测-K值控制法也大大简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。 0030 如图1所示为有源电力滤波器电网电流检测-K值控制法的原理图。图中，为滤波器补偿输出电流；为负载电流；K为开环增益调节系数；为新的负载参考电流；为补偿输出谐波、无功、零序参考电流；为系统处于稳定状态时的误差电流；W(s)为主控制系统的传递函数；为直流侧实际电压。

22、；为直流侧参考电压。 0031 负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。APF系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。APF的基本工作原理为，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与电网电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电说明书CN 102882209 A 7/8页 9 流波形。 0032 本发明采用了。

23、基于数字PI的电压电流双闭环控制策略，以直流侧电压为内环，以电网谐波电流为外环进行控制。电网电流检测-K值控制法直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换并经过LPF低通滤波将基波分量从中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。 0033 如图2所示，为传统有源滤波器对负载谐波、无功、零序电流补偿的控制原理图。图中，为滤波器补偿输出电流；为负载电流；为补偿输出谐波、无功、零序参考。

24、电流；为系统处于稳定状态时的误差电流；W(s)为主控制系统的传递函数。 0034 传统的APF控制法是通过检测补偿输出电流和负载电流来实现的。通过dq0 变换或傅立叶变换并经过LPF低通滤波将基波分量从负载电流中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。 0035 如图3所示，为电网电流检测-K值控制法对电网谐波、无功、零序电流补偿的控制原理图，因为直流侧电压为一定值，对控制精度要求相对而言并不是很高，在此不做考虑。图中，为滤波器补偿输出电流；为负载电流；K为开环增益调节系数；。

25、为新的负载参考电流；为补偿输出谐波、无功、零序参考电流；为系统处于稳定状态时的误差电流；W(s) 为主控制系统的传递函数。 0036 电网电流检测-K值控制法直接检测电网电流和补偿输出电流，而不检测负载电流，而是由得到负载电流，加上K倍电网电流作为新的负载参考电流，再通过dq0变换或傅立叶变换并经过LPF低通滤波将基波分量从中分离出去，同时可以根据补偿需求将无功或零序电流从中分离出去，得到补偿输出谐波、无功、零序参考电流，然后通过功率器件向电网注入与大小相等方向相反的电流。 0037 如图4所示，为电网电流检测-K值控制法分离电网电流基波简化后的控制原理图。因为系统的补偿控制对象为。

26、电网谐波、无功、零序电流，基波分量都必需分离，为了简化推导过程，在此不考虑基波分量。图中变量、K、W(s)与图3定义相同，其控制原理也与图3相同。 0038 如图5所示，建立有源电力滤波器装置电网电流检测-K值控制法的控制策略模型。APF装置主要由LCL滤波模块、智能IGBT模块、直流侧大电容、电源PCB模块、采样&隔说明书CN 102882209 A 8/8页 10 离PCB模块、控制PCB模块组成。其控制方式如下：断路器合闸后，有源滤波器首先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电，当母线电压达到额定值后，预充电接触器闭合。直流电容作为储能元件，通过IGBT逆变器和内部LCL滤。

27、波器向外输出补偿电流。同时，内部LCL 滤波器中电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电源。有源滤波器通过外部CTe采集电网电流信号，通过内部IPM模块中的CTi采集补偿输出电流信号，并将电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波、无功、零序电流成分送至调节和监测模块。该模块会将通过电网电流检测-K值控制法计算得到的补偿参考电流i c * 和滤波器已发出的补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。 0039 根据上述有源电力滤波器装置电网电流检测-K值控制法的控制策。

28、略，利用 MATLAB仿真软件建立其仿真模型，仿真模型中各参数如下：系统相电压220V；系统线路阻抗0.10.1mH；LCL滤波器中，L1=0.25mH, C=68uF， L2=0.03mH；变流器开关频率10KHz，直流侧电容5000F，谐波负载采用三相整流桥整流后加RLC负载实现；为了验证上述专利成果，仿真过程中K值设为6，检测电网电流i n 的比例因子设为1，而补偿输出电流的比例因子设为0.9，特意让补偿输出电流存在10%的测量误差。 0040 其仿真结果如图6a、图6b、图7a、图7b所示。从图6a、图6b可见，当负载谐波含量为25.99%时，经采用电网电流检测-K值控制法补。

29、偿后，电网电流谐波含量下降为0.37%；从图7a、图7b可见，当负载谐波含量为46.82%时，经采用电网电流检测-K值控制法补偿后，电网电流谐波含量下降为0.48%；通过上述仿真结果验证了有源电力滤波器的电网电流检测-K值控制法的技术效果，补偿后电网电流可以等效为完整的正弦波。电网电流检测-K值控制法通过控制的方式彻底消除了电流检测的测量误差，同时，该方法通过测量电网电流来实现，直接对电网谐波、无功、零序电流进行补偿，实现了真正的闭环控制。此外，该方法可对电网谐波、无功、零序电流及直流侧电压的开环增益进行单独调试，只需要很简单的方法就能将每个控制对象的开环增益调试到最优，从而简化了复杂的控制算法并减少了控制系统的调试难度，使系统的稳态误差降到最低。说明书CN 102882209 A 10 1/3页 11 图1 图2 图3 说明书附图CN 102882209 A 11 2/3页 12 图4 图5 图6a 说明书附图CN 102882209 A 12 3/3页 13 图6b 图7a 图7b 说明书附图CN 102882209 A 13 。

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