DC active power filter based on model predictive control for DC bus overvoltage suppression of accelerator grid power supply

The China Fusion Engineering Test Reactor plans to build a 200 k V/25 A acceleration grid power supply(AGPS)for the negative-ion-based neutral beam injector prototype system.The AGPS uses a rectifier-inverter-isolated step-up structure.There is a DC bus between the rectifier and the inverter.In order to limit DC bus voltage ripple and transient fluctuations,a large number of capacitors are used,which degrades the reliability of the power supply and occupies a large amount of space.This work finds that due to the difference in the turn-off time of the rectifier and the inverter,the capacitance mainly depends on the rectifier current when the inverter is turned off.On this basis,an active power filter(APF)scheme is proposed to absorb the current.To enhance the dynamic response ability of the APF,model predictive control is adopted.In this paper,the circuit structure of the APF is introduced,the prediction model is deduced,the corresponding control strategy and signal detection method are proposed,and the simulation and experimental results show that APF can track the transient current of the DC bus and reduce the voltage fluctuation significantly.

A novel digital control strategy of three-phase shunt active power filter under non-ideal mains voltages

A novel control strategy for three-phase shunt active power filter (SAPF) was proposed to improve its performance under non-ideal mains voltages. The approach was inspired by our finding that the classic instantaneous reactive power theory based algorithm was unsatisfactory in terms of isolating positive sequence fundamental active components exactly under non-ideal mains voltages. So, a modified ip-iq reference current calculation method was presented. With usage of the new method, not only the positive sequence but also the fundamental active current components can be accurately isolated from load current. A deadbeat closed-loop control model is built in order to eliminate both delay error and tracking error between reference voltages and compensation voltages under unbalanced and distorted mains voltages. Computer simulation results show that the proposed strategy is effective with better tracking ability and lower total harmonic distortion (THD). The strategy is also applied to a 10 kV substation with a local electrolysis manganese plant injecting a large amount of harmonics into the power system, and is proved to be more practical and efficient.

Online Learning Control for Harmonics Reduction Based on Current Controlled Voltage Source Power Inverters

Nonlinear loads in the power distribution system cause non-sinusoidal currents and voltages with harmonic components.Shunt active filters(SAF) with current controlled voltage source inverters(CCVSI) are usually used to obtain balanced and sinusoidal source currents by injecting compensation currents.However,CCVSI with traditional controllers have a limited transient and steady state performance.In this paper,we propose an adaptive dynamic programming(ADP) controller with online learning capability to improve transient response and harmonics.The proposed controller works alongside existing proportional integral(PI) controllers to efficiently track the reference currents in the d-q domain.It can generate adaptive control actions to compensate the PI controller.The proposed system was simulated under different nonlinear(three-phase full wave rectifier) load conditions.The performance of the proposed approach was compared with the traditional approach.We have also included the simulation results without connecting the traditional PI control based power inverter for reference comparison.The online learning based ADP controller not only reduced average total harmonic distortion by 18.41%,but also outperformed traditional PI controllers during transients.

An Efficient Particle Swarm Optimization Technique for 4-Leg Shunt Active Power Filter

This paper describes the mitigation of harmonics in source and neutral current in three phase four wire system based on 4-leg shunt active power filter under balanced and unbalanced load conditions. Particle Swarm Optimization (PSO) and conventional Proportional Integral (PI) controller are used as control techniques to analyze the control performance of 4-leg shunt active power filter. The synchronous reference frame (SRF) method is used to extract reference current in 4-leg shunt active filter. The Hysteresis Current Controller (HCC) is used to generate gate pulses for Voltage Source Inverter (VSI) based 4-leg shunt active power filter. The proposed PSO technique gives less percentage of Total Harmonic Distortion (THD) value in source and neutral current and settling time of the DC capacitor voltage compared to conventional PI controller technique. The model of the proposed system performance was validated using MATLAB/Simulink environment.

三相有源电力滤波器重复滑模控制

有源电力滤波器(active power filter,APF)的谐波电流控制直接影响着APF的滤波效果。针对指数趋近率容易产生抖振的问题,提出了一种变指数趋近率,并在dq坐标系下推导出了基于该变指数趋近率的APF滑模控制律。为提高APF对高次谐波的追踪能力,将重复控制和基于变指数趋近率的滑模控制并联,提出了一种APF的重复滑模控方法。仿真结果表明,相对于基于指数趋近率的滑模控制方法,提出的重复滑模控制方法具有更高的稳态精度,电网电流的谐波畸变率更低。

有源电力滤波器补偿的PI解耦控制技术研究

电网中电压和电流波形的失真会产生谐波,导致电网功率因数降低,并影响电力系统的稳定性和可靠性。为了确保电力系统的正常工作,研究了基于有源电力滤波器补偿的比例积分(PI)解耦控制技术。设计了基于二极管钳位式的有源电力滤波器模型。结合基尔霍博电压法,降低控制谐波和解除部分变量耦合。针对设备非线性产生的谐波,分析有源电力滤波器的可逆性,获得输入雅可比矩阵,以实现滤波器旋转坐标的线性化。利用变换矩阵转换转动角速向量,输入谐波的幅度,输出电流取样延迟,完成无差PI解耦控制。试验结果表明,所提技术能够有效解耦滤波器的谐波电流成分,从而补偿电网中的失真电流。该技术可以减少谐波对电力系统的整体影响,保证设备的正常运行。

基于改进GA优化的级联H桥APF神经网络电流跟踪控制

针对基于级联H桥有源滤波器实现谐波抑制时,传统PI控制电流跟踪的抗扰性差以及由于神经网络预测的局域最优造成的电流跟踪预测不准确、延迟大等问题。本文提出了一种改进GA优化的级联H桥APF神经网络电流跟踪控制策略,以改进选择和交叉操作的GA优化神经网络变化因子,提升了预测控制的全局搜索能力和鲁棒性能。仿真验证表明,所提出的控制策略相较于传统PI控制,提升了电流跟踪控制的鲁棒性;相较基于传统GA优化的神经网络控制方法,本文提出的方法跟踪速度提升了约0.04 s,控制误差减小约0.2 A,谐波畸变率降低0.36%。可见,响应速度和控制精度更优,具有更好的跟踪控制能力。

关于有源电力滤波器的综述分析

电力系统逐渐发展成为以电力电子为基础的电力系统,各种电能质量问题的存在,推动了有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)的发展。APF作为综合性电能质量调节器,是一种具备动态谐波抑制和无功补偿功能的新型电力电子装置,其性能优劣与所采用的拓扑结构、电流追踪控制方法等密切相关。为了推广在高压大容量下APF的控制技术,拓宽其应用范围,分类整理了APF拓扑结构,归纳总结了APF的电流跟踪控制技术,将各种控制方法进行了性能对比,并从多个角度阐述了当前所存在的问题,为研究人员提供参考。此外,还简要总结了APF的进一步发展趋势。

提高农网质量的LCL型有源电力滤波器控制策略研究

因分布式能源在农网控制系统中广泛应用,谐波污染逐步加重,一系列农网电能质量问题随之出现。有源电力滤波器(Active power filter)作为一种抑制谐波的重要工具,与电流控制策略相关的研究已引起国内外学者重视。为提高有源滤波器滤波精度,提出一种基于长视野模型预测控制的LCL有源电力滤波器控制策略,解决传统模型预测算法在模型存在误差时出现跟踪误差发散现象的问题,采用拉格朗日外推法实现一步和两步超前预测,通过最小化两步预测成本函数实现两步最优。仿真结果证明,该方法可有效提高有源滤波器滤波精度,改善农网电能质量。

基于LESO的有源电力滤波器模型预测控制研究

针对在采用LCL滤波器作为输出滤波器的T型三电平有源电力滤波器拓扑中,在应用模型预测控制时存在的对电压、电流传感器需求量大、因系统建模不准确而产生的误差等问题,提出一种基于线性扩张状态观测器的改进有源电力滤波器系统模型。该模型对每一个开关周期内滤波器电容支路电压进行观测,将得到的结果应用于逆变器输出电流计算和有源电力滤波器预测控制模型的建立,能够减少1/3的对传感器的需求,并将因LCL滤波器而引入的误差考虑在控制策略之内,有效提高有源电力滤波器的控制精度和对谐波及无功的补偿效果。在此基础上提出了以逆变器输出电压为控制对象的模型预测电压控制策略。基于Matlab/Simulink的仿真验证了所提模型的有效性,并通过实验验证了其可行性。

混合型有源电力滤波器双闭环控制

混合型有源滤波器(HAPF)是一种改善电能质量的装置,针对其无源器件容易造成直流侧电压难以控制以及系统谐振的问题,提出一种变流器输出电流和电感电压反馈的双闭环控制器。首先建立变流器输出电压和无源支路上电感电压的数学模型,但模型中存在大量耦合项,为了实现无静差控制,采用变量前馈的解耦方式消除耦合量。然后对系统控制进行设计,电感电压作为外环保证跟踪精度;选用变流器输出电流作为内环,加入系统有源阻尼,抑制系统谐振尖峰。最后仿真和实验结果表明,该控制策略提高了直流侧电压控制的动态响应速度和稳态精度,同时降低了谐振尖峰对系统稳定性的影响。

非对称型滤波电路的有源电力滤波器系统设计

针对电力系统中非线性负载引起的谐波污染问题,提出一种非对称型滤波电路的有源电力滤波器(APF)拓扑结构。该拓扑包括了三相变流器和两相滤波电抗器,通过控制变流器输出的线电压对两相滤波电抗器支路电流进行直接控制,利用三相电流的约束关系,间接控制第三相电流。此处通过建立该拓扑结构的电气模型,详细分析了其滤波特性和工作原理,推导控制方程,设计电流控制方法。为验证所提拓扑及控制方法,搭建了仿真与实验平台进行验证,实验结果表明该拓扑不仅可在减少一相滤波器件下实现三相电流补偿,而且能实现与并联型APF具有相同补偿效果和抗扰动特性。

SHAPF的电流控制策略及参数设计

为了实现并联混合型有源电力滤波器(SHAPF)高补偿性能的要求,提出一种SHAPF电流双闭环控制策略。利用基波电流环为谐波电流环控制器提供阻尼项,实现有源阻尼的同时减少一组传感器,降低系统复杂度。分析了SHAPF的滤波特性,并给出了SHAPF系统配置的参数设计方法。分析了电流双闭环控制器在离散系统中的稳定性条件,并给出了控制器参数设计方法。搭建了SHAPF的仿真模型与实验样机。结果表明SHAPF具备良好的谐波补偿性能,验证了电流双闭环控制策略及参数设计的合理性。

LCL型有源滤波器采样延时补偿策略及阻抗分析

有源电力滤波器(APF)是消除电网谐波质量问题的主要途径之一,而LCL是目前APF连接电网的常用滤波器。为抑制LCL滤波器所引发的谐振问题,基于电容电流反馈的有源阻尼是常用的手段。有源阻尼可有效抑制LCL滤波器引起的谐振,在模拟控制下可等效为并联在滤波电容上的电阻。但因电容电流采样滞后,将使该虚拟电阻阻值为负,呈现负阻尼特性,反而影响系统稳定性。为此,从预测占空比的角度对该问题进行了研究,分别提出了三种针对电容电流采样滞后补偿方法。针对每一种方法计算系统传递函数,并就其对应的虚拟阻抗进行分析。从结果可以看出第二种补偿方法效果最好。最后,以三相LCL型有源电力滤波器为例,通过仿真和实验验证此控制器的可行性。

T型三电平400 Hz三相APF预测无差拍重复控制

针对在400 Hz航空电源系统中,为了提高电能质量而采用有源电力滤波技术,但因系统基频高且存在延时而出现的补偿效果不佳的问题,结合延时对补偿效果的影响分析,提出一种预测无差拍重复控制策略。首先,为提高系统在动态情况下的反应速度引入预测电流控制,在加快动态响应的同时减小系统稳态误差。其次,为解决电流控制及采样的各一拍延时问题,对参考补偿电流进行“两拍预测”。此外,为消除补偿电流的周期性控制误差,在电流控制环内嵌入重复控制。稳态和动态仿真中,该综合控制策略表现出比传统控制更优的补偿效果和动态性能。为了进一步验证该策略的有效性,实验在T型三电平400 Hz三相APF平台上进行。实验结果表明,该控制策略可以将400 Hz系统中网侧电流THD从10.5%降低到3.13%。

LCL型SAPF的并联复合电流控制策略

针对传统控制器动态性能差、稳态跟踪精度不高、无法对变化的谐波电流进行实时调整的问题,提出一种基于LCL型有源电力滤波器的并联型复合电流控制策略。将模糊PI控制器和快速重复控制器结合,提高了系统的动态响应速度和稳态补偿精度,并给出了详细的设计方案。为了提高直流侧电容的稳压速度,对电容电压控制设计了模糊PI控制。最后仿真验证了该控制策略的有效性和优越性。

提升低压配电电能质量的H桥有源电力滤波器

将H桥结构的三电平逆变器作为有源电力滤波器(APF)应用于低压配电网络可有效提升系统电能质量,然而当负载电流三相不对称时,负载电流中的基波负序分量会影响直流母线电压的稳定控制。在这种场景下,首先探讨了H桥结构三电平逆变器与电网基波正负序分量对输入逆变器功率的影响,提出了基于正序电流的直流母线平均电压控制方法,和基于负序电流的直流母线相间电压平衡控制方法;最后通过搭建额定功率为30 kW的H桥结构三电平APF原理样机实验验证了所提控制方法在非线性负载,以及不平衡负载等各类工况下电能质量治理的有效性。

基于改进FCS-MPC的APF电流跟踪控制方法研究

针对传统FCS-MPC电流跟踪精度低的问题,提出一种能够快速准确实现电流跟踪控制的改进FCS-MPC方法。将代价函数中补偿电流转换为输出电压快速获取最优开关状态,通过三矢量代替单矢量减小补偿电流脉动,同时加入两步预测对电流跟踪控制进行时滞补偿。仿真结果表明,改进FCS-MPC的电流跟踪控制精度提高,APF谐波抑制性能更好。

冷库工程变频压缩机组的谐波治理

针对冷库工程大功率变频压缩机应用越来越普遍、低压配电系统的谐波危害越来越严重的问题,在无功功率补偿柜电容器前端串接电抗+有源滤波器可以很好地治理谐波。通过对变频器工作原理的分析,结合实际工程案例计算各次谐波含量,可以准确选择串联的电抗率和需要配置的有源滤波器容量,提出:从保护电容器、保证无功补偿装置安全运行的角度考虑,串联电抗率7%更适合冷库工程的使用。