英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
文章
基于反推控制器的谐波电流补偿混合有源滤波器
诺拉·道乌1、弗朗西斯科·蒙托亚2、纳吉布·阿巴布西1和雅辛·杰哈德3
1 摩洛哥塞特26000哈桑第一大学科学和技术学院国际医学研究所实验室；daounora@gmail.com(纽约)；nababssi@gmail.com(北美)
2 西班牙阿尔梅里亚市卡雷拉德萨克拉门托大学工程系，邮编:04120
3 阿尔及利亚苏克·阿拉斯穆罕默德-谢里夫·梅萨迪亚大学电气工程系，邮政信箱1553，苏克·阿拉斯41000；yacine . djeghader @ univ-soukahras . dz
* 通信:paginlm @ ual.es；电话： 34-950-214-501
收到日期:2019年6月24日；接受:2019年9月6日；发布日期:2019年9月12日
摘要:本文提出了一种新的无源和有源滤波器的混合组合，因为非线性负载使用泛化，这种负载产生的谐波直接影响能量传输系统的对称性，影响电网的运行，进而导致电能质量的恶化。在这种情况下，有源电力滤波器是改善电能质量和补偿谐波电流以获得对称波形的最佳解决方案之一。此外，考虑到传输网络的重要性和占用性，对系统的稳定性进行控制是十分必要的。传统上，无源滤波器被用来提高能量质量，但是它们经存在谐振、固定报酬等问题。为了缓解这些问题，提出了一种并联有源滤波器和反推算法控制的无源滤波器相组合的混合HAPF有源电力滤波器。将这种控制策略与经典的PI控制和模糊逻辑控制两种方法进行了比较，验证了所提出的HAPF反推控制器的有效性和对称性。所提出的反步控制器启发了李亚普诺夫意义上的稳定性概念。这项工作是为了通过反推命令提高HAPF的性能。根据标准，对谐波进行了很好的补偿。在Matlab/Simulink环境下进行的仿真结果表明，与其他控制方法相比，本文所提出的反推控制器在HAPE上具有更高的效率和鲁棒性。带反推控制的HAPE可以明显降低THD谐波失真系数。
关键词:反推法；混合有源滤波器；谐波电流补偿
1.导言
在过去的几年里，静态能量转换装置如静态转换器和其他装置的使用有所增加[1，2]。因为它们都是由功率半导体组成的，所以它们吸收的电流是非正弦的。这些被认为是电网的非线性和非对称负载。除了基波成分之外，非正弦波还暴露出谐波成分，这在某些情况下可以被认为是非常重要的[3]。这些谐波会从负载流向电网，并对电网产生谐波污染，导致电能质量下降。这种污染最常见的影响是[4]:在强谐波电流的作用下，电容器或断路器的损坏因共振而增强；中性导体和变压器的加热以及由公共连接点处有线设备的高级破坏所解释的长期影响[5，6]。有一些过程可以用来减少这些转换器产生的谐波污染。最广泛和最有效的是滤波，它有两个主要任务:最大限度地减少谐波污染，即被动式滤波，称为谐振和/或阻尼滤波，防止谐波电流流入电网；并补偿无功功率。尽管如此，无源滤波仍存在一些问题，例如当网络阻抗或负载变化时缺乏适应性，这是在这些特定情况下可能无法忍受的一个主要缺点。另一种过滤方法是主动过滤。这是最广为人知的，也是最常用于提高电能质量的研究。其原理是将补偿电流与非线性负载产生的谐波电流同时注入，以便电流在连接点处呈现正弦形状，从而限制谐波电流在电网中的扩散。根据所需的性能标准，有几种有源滤波器结构。有源滤波器可以并联[7]，串联[8]，或混合[9]，即有源滤波器和无源滤波器的组合。还有串行有源滤波器和并行有源滤波器的组合，称为通用电能质量调节器[10]。该滤波器可以具有电流设计或电压设计，这取决于用作其能量源的元件的类型[11，12]。除了有源电力滤波器之外，还部署了混合电力滤波器来解决无源滤波器问题。在本文中，提出了一种由反步控制控制的混合有源电力滤波器。控制器是HAPF正常运行的重要工具，因此选择了反推控制器。HAPF结合了有源滤波器和无源滤波器的最佳性能：有源滤波器允许衰减源电流的谐波，无源滤波器在基频时被视为高阻抗，在调谐频率时被视为低阻抗。采用这种方法可以产生使电网波形更加对称，从而避免电网出现问题。为了证明所提出的反步控制谐波电流补偿和电能质量改善的HAPF方法的有效性，本文比较了三种控制方法，即经典PI [13]、模糊逻辑[14]和反步控制。应用于HAPF的反推控制器提供了更好的控制效果，响应时间保持直流总线电压Vdc在其参考值，并根据标准显著降低了总谐波失真，而传统的PI控制器具有非常高的响应时间和设定点与其参考值之间的误差。最后，模糊逻辑控制的响应时间比PI控制器低5%，但系统仍然较慢。以上反映了所提出的方法达到了期望的性能。
2.提议的混合滤波器
有源混合电力滤波器是有源滤波器和无源滤波器的组合。它由一个无源滤波器、一个静态功率转换器和一个允许控制整个混合滤波器控制模块组成。无源滤波器试图补偿高频谐波，降低功率转换器的容量，而有源滤波器用于补偿由污染性非线性负载产生的低频谐波电流[15]，并用于改善无源滤波器的特性参数。HAPF优于其他滤波元件的优点在于，可以解决与注入相邻谐波电流、谐振以及HAPF转换器的容量小于普通有源电力滤波器的容量相关的问题。HAPF是一种较好降低功率大小的解决方案，从而提高了有源电力滤波器的价格。为了获得更好的混合滤波器性能，需要根据滤波器的拓扑结构、控制策略、控制环路中使用的滤波器类型或构成滤波器的部件的尺寸等因素来选择混合滤波器。文献中论述了几种配置[16]，最常见的是:
- 串联有源滤波器和并联无源滤波器；
- 串联有源滤波器与并联无源滤波器串联；
- 并联有源滤波器与无源滤波器串联。
在本文中，我们选择并联有源滤波器与无源滤波器串联的拓扑结构，如下图1所示。有源混合电力滤波器由串联在三相无源滤波器上的静态功率转换器构成。HAPF与非线性负载并联，这澄清了污染物负载产生的谐波电流。三相无源滤波器组件在每相上串联连接。它由电容和电感组成，而转换器包含一个半导体组件和一个电容。功率转换器保护无源滤波器免受邻近谐波电流注入和谐振造成的损坏。电容器作为储能元件连接到转换器的直流母线侧，并为转换器的正常操作提供直流电压。无源滤波器阻挡通过电网的谐波电流。
图1提出的混合滤波器的拓扑结构
2.1 .基于p-q理论的电流参考算法
有源滤波器用于向网络注入相同幅度的谐波电流，但与污染物负载产生的谐波电流相反。为此，有必要从负载中提取谐波电流，称为参考电流。有几种方法可以识别谐波电流[17-19]，但是在本文中我们使用p-q方法，因为它保证了动态和静态性能之间更好的一致性。该理论基于克拉克代数变换，允许将参考框架a、b、c中暴露的三相电压和电流系统变换为参考框架中呈现的两相系统，以简化计算。电流和电压分量可以表示为：
标记a-b-c中的有功瞬时功率由下式给出:
在alpha;-beta;标记中，有功瞬时功率由下式给出：
有Akagi的定义[15]给出了瞬时虚功率，如下所示:
从关系式(4)和(5)，我们可以提取瞬时功率的矩阵关系如下:
该功率分为两部分，一部分与基波(p，q)相关，另一部分与谐波(ep，eq)相关，由以下关系式给出:
我们感兴趣的是提取替代组件（p，q），为此，我们使用如图2所示的低通滤波器。
在坐标系中提取替代分量后的参考电流alpha;，beta;为以下表达式中的：
为了获得参考帧a-b-c中的参考电流，我们使用克拉克逆变换，表达式如下：
2.2 直流总线电压调节
直流总线电压调节环路(Vdc)的目标是保持后者跟随其参考值Vdc ref。为了控制这个环路，使用了一个PI校正器，如图3所示。参考电压被视为输入，测量值被视为输出。电容端子的电压由下式给出：
图3 .直流总线电压调节回路
从图3中，显示闭环中直流总线电压调节的传递函数由下式给出：
将该闭环方程与二阶传递函数的一般结构进行比较，提取Kp和Ki的参数：
2.3 .滤波器注入电流的调节
传统的比例积分控制器用于维持滤波器注入电流的控制回路，该电流跟随由p-q方法提取的参考电流，如图4所示。
图4.过滤器注入电流的控制回路
2.4 .模糊逻辑控制
模糊逻辑使得给出系统模糊和不精确的表示成为可能。从不确定的属性出发，模糊控制器可以提供决策。它由一个知识库组成，该知识库汇集语言控制规则的信息。模糊控制器由三部分组成，第一部分负责输入的“模糊化”。在入口处，主要是通过调用分配条目的成员值和关联成员来实现模糊成员函数的问题。第二部分是与知识库相结合的推理系统，在推理过程之后创建推理。最后一部分允许“去模糊化”，这意味着从模糊控制事实到系统的真实控制决策的转换。在这项工作中，我们使用模糊控制器来控制HAPF。图5所示控制器的概要图。
图5 .模糊控制器的概要图
3.提议的反步控制
反推控制器的原理是以迭代的方式总结出的一个控制规律。状态代表的某些组成部分将作为“虚拟控制”进行审查，并将制定中间控制法[20]。它持有李亚普诺夫意义上的稳定性概念，以确保某个李亚普诺夫函数是正的，并且它的导数总是负的。该方法允许将系统分成一组递减顺序的嵌套子系统。在每个步骤中，增加系统的顺序，并对前一步骤的不稳定部分进行处理，直到作为最后一步的控制律出现。这包括在任何时候保证系统的整体稳定性[21-25]。我们将应用这种控制技术来控制整个混合滤波器。在固定参考系中，系统的方程式如下：
R和L分别是无源滤波器的电感和电感的内阻，Vc是无源滤波器电容C两端的电压。
系统可分为子系统，系统(13)的前两个方程用于电流调节ifalpha;，ifbeta;，其中电压v falpha;，v fbeta;被视为控制变量。
3.1 .子系统1
变量v falpha;代表命令，ifalpha;代表其输出。算法如下所示：
误差变量z1由下式给出：
误差的推导如下：
李雅普诺夫的目的函数如下：
该函数的导数由下式给出：
为了在系统中实现更大的稳定性，必须实现以下平等：
那么命令如下：
3.2 .子系统2
变量v fbeta;代表命令，ifbeta;代表其输出。算法如下所示：
误差变量z1由下式给出：
误差的推导如下：
李雅普诺夫的目的函数如下：
该函数的导数由下式给出：
为了在系统中实现更大的稳定性，必须实现以下平等：
那么命令如下：
3.3 .子系统3
第三个子系统用于设置Vdc。它包含一个位于直流总线电压和参考值z3之间的误差变量。误差变量的定义如下：
误差的导数如下：
李雅普诺夫函数由下式给出：
该函数的导数由下式给出：
如果我们实现了下面方程的相等，我们就得到了系统的更好的稳定性：
然后，命令如下:
4.模拟和解释
为了验证所提出的控制技术的真实性和优越性，利用Matlab/Simulink软件对系统进行了实现、验证和实现。在仿真中，分析了PI控制器、模糊逻辑控制器和反推控制器等各控制器的姿态和性能，以验证用于控制反推、补偿谐波和提高电能质量的有源混合HAPF滤波器的有效性。反推控制器参数的数学计算是复杂的，因此这些参数被仔细选择以实现期望的目标。其他参数如下：Vs1 = Vs2 = Vs3 = 220 V，无源滤波器参数如下：L = 0.01 H，C = 150 F，直流总线参考电压等于620 V，污染物负载为三相二极管整流器，其输出电感为0.003 H，串联电阻为18，储能容量从2000 F中选择。实现的Simulink模型如图6所示。
该方法利用Matlab/Simulink软件包实现了系统的Simulink模型。后者由连接到整流器桥的三相电源、用于从负载电流中识别参考电流的p-q方法的模块、与负载并联的无源滤波器串联的静态功率转换器、使用反推控制器将电压调节Vdc连接到具有识别模块的电容器端子C的链接控制模块组成，整流器桥用作向RL型负载供电的非线性负载。连接到识别模块的不止一个模块允许调节注入电流，并将控制脉冲传输到半导体转换器。该模型如图6所示。
图7和图8显示了充电电流(为清晰起见，仅暴露一相)及其谐波频谱。已经清楚地证明，充电电流存在显著的失真，并且总谐波失真成比例地高(29.52%)。
图6 .实现了Simulink模型。
图7 .充电电流
图8 .FFT负载电流分析
图9-11显示了分别使用比例积分控制器、模糊逻辑控制器和建议的反推控制器进行HAPF补偿后的源电流频谱。我们注意到总谐波失真被降低到2.53%、1.81%和1
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[237303]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
