有源电力滤波器的性能分析范文

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《现代建筑电气杂志》2014年第六期

1PI控制和重复控制并联的复合控制

1．1复合控制系统分析本文提出的基于数字PI控制和数字重复控制的复合控制如图4所示。图4中，z－1代表1拍的延时，z－N为延迟环节，N为一个基波周期内的采样次数，Kr为增益系数，Q(z)为补偿环节，Gp(z)为受控对象，S(z)为对象补偿环节，zk为超前补偿环节，k为超前步长，对Gp(z)和S(z)进行相位补偿。数字PI控制器对输出谐波指令误差进行实时调整，改善APF系统的动态性能。数字重复控制器用来除系统的周期性跟踪误差，改善APF系统的稳态补偿精度。由于重复控制器的存在，可以保证输出波形在幅值和相位上均无差跟踪给定信号。在复合控制方案中，PI控制器和重复控制器并联在控制系统的前向通道中，共同对系统的输出产生影响。一方面，当系统处于稳定运行状态，系统的跟踪误差小，PI控制器输出的控制作用很小，基本上不对系统产生影响。系统运行所需的控制作用大多由重复控制器提供，控制作用是历史误差累加的结果。另一方面，当负载出现大的扰动，跟踪误差突然变大，由于参考周期的延时，重复控制器输出不变化，但PI控制器却感知到跟踪误差的突变并立即产生调节作用。在此周期中，输出补偿电流由PI控制器决定，虽然补偿性能有所下降，但输出补偿电流却不产生突变。一个周期过后，重复控制器产生调节作用使跟踪误差迅速减小。随着跟踪误差减小，PI调节器的控制作用逐渐减弱，直至系统达到新的稳定运行状态。

1．2复合控制系统设计在图4中，PI控制器表示为式(9)中因子1+z－1D(z)GP(z)即是系统只含PI控制时的特征方程，即基于PI控制和重复控制的复合控制系统稳定的前提条件之一是系统只在数字PI控制下是稳定的。可见，由于系统含有重复控制，理想情况下系统的稳态误差为0。当然，为了兼顾系统的稳定性，稳态误差不可能为0，只能在保证系统稳定的前提下尽量使跟踪误差最小。

2试验结果

2．1PI控制PI控制器作用时负载电流波形和电网电流波形如图6所示。负载、电网侧电流频谱如图7、图8所示。从图8可见，电网侧电流的总谐波畸变THD从28．5%下降到15．0%，其中5、7、11、13次谐波的THD有了明显的下降，17次、19次谐波下降不多。

2．2复合控制稳态作用复合控制时APF稳态负载电流和网侧电流如图9所示。与单纯PI控制器作用相比，电网侧电流陡升、陡降处尖冲基本被消除且接近于正弦波。电网侧电流频谱如图10所示，可见网侧电流THD降至2．79%。相对于只有PI控制器作用，PI控制器和重复控制器并联作用使谐波补偿效果有很大改善，频谱中几乎所有谐波电流都被抑制。

2．3不平衡负载下复合控制作用中线上流过的基波电流约为20A。补偿前后系统电流波形及电流波形频谱如图11、图12所示。可见，补偿前三相不平衡，中线存在较大的基波电流，补偿后三相系统电流基本平衡，中线电流基本为0，补偿后的系统电流THD由补偿前的18．44%降低到6．62%。

2．4复合控制动态作用为了验证PI控制器和重复控制器并联作用时APF动态性能，进行突加、突卸试验。复合控制作用突加负载时负载电流和网侧电流如图13所示。从图13可以看出，复合控制器快速响应了指令的突变，但突加负载时出现了半周期指令失真，这不是控制器的响应速度不够，而是在谐波提取环节中用到了一个低通滤波器，造成算法上半周期指令失真。从第2个周波开始，重复控制的作用逐渐明显，从第5个周波开始逼近稳态。复合控制突卸部分负载时负载电流和网侧电流如图14所示。由图14可见，负载在t0时刻发生变化，而补偿后的网侧电流在t1时刻完全跟踪上负载电流的变化，延时半个周期，这是因为谐波提取中低通滤波器半周期指令失真造成的，控制器的响应速度很快，可极大减小APF由于负载变化发出或吸收有功功率。

3结语

基于同步旋转坐标系，对三相四线并联型APF的电流环控制性能进行了详细分析，提出了一种PI控制和重复控制并联运行的复合控制器，以改善其稳态补偿精度和动态响应性能。试验结果表明，该控制器在稳态运行时能将电网电流的THD值从30%降到3%，而其动态性能仅有半个基波周期(10ms)的延时。理论分析和试验结果证明了这种控制方式的可行性。

作者：徐瑞新石兆磊单位：上海华艾软件有限公司