基于复合控制的有源电力滤波器的研究.pdf

第 5 1卷第 1 6期 2 0 1 4年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 1 No 1 6 Au g 2 5 ， 2 0 1 4 基于复合控制的有源电力滤波器的研究 王云亮， 余啸峰 ( 天津理 工大学 天津市复杂 系统控制理论及应用重点实验 室， 天津 3 0 0 3 8 4 ) 摘要： 主要介绍了一种基于d q 旋转坐标系下P I 控制和重复控制结合的复合控制。 P I 控制不适用于具有周期性外 激励信号的系统， 及跟踪效果较差的系统； 重复控制对周期性外激励信号的跟踪和抑制具有优异的控制性能。 复合控制结合了P I 控制和重复控制的优点， 能够有效地消除系统的稳态误差、 改善系统的鲁棒性并具有良好的 动态电流响应 。基于三相并联有源滤波器系统 ， 着重研究了复合控制的设计方法 ， 并进行了仿真验证 ， 仿真结果 表明了此方法 的有效性和优异性。 关键词： 有源电力滤波器( A P F ) ； P I 控制； 重复控制； d - q 旋转坐标 中图分类号 ： T M7 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 1 6 0 0 9 8 0 5 Re s e a r c h o f Ac t i v e Po we r Fi l t e r Ba s e d o n Co mpo u nd Co nt r o l W ANG Yu n l i a n g ，YU Xi a o f e n g ( T i a n j i n K e y L a b o r a t o r y f o r C o n t r o l T h e o r y&A p p l i c a t i o n s i n C o m p l i c a t e d S y s t e ms T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r ma i n l y i n t r o d u c e d a c o mp o u n d c o n t r o l wh i c h wa s b a s e d o n t h e d - q r o t a t i o n a l c o o r d i n a t e s ， a n d wh i c h wa s a c o mb i n a t i o n o f P I c o n t r o l a n d r e p e t i t i v e c o n t r o 1 P I c o n t r o l d o e s n t a p p l y t o t h e s y s t e m w i t h p e r i o d i c e x t e r n a l e x c i t a t i o n s i g n a l s o r t he s y s t e m wi t h po o r t r a c k i n g e f f e c t ，wh i l e r e p e t i t i v e c o nt r o l h a s e x c e l l e n t c o nt r o l a b i l i t y i n t r a c ki ng d o wn a nd s u p pr e s s i n g t h e p e r i o d i c e x t e r n a l e x c i t a t i o n s i g n a l s Thi s c o mpo u n d c o n t r o l c o mbi ne d t he a d v a n t a g e s o f PI c o n t r o l a n d r e p e t i t i v e c o nt r o l ，wh i c h c o u l d e f f e c t i v e l y e l i mi n a t e t he s t e a d y- s t a t e e r r o r s ， i mp r o v e t h e r o b u s t n e s s o f t h e s y s t e m a n d h a v e g o o d d y n a mi c c u r r e n t r e s p o n s e Ba s e d o n t h e t h r e e p h a s e s h u n t AP F s y s t e m， t h e d e s i g n me t h o d o f t h e c o mp o u n d c o n t r o l wa s s t u d i e d i n d e p t h i n t h i s p a p e r ， a n d t h e n s i mu l a t i o n t e s t s w e r e c a r r i e d o u t Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s i n di c a t e d t h e e f f e c t i v e n e s s a n d e x c e l l e n c e o f t h i s n e w me t h o d Ke y w o r d s ： a c t i v e p o w e r fi l t e r( A P F ) ， P I c o n t r o l l ， r e p e t i t i v e c o n t r o l ， d - q r o t a t i o n a l c o o r d i n a t e s 0引 言 近年来 ， 随着电力电子技术 的高速发展和电力电 子设备的普及 ， 使得谐波对 电网的污染 日趋严重 。电 力电子装置 自身所具有 的非线性导致了电网中含有 大量谐波， 给电力系统带来 了严重 的谐波污染。 “ 。谐 波是指对周期性交流进行 的傅里 叶分解后得到频率 不为基波频率的分量 。 有源电力滤波器 ( A c t i v e P o w e r F i l t e r ， A P F ) 是一 种能动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能 对幅值和频率都变化的谐波进行快速的跟踪补偿且补 偿性不受系统阻尼的影响，其控制电路容易实施限流 保护 以提高系统的安全性 ，因而受到 了极大 的关注 3 一 98一 控制系统是有源电力滤波器的核心 ， 决定了有源 电力滤波器的主要性能和指标 。 现今常用 的P I 控制对 检测到的误差信号能立即产生校正作用 ， 跟踪的快速 性较好， 但是它的跟踪效果不好。 ， 并且P I 调节不能消 除系统的稳态误差 。 重复控制技术被引入A P F 控制， 用来消除周期性负载谐波， 其思想来源于控制理论的 内模原理 ， 利用负载扰动 的周期性规律 ， 有针对性的 逐步修正 ， 可 以保证输 出的波形精确跟踪给定 ， 是一 种能消除所有包含在稳定闭环 内的周期性误差 的控 制方案， 结构简单， 易于实现 。 基于三相三线制并联型有源滤波器系统 ， 本文提 出了一种优化设计 的复合控制方案，即在d q 旋转坐 标 系下建立P I 控制和重复控制器的仿真模型 ， 结合 了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 6期 2 0 1 4年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c ai M e a s u r e m e nt& I n s t r um e n t a t i o n VO1 5 1 No 1 6 Au g 2 5 2 0 1 4 两种控制方法的优点 ， 它具有稳定快速的跟踪速度 ， 精 确的跟踪效果 ， 能够有效地消除系统的稳态误差 、 改善 系统的鲁棒性。 基于三相并联有源电力滤波器系统 ， 本 文着重研究了复合控制器的设计方法，并进行了仿真 验证， 仿真结果表明此方法的有效性和优异性 。 1 A P F 工作原理 A P F 工作原理如图1 所示。 图1 有源滤波器的原理图 Fi g 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t he APF 有源电力滤波器 的基本工作原理简述 ： 有源电力 滤波器通过检测环节( 算法 ) 检测 出负载电流 i 中的 谐波电流i ， 根据检测 的结果产生与谐波电流i 大小 相等 、 相位相反的补偿电流i ， 注入到 电网中 ， 从而使 流入 电网的电流i 只含有基波分量 ， 即 ： i =i L - ( 1 ) 2 P I 控制器 2 1 有源电力滤波器电流控制环 一 般P WM变换器被认 为是一个带延时的增益环 节 ， 而此处反馈 回路也可以认为是一个滤波环节。运 用P I 控制器进行 电流控制 ， 需要考虑数字控制系统 引 入的采样延时和变换器的输出延时 ，可以得到系统d 轴上的电流控制框图， 如图2 所示。 图2 d 轴上 的 电流控 制结 构 图 F i g 2 Bl o c k d i a g r a m o f c u r r e n t c o n t r o l i n d -a x i s 2 q b i为电源电流参考值在d 轴上的值 ； K + L 为P I 控制在d 轴上的传递函数， 是P wM 逆变 s 丁 S + l 器在d 轴上的传递函数， _ ( s ) - L t o i ( s ) 和 为d 轴上的被控对象， 为实际输出电源电流在d 轴上的值。 2 2 P I 控制器参数设计 根据图2 的电流控制框图，可 以推导出电流环的 开环和闭环的传递函数分别为： G ： ( 2 ) L ， n一一 厶 ， ” s ( 7 - l s + 1 ) ( 2 s +1 ) ( s+R) G 。 s ) w ( + ) 一 丽一 丽 ( 3 ) 式 中 t 表示P wM的开关延时； 丁 ， 表示反馈滤波和采样 延时。 对闭环传递函数进行降阶简化， 因丁 、 丁 ， 比较小， 所以令T = r l+ 丁 2 ； 为了实现零极点相互消除， 令 = R ，根据公式 ( 2 ) 和公式( 3 ) ， 开环和闭环的传递函数可以简化为： G 0 (s ) 南 K P w M T L s + s + KP w M KP ( 4 ) ( 5 ) 根据经典二阶最佳设计原则 ， 将 电流环校正成最 佳的二阶系统 ， 即： G d ： ： n_ T Ls + s+ ： P wM S + 2 s + ( 6) 在 理想状态 下 ， 为取 得较好 的动态 性能 ， 令 = 0 7 0 7 ， 取开关频率的 7 1， 将这些条件代入上述 j 的公式中， 可以计算得出相应的 、 参数。 2 _ 3 P I 控制器仿真结果 根据上述的理论， 依据M a t l a b s im u l i n k 仿真平台， 基于传统的P I 控制系统 ， 经过仿真表明系统里具有一 个较大幅度的正弦干扰信号网侧电压， 它对系统 【8 l 的控制性能产生了巨大的影响。在此基础上 ， 本文 提 出了前馈方式的P I 控制的控制方案 ， 具体的P I 控制 框图如 图3 所示。 仿真结果显示 ， 常规的P I 控制， 补偿后的电流波 形在开始的前三个周期有较大的波动 ， 系统趋于稳定 的过渡时间较长。通过增益前馈方式的P I 控制的调 一 99一 一十 一 一 L + 一 一 P 一 一 M w 一 ， 、 m K 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 s 1卷第 1 6期 2 0 1 4年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a d M e a s u r e m e nt& I n s t r ume n t at i o n Vo I 51 No 1 6 A u g 2 5 0 1 4 节 ，补偿后的电流波形前两个周期有较小 的波动 ， 过 渡时间缩短了， 说明电流的跟踪补偿效果也得到了明 显的改善。 图3 改进 的P I 控 制框 图 F i g 3 B l o c k d i a g r a m o f t h e i mp r o v e d P I c o n t r o l 3 复合控制系统的设计 3 1 重复控制及其参数设计 重复控制首先提出是用于对连续S I S O 线性时不 变系统高精度跟踪一个周期已知的参考输入的一种学 习控制方法。尤其是在采用其它控制技术难取得高精 度的情况下， 重复控制因其控制精度高、 实现简单以及 控制性能的非参数依赖l生，成为解决周期性外激励信 号控制的一种有效方法 。重复控制框图如图4 所示 。 I s 一) ： 、 一 + p ， 、 L ： 一 G 一 I A r 厂 l1 二 ，厂 竺 一 重复控制 一 一 1 图4重复控 制框 图 Fi g 4 Bl o c k d i a g r a m o f r e pe t i t i v e c o n t r o l 根据重复控制 的传递函数 ， 可 以得到其离散化脉 冲传递函数： 1 G( ) = ( 7 ) 1 l4 0 O ， p ( ) 圳 构成了重复信号发生器； - N 6 是延 时环节； 7、 表示一个基波周期系统的采样数 ， 的取值 与网侧的工作频率和P WM逆变器开关频率有关 ， 根 据本文的系统， 取1 5 K 次 ； Q ( z ) 通常取略小于1 的常 数，是因为重复控制其实等效于一个纯积分环节， 这 样取值可以避免闭环系统失去其稳定性 。 F ( z ) 是补偿器， 与 ， ( 增益系数 ) 共同作用 ， 使被 控对象的中低频段增益校正为 1 ， 高频段衰减。为了 有效 的抑制被控对象的谐振峰值并简化系统的设计 ， 取 z ) 一l 。 P ( ) 为被控对象 ， 根据公式( 2 ) ， 可以得Nd 轴上 系统被控对象的时域传递函数 ： P ( ) ： 一 ( 8 ) ( s+R J ( T s +1 ) 重复控制器参数 的设计对系统的稳态性能 、 鲁棒 性和暂态性能有很大影响。为了保证系统的稳定性 ， 依据H a r a 等人对最小相位系统， 满足 ll Q ( z ) lI l 的 理论 ， 动态补偿器需要满足 ： l l Q ( z ) 一 K r z ) P( ) I l 1 ( 9 ) 3 2 复合控制 系统及控制策略分析 已设计的复合控制对系统电流进行控制， 可以对 非线性负载产生的谐波进行稳态误差补偿 。 基于P I 控 制和重复控制 的复合控制原理框图5 如所示。 图5 复合控制原理框图 F i g 5 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e c o mpo u n d c o n t r o l 图5 中， P I 控制和重复控制并联在控制系统的前 向通道中， 共同作用于系统的输出。 本文控制策略的特点可以概括为 ： 当系统稳定运 行时 ， 电流误差较小 ， 此时P I 控制 的调节作用较小 ， 主 要还是 由重复控制进行控制调节 ； 当系统的非线性负 载产生突变时 ，误差变大 ， P I 控制能及时地对变大的 误差产生较大的调节作用， 此时的重复控制调节作用 较小 ， 输出基本不变 ， 通过P I 调节 ， 误差逐渐变小后 ， P I 控制的作用减弱 ， 重复控制进行控制 ， 使得跟踪误 差减小 ， 直到系统再次达到稳定。 4 仿真结果及分析 为了验证本文提出的复合控制策略的正确性和 有效 l生， 本文依据Ma t l a b S i mu l i n k 仿真平台 ， 建立了基 于复合控制器的三相三线制并联有源电力滤波器的 仿真系统模型。 本文谐波的检测方法为基于瞬时无功 功率理论 的 一 法 ， 它可以准确 、 实时地检测 出三相 电流中的谐波电流及无功电流 ， 可为抑制谐波和无功 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 l 6期 2 0 1 4年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e nt a t i o n V0 I 5I No 1 6 Au g 2 5 ， 2 0 1 4 补偿提高可靠的谐波及无功电流分量 。 系统的各元器件具体的仿真参数如下： A P F 交流 侧电压源输入电压有效值2 2 0 V ， 频率5 0 H z ， 系统侧电 网阻抗 为2 7 m H； 直流侧给定 电压 为7 2 0 V、 L 为 3 5 mH、 电容c 的值设定为4 7 m F ； 非线性阻感负载中 的平波电抗器 设为2 m H； P I 控制器中的开环增益K 。 设为6 ， K 为5 5 0 。复合控制框图如图6 所示。 对改进的 P I 控制与复合控制在阻值变化的情况下做了比较 ， 系 统谐波总畸变率的变化情况如表1 所示 。 图6 复合控制框 图 F i g 6 Bl o c k d i a g r a m o f t h e c o mp o u nd c o nt r o l 表1仿真结果 T a b 1 S i mu l a t i o n r e s u l t s 实验结果表明，随着电阻值的增大， P I 控制和复 合控制的谐波畸变率都有增长的趋势。 电阻的大小对 负载中谐波电流的大小有一定的影响，大电流利于跟 踪补偿， 小电流不利于跟踪补偿。电阻值很大时， 此系 统还存在些许的不足， 还有待于进一步的研究与改善。 但相对而言， 复合控制的性能指标较好， 电流的 跟踪补偿效果较突出。针对三相平衡系统， 本文提出 的重复控制策略能够取得理想的补偿效果和有效的 性能指标， 表明了这种复合控制控制策略的有效性。 以电阻值是4 n的复合控制为例 ，对A 相电流的 电流跟踪效果以及补偿效果进行观察和记录， 具体的 仿真结果如图7 所示。 1 5 O 1 0 0 5 O O 一5 0 1 0 0 1 5 O l 5 O l 0 O 5 O O 5 0 】 O O 1 5 O 3 O 2 O 1 0 O 一1 O 2 O 3 O 4 O 5 0 ( c ) 谐波 电流跟踪波形图 ( d ) 补偿后 的频谱分析图 图7 复合控制仿真结果 F i g 7 S i mu l a t i o n r e s u l t s o f t h e c o mp o u n d c o n t r o l 5 结束语 ( 1 )基于并联型三相三线制有源电力滤波器系 统， 本文提出了复合控制策略， 结合了两种控制( P I 控 制和重复控制) 的优点 ， 能够有效地消除系统的稳态 误差 、 改善系统的鲁棒性 。 ( 2 )常规P I 控制下存在较长时间的过渡过程， 这 一 l 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 l 卷 2 0 1 4钽 第 l 6期 8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l Me a s ur e me n t& I n s t r u me nt a t i o n Vo J 51 No 1 6 Aug 2 5 ，20 1 4 对系统的跟踪控制性能产生了较大的影响。 在常规P I 控制的基础上采用前馈方式，本文优化设计了P I 控 制 ， 仿真表明， 系统的误差较小 ， 电流的跟踪效果和补 偿效果更好。 ( 3 ) 重复控制 ， 在反馈系统中对于周期性外激励 信号的跟踪和抑制具有优异的控制性能。 结合了P I 控 制后， 系统的电流响应速度变快 ， 谐波电流跟踪较为 精确， 电流谐波总畸变率变小， 系统运行更加稳定。 仿 真结果表明此复合控制策略的有效性和优异性。 参 考 文 献 【 1 】 曲学基， 曲敬铠， 于明扬 电力电子滤波技术及其应用 【 M 】 北京： 电 子工业 出版社， 2 0 0 8 2 】 夏雪， 周林， 万蕴杰， 等 小波变换在谐波检测中的应用叨 电测与仪 表， 2 0 0 6 ， 4 3 0) ： 1 3 1 9 X I A X u e ，Z HO U L i n ，WAN Y u n - j i e ，e t a 1 Wa v e l e t T r a n s f o r m f o r H a r mo n i c Me a s u r e me n t J E l e e t r o n i e a l Me a s u r e m e n t I n s t r u me n t a t i o n 2 0 0 6 ， 4 3 ( 3 ) ： 1 3 - 1 9 f 3 】 武健， 何娜， 徐殿国 重复控制在并联有源滤波器中的应用啪 中国 电机工程学报， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 1 8 ) ： 6 6 7 0 【 4 】 周方圆， 唐朝晖 有源电力滤波器的研究现状与发展跚 电测与仪 表 ， 2 0 0 5 ， 4 2 ( 8 ) ： 1 - 4 Z HOU F a n g - y u a n ，T ANG Z h a o -h u i Ac ti v e P o we r F i l t e r s a n d T h e i r D e v e l o p m e n t咖 E l e c t r o n i c a l Me a s u r e me n t I n s tr u me n t a ti o n ， 2 0 0 5 ， 4 2 ( 8 ) ： 1 - - 4 【 5 】 王昭， 曾国宏 基于D S P 的有源电力滤波器控制系统的设计与研究 忉 电力电容器， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 5 ) ： 2 5 2 7 一 l 0 2 - 一 鎏 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 1 - 0 7 ； 修回 日期： 2 0 1 3 1 2 1 9 ( 王克祥编发) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m