[发明专利]一种混合型有源滤波器的非线性控制器设计方法

摘要

本发明涉及一种混合型有源滤波器的非线性控制器设计方法，针对由高次谐波抑制的无源部分和低次谐波补偿的有源部分串联构成的混合型有源滤波器，设计电流‑电压双闭环控制回路。电流环从稳定性角度出发，提出基于李雅普诺夫函数的非线性控制策略，实现无功补偿电流的解耦控制，快速跟踪谐波参考电流；以增强系统抗干扰性能为目标，求取控制器最优增益，确保系统参数发生摄动或负载需求发生阶跃变化时，系统依然能够稳定运行。电压环采用滑模非线性控制方法，保持电容电压平稳，实现负载突变时的动态调节，增强系统抵抗扰动能力。基于李雅普诺夫函数的非线性控制器的提出可使混合型有源滤波器在中高功率场合具有更宽的应用前景。

主权项

一种混合型有源滤波器的非线性控制器设计方法，其特征在于，混合型有源滤波器由实现高次谐波抑制的无源部分和低次谐波补偿的有源部分串联构成，无源部分由电容、电感和电阻串联组成，有源部分由直流侧电容并联三桥臂全桥逆变电路组成，控制回路采用电流‑电压双闭环架构，控制器设计方法具体包括如下步骤：1)混合型有源滤波器的数学方程为：usa=Lpdiadt+Rpia+ucpa+dnaudcusb=Lpdibdt+Rpib+ucpb+dnbudcusc=Lpdicdt+Rpic+ucpc+dncudcia=Cpducpadtib=Cpducpbdtic=Cpducpcdtdudcdt=1Cdcidc,]]>式中：CP、LP、RP分别为无源部分串联的电容、电感、电阻值，usk(k＝a,b,c)分别为a,b,c三相电源耦合点电压；ucpk(k＝a,b,c)分别为无源部分a,b,c各支路电容电压；ik(k＝a,b,c)分别为有源部分a,b,c各支路输入电流；idc、udc分别为有源部分直流侧电流、电压，Cdc为有源部分直流侧电容值；dnk(k＝a,b,c)分别为a,b,c三相开关状态函数，即有源部分逆变器的开关状态，若定义si＝1(i＝1,2,3)分别表示逆变器1,2,3桥臂上桥臂导通、下桥臂关断，si＝‑1(i＝1,2,3)分别表示逆变器1,2,3桥臂上桥臂关断、下桥臂导通，则有dnk=si-13Σj=13sj,i=1,2,3;]]>2)设计基于Lyapunov函数稳定控制的内环电流控制器：A：为使实际谐波电流快速跟踪参考值，设计混合型有源滤波器正定的Lyapunov函数：V(x)=32Lpx12+32Lpx22+32Cpx32+32Cpx42+12Cdcx52,]]>式中：x1＝id‑id*，x2＝iq‑iq*，x3＝ucpd‑ucpd*，x4＝ucpq‑ucpq*，x5＝udc‑udc*，其中：id和iq分别为dq坐标系下d轴和q轴补偿电流值，ucpd和ucpq分别为dq坐标系下d轴和q轴滤波电容电压值，udc为直流侧电容电压值，id*和iq*分别为dq坐标系下d轴和q轴补偿电流参考值，ucpd*和ucpq*分别为dq坐标系下d轴和q轴滤波电容电压参考值，udc*为直流侧电容电压参考值；系统实现||x||→0时，V(x)→0，确保系统总能量沿着期望轨迹减少至全局渐进稳定，令dq坐标系下d轴和q轴开关状态函数dnd和dnq为：dnd＝α1(x5id*‑3x1udc*)+Dnddnq＝α2(x5iq*‑3x2udc*)+Dnq，式中：α1、α2为控制系统增益，Dnd和Dnq分别为稳态时dq坐标系下d轴和q轴有源部分逆变器开关函数，由Lyapunov函数导数式：V·(x)=-3RPx12-3RPx22+α1(x5id*-3x1udc*)2+α2(x5iq*-3x2udc*)2,]]>可知：当α1<0且α2<0时，为负，适当调节α1、α2使实际谐波电流快速跟踪参考值，在负载时变未知情形下实现控制系统期望的动、静态性能；B:以抑制系统参数发生变化对控制性能产生的不利影响为目标，设计控制器最优增益：为了观测系统参数不确定程度，定义dq坐标系下d轴和q轴补偿电流观测值分别为Id*和Iq*，直流侧电容电压观测值为Udc*，设：Id*Udc*=β1(id*udc*),Iq*Udc*=β2(iq*udc*),z1=x1id*,z2=x2iq*,z3=x5udc*,]]>式中：β1、β2为不确定增益，z1、z2、z3为定义比值，将定义设定值代入步骤A的Lyapunov函数导数式中，设不确定区间β1∈[1‑ε1,1+ε1]，β2∈[1‑ε2,1+ε2]，ε1和ε2为大于0且小于1的任意数值，则α1、α2的最大值为：|α1|max=RPudc*Udc*4(1-ϵ1)3ϵ12,]]>|α2|max=RPudc*Udc*4(1-ϵ2)3ϵ22,]]>式中：|α1|和|α2|的最优取值确定过程中，选取某一个大于零的数作为|α1|和|α2|的最小值|α1|min和|α2|min，.则|α1|和|α2|的最优值分别在(|α1|min,|α1|max)和(|α2|min,|α2|max)内选取，引入指标函数：Δ1=1nΣk=1nx1k2,Δ2=1nΣk=1nx2k2,]]>当由状态变量x1和x2最新n个数据决定的指标函数值Δ1+Δ2最小时，则此时的α1和α2的取值为最优；3)引入滑模变结构理论设计电压外环控制器，增强直流侧电容电压突变时的调节能力，滑模开关面为：S=Cdcβudc(x5-x5*)+x1,]]>式中：x5*为x5期望值，β为控制参数，取为有界常数，控制律设计为：x5＝kpS+ki∫Sdt，其中：kp、ki分别为比例增益、积分增益。