灰色預測控制在有源濾波器中的應用

1 引言

　　無(wú)源濾波器利用電容和電感諧振的特點(diǎn)來(lái)抑制特定頻率的高次諧波分量和提高功率因數，體積大、濾波頻率固定和會(huì )出現串/并聯(lián)諧振等缺點(diǎn)，限制了它的廣泛使用[1]；近十年來(lái)，有源電力濾波器(Active Power Filters)以其可補償各次諧波，還可以抑制閃變、補償無(wú)功，有一機多能的特點(diǎn)，引起人們的廣泛重視，這一新型的諧波抑制裝置有著(zhù)廣闊的發(fā)展應用前景。與無(wú)源濾波器相比，有源電力濾波器能夠實(shí)現動(dòng)態(tài)補償，并具有體積小，不易發(fā)生諧振等優(yōu)點(diǎn)[2]。

　　為了保證有源電力濾波器的工作性能，實(shí)時(shí)準確的檢測出負載中的諧波分量，獲取正確的諧波補償信號至關(guān)重要。目前諧波電流檢測的主要方法有基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論、基于頻域分析的快速傅里葉變換（FFT）和自適應[3,4]等方法,但這些方法涉及參數多，計算量大，過(guò)程復雜，尤其是對APF 系統延遲問(wèn)題。針對數字化的APF系統內部結構固有的延遲特點(diǎn)，運用灰色系統理論的ＧＭ(1,1)灰色預測模型，提出基于灰色預測的APF 預測控制方案。

　　2.系統的實(shí)現

　　2.1APF 系統的工作原理和數學(xué)模型

　　并聯(lián)型有源濾波器電路原理圖如圖1 所示，其中us 和uc 分別為電網(wǎng)電源相電壓和逆變器輸出相電壓，L 為扼流電感，R 為電感內阻及線(xiàn)路的等效電阻。設系統的三相平衡，系統可用單相來(lái)近似描述。電流Li和APF輸出的補償電流ci由圖1可得APF 的數學(xué)模型。

圖1 APF 主電路框圖

　　在A(yíng)PF中，快速實(shí)時(shí)跟蹤負荷中諧波電流的變化時(shí)，通常是當前時(shí)刻檢測出負載的諧波電流和補償電流，計算出下一時(shí)刻逆變器的補償量，即給系統帶來(lái)至少一個(gè)采樣周期的延遲。此外，系統受電壓、電流的采樣、輸入濾波器的相位滯后和參數計算所需的運算時(shí)間等的影響同樣會(huì )給系統的控制帶來(lái)時(shí)間的滯后。控制的時(shí)延將會(huì )直接影響系統的性能和穩定性。

　　設系統信號輸入濾波器為一理想環(huán)節，對補償范圍內的諧波分量不帶來(lái)相位滯后，通過(guò)選用高A/D 轉換器和數據處理器使系統的數據處理和控制信號的產(chǎn)生在功率開(kāi)關(guān)器件一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內完成。即構成的離散控制系統，從信號的采樣到形成PWM 電壓指令，并在下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期產(chǎn)生脈寬調制信號由逆變器輸出，即最少延遲了約一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。系統電流環(huán)的結構圖可寫(xiě)為

圖2 系統結構框圖

　　其中Gn (s) 、K 、esT 分別為諧波檢測環(huán)節、逆變器、電流比例調節器、延遲環(huán)節的傳遞函數。其中PWM 逆變器的輸出電壓uc 在一個(gè)采樣周期得平均值就是uc 。

　　2．2APF 的灰色預測控制系統的實(shí)現

　　圖3為APF灰色預測控制系統的結構框圖，系統通過(guò)采樣裝置在k時(shí)刻對負載電流和APF輸出補償電流進(jìn)行采集和整理；由灰色預測裝置建模，得出k+1時(shí)刻負載諧波電流；由APF的模型、控制量和ic (k) ，預測出APF輸出的電流在k+1時(shí)刻的值ic (k + 1) ；確定控制量，使未來(lái)的輸出ic 盡量接近目標。

點(diǎn)擊看原圖

圖3 灰色預測控制系統的結構圖

　　2.2.1負載的諧波電流的預測

　　為了不斷把新得到的數據考慮進(jìn)去, 這就要求將每一個(gè)新得到的數據送入原始序列X (0) 中，重建GM(1,1), 重新預測, 我們把它稱(chēng)為新息模型。采用這種新息模型,隨著(zhù)時(shí)間的推移, 新息越來(lái)越多, 存貯量不斷擴大,運算量也不斷增加, 這既不適合工業(yè)過(guò)程控制對實(shí)時(shí)性、快速性的要求, 而且老數據的信息意義會(huì )隨時(shí)間的推移而降低, 甚至會(huì )淹沒(méi)新信息。為了克服這一矛盾，在這里每補充一個(gè)新信息的同時(shí)去掉一個(gè)老信息，以便在滾動(dòng)建模時(shí)維持原始序列數據個(gè)數n不變。