單相并聯(lián)型有源電力濾波器電流復(fù)合控制

1、第44卷第3期2010年3月電力電子技術(shù)PowerElectronicsVol.44，No.3March2010單相并聯(lián)型有源電力濾波器電流復(fù)合控制張樹全，戴珂，李直430074）（華中科技大學(xué)，湖北武漢摘要：為提高單相并聯(lián)型有源電力濾波器（ActivePowerFilters，簡稱APF）的補(bǔ)償精度，提出了一種靜止坐標(biāo)系下PI和重復(fù)并聯(lián)運(yùn)行的電流復(fù)合控制策略，其中PI控制主要保證系統(tǒng)的動態(tài)性能，基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制可以顯著提高APF輸出電流對負(fù)載諧波電流的跟蹤精度。對單相APF中的復(fù)合控制策略參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明復(fù)合控制策略可以有效提高單相APF的濾波性能，總諧波畸變率降

2、低到3.8，達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)膰覙?biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；單相；比例積分控制；重復(fù)控制；補(bǔ)償性能中圖分類號：TN713文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-100X（2010）03-0022-03CurrentCompoundControlStrategyforSing-phaseShuntActivePowerFilterZHANGShu-quan，DAIKe，LIZhi（HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China）Abstract：Inordertoimprovetheaccuracyoftheharmoniccomp

3、ensationforthesingle-phaseshuntactivepowerfilter（APF），basedonthestationalframe，acompoundcontrolstrategywhichconcludethePIcontrolandrepetitiveparallelispro-posed.PIcontrolisusedtoguaranteethesystemdynamicperformance，therepetitivecontrolistoimprovetheoutputcur-renttrackingaccuracyfortheloadharmoniccur

4、rent.Thetheoreticalanalysisandexperimentalresultsverifythatthewave-formqualityiseffectivelyimprovedbythestrategyproposed.Totalharmonicdistortion（THD）isreducedto3.8%，whichisachievethenationalstan-dardsofharmoniccompensation.Keywords：activepowerfilter；single-phase；proportionintegralcontrol；repetitivec

5、ontrol；compensationperformanceFoundationProject：SupportedbyNationalKeyTechnologyR&DProgram（No.2007BAA12B03）1引言電力電子裝置和非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，使得大量的無功電流和諧波電流注入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)和電氣裝置的安全運(yùn)行和可靠使用1。有源電力濾波器（APF）與無源濾波器相比，可以動態(tài)的抑制諧波和無功電流，不易與系統(tǒng)發(fā)生諧振。隨著電氣化鐵路中整流電力機(jī)車，越來越多的開關(guān)電源，各種家用電氣等單相電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用，單相APF逐漸成為了研究熱點(diǎn)2。文獻(xiàn)3針對工頻整流器式電力機(jī)車，通

6、過耦合變壓器，把APF串入無源濾波器中，提出了一種混合型單相APF。文獻(xiàn)4通過對三相空間矢量的分析，提出了一種適合單相全橋型逆變器的空間矢量方法。對于APF的電流環(huán)而言，輸入指令主要為快速變化的諧波信號，PI控制器的帶寬有限，無法做到對這種多個頻率正弦信號疊加的諧波電流的精確跟蹤?；趦?nèi)模原理的重復(fù)控制技術(shù)理論，以實(shí)現(xiàn)對正弦指令信號的無靜差跟蹤5，但基于工頻周期的調(diào)節(jié)的重復(fù)控制的缺點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)慢。因此對單相APF，提出了一種靜止坐標(biāo)系下的采用PI控制和重復(fù)控基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助（2007BAA12B03）定稿日期：2009-07-31作者簡介：張樹全（1983-），男，山東東營人，博

7、士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮釉陔娏ο到y(tǒng)中的應(yīng)用等。制并聯(lián)的電流復(fù)合控制策略，利用PI控制的快速響應(yīng)特性保證系統(tǒng)的動態(tài)性能，利用重復(fù)控制來提高穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的補(bǔ)償精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于PI和重復(fù)控制并聯(lián)運(yùn)行的控制策略穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應(yīng)快，補(bǔ)償性能良好。2單相APF數(shù)學(xué)模型單相并聯(lián)型APF的電路模型如圖1所示。VSa1，VSa2，VSb1，VSb2為兩個橋臂的開關(guān)管L為APF的輸出電感；Cdc為直流母線上的濾波電容R為輸出電感內(nèi)阻和每個橋臂的上下管互鎖死區(qū)壓降等效阻抗之和圖1單相APF電路模型由圖1可建立靜止坐標(biāo)系下單相APF的模型：Ldi+Rif=us-（Sa+Sb）Udc，CdcdU=（Sa+S

8、b）if（1）dtdt式中：Sa，Sb為開關(guān)函數(shù)，Sa，Sb為1表示上管導(dǎo)通下管關(guān)斷，為0表示下管導(dǎo)通上管關(guān)斷。由此可得單相APF在靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，如圖2虛線框內(nèi)所示，圖2中電網(wǎng)電壓為一擾動量，考慮電網(wǎng)電壓可能存在畸變以及給控制器提供一個穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的工作點(diǎn)，加入電網(wǎng)電壓前饋。引入一個新的控制變量ur=us-（Sa+Sb）Udc，代入式（1）可得：單相并聯(lián)型有源電力濾波器電流復(fù)合控制Ldif+Rif=ur實(shí)際相當(dāng)于APF橋臂中點(diǎn)的輸出電壓。（2）此時控制對象實(shí)際簡化成一個一階慣性環(huán)節(jié)，ur圖3嵌入式重復(fù)控制器3單相APF控制系統(tǒng)單相APF的控制系統(tǒng)如圖2所示，由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成，電流

9、內(nèi)環(huán)有兩個作用，一個是通過對電壓外環(huán)產(chǎn)生的電流指令信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，與電壓外環(huán)PI控制器一起維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定在一個合適值；另外可對檢測到的負(fù)載諧波電流指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，使APF輸出與負(fù)載諧波幅值相等，方向相反的諧波電流信號，從而起到諧波補(bǔ)償?shù)哪康?。因此APF性能很大程度上取決于電流環(huán)控制器的性能。Q（z）不僅與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有關(guān)，而且與補(bǔ)償精度有關(guān)，Q（z）的取值以犧牲穩(wěn)態(tài)精度來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，取Q（z）0.95。上面提到的控制對象一階慣性環(huán)節(jié)特性、系統(tǒng)采樣、指令計(jì)算和滯后一拍的控制均會增大Tf，故用超前拍數(shù)環(huán)節(jié)來補(bǔ)償數(shù)字控制的一拍延遲以及控制對象的相位滯后。通過估算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證選取超前拍數(shù)為2，

10、即超前環(huán)節(jié)為z2，選取合適的重復(fù)控制增益Kr來調(diào)節(jié)重復(fù)控制器的收斂速度，它不能取的太大，否則容易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，這里取Kr0.5。此時S（z）設(shè)計(jì)為KrS（z）。3.3復(fù)合控制策略分析重復(fù)控制理論上雖可以做到對指令信號無靜差跟蹤，但是有一個缺點(diǎn)，即其動態(tài)響應(yīng)滯后一個工頻周期。因此，為同時兼顧系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能，在單相APF控制系統(tǒng)中，將重復(fù)控制器與PI調(diào)節(jié)器并聯(lián)運(yùn)行組成電流復(fù)合控制策略。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，其跟蹤誤差小，重復(fù)控制占圖2單相APF控制框圖據(jù)主導(dǎo)作用，PI控制器的作用很小；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大擾動時，由于重復(fù)控制器存在一個工頻周期的延時，在擾動瞬間的一個工頻周期內(nèi)無法產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，而

11、PI控制可以迅速調(diào)節(jié)，一個基波后重復(fù)控制器的調(diào)節(jié)作用使跟蹤誤差減小，直至系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。3.1PI控制器的分析和設(shè)計(jì)由上述分析可知，控制對象可簡化成一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此基于PI控制的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)為一個典型的二階系統(tǒng)，可以采用零極點(diǎn)對消的方式將此時的閉環(huán)傳函簡化成一階模型，該方法的核心思想是使控制器的零點(diǎn)偏移到該系統(tǒng)在S平面的極點(diǎn)。取比例常數(shù)和積分常數(shù)Ki/Kp=R/L，此時基于PI控制的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：4實(shí)驗(yàn)結(jié)果為證明分析的正確性，研制了一臺22kVA單相并聯(lián)APF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，電路結(jié)構(gòu)參數(shù)為：交流電源有效（3）值Us=220V；電網(wǎng)頻率fs=50Hz；L=0.9mH；Cdc

12、=40mF；直流側(cè)電壓Udc=450V；APF容量SC=22kVA；開關(guān)元件額定電流Icmax=300A；開關(guān)頻率fc=9.6kHz。搭建了單相不控整流橋帶RL型負(fù)載作為諧波源，L和R分別為8mH和5.5。圖4示出投入非線性負(fù)載后系統(tǒng)的電流波形?？梢姡鏀?shù)次諧波畸變嚴(yán)重，其中3次諧波畸變率為14.8，總的諧波電流畸變率為20.4。I（s）=K=1r*（）pf式中：Tf為系統(tǒng)響應(yīng)的延遲時間。由式（3）可知，Tf與Kp成反比，與L成正比，因此減小L和增大Kp有助于提高系統(tǒng)補(bǔ)償精度，但控制對象一階慣性特性決定了PI控制無法消除延遲，系統(tǒng)采樣、指令計(jì)算和數(shù)字控制一拍滯后的特性使得電流響應(yīng)時間延遲變嚴(yán)重

13、，因此對輸出電流的跟蹤精度改進(jìn)有限，且可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2重復(fù)控制器的分析和設(shè)計(jì)嵌入式重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。低通濾波器Q（z）簡單的取為一個小于1的常數(shù)，與周期延遲環(huán)節(jié)z-N串聯(lián)構(gòu)成重復(fù)控制器的內(nèi)模部分。S（z）是針對控制對象P（z）而設(shè)置的補(bǔ)償器。以工頻周期正弦信號作為重復(fù)控制的內(nèi)模進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此根據(jù)內(nèi)模原理，只要以基波周期重復(fù)出現(xiàn)的信號，重復(fù)控制器理論上均可以做到對此穩(wěn)態(tài)無靜差的跟蹤。圖4補(bǔ)償前系統(tǒng)電流波形和頻譜分析電流內(nèi)環(huán)單獨(dú)采用PI控制時補(bǔ)償效果如圖5所示，其中if為APF輸出電流，is為補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)電第44卷第3期2010年3月電力電子技術(shù)PowerElectronicsV

14、ol.44，No.3March2010流，在固定點(diǎn)處的電流階躍依舊很明顯，3次諧波畸變率從補(bǔ)償前的14.8降低到8.9，THD由補(bǔ)償前的20.4降低到13.8，可見PI的補(bǔ)償效果有限，尚未達(dá)到諧波抑制的國家標(biāo)準(zhǔn)。5結(jié)論從理論上分析了PI控制器在單相APF中應(yīng)用的局限性，為改善單相APF穩(wěn)態(tài)時補(bǔ)償精度，同時兼顧其動態(tài)響應(yīng)特性，提出了PI控制器和重復(fù)控制器并聯(lián)運(yùn)行的電流復(fù)合控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的復(fù)合控制策略可以明顯提高單相APF的補(bǔ)償性能，達(dá)到了諧波抑制的國家標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)1圖5單獨(dú)PI控制器時系統(tǒng)電流和電流頻譜王兆安，楊君，劉進(jìn)軍諧波抑制和無功功率補(bǔ)償M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.同樣

15、負(fù)載條件，采用PI控制和重復(fù)控制并聯(lián)運(yùn)行的電流復(fù)合控制策略下，補(bǔ)償效果如圖6所示。2TTanaka，EHiraki，KUeda，etal.ANovelDetectionMethodofActiveandReactiveCurrentsinSinglePhaseCircuitsUsingtheCorrelationandCross-correlationCoefficientsandItsApplicationsJ.IEEETrans.onPowerDelivery，2007，4（22）：2450-24563符志平，王躍，楊君，等新型單相混合有源電力濾波器的研究J電力電子技術(shù)，2003，37（6

16、）：27-294AKoochaki，SHFathi，MDivandari.SinglePhaseApplica-tionofSpaceVectorPulseWidthModulationforShunt圖6復(fù)合控制補(bǔ)償時系統(tǒng)電流和電流頻譜ActivePowerFiltersA.IEEEInternationalSymposiumonIndustrialElectronicsC.2007：611616.5RobertGrinó，RafaelCardoner，RamonCosta-Castelló，etal.DigitalRepetitiveControlofaThree-Ph

17、aseFour-wireShuntActiveFilterJ.IEEETrans.onIndustrialElcetronics，2007，54（3）：1495-1503.在固定點(diǎn)處的電流階躍得到明顯抑制，3次諧波畸變率從14.8降低到1.75，THD下降至3.8，補(bǔ)償精度得到顯著提高，波形質(zhì)量得到明顯改善，達(dá)到了諧波抑制的國家標(biāo)準(zhǔn)。!（上接第21頁）6結(jié)論針對大功率雙管正激變換器次級整流二極管會產(chǎn)生電壓尖峰的缺點(diǎn)，介紹了幾種解決方案，詳細(xì)分析了加CDD緩沖電路的組合雙管正激變換器工作原理，并對緩沖電容的選取作了一些說明。實(shí)驗(yàn)證明，該CDD緩沖電路能很好地抑制次級整流管和續(xù)流管反向恢復(fù)時的尖峰

18、，并克服RC和RCD緩沖電路損耗較大的缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果石健將.雙管正激變換器組合研究D.南京：南京航空航天大學(xué)，2003.徐曉彬.大功率全橋變流器次級整流吸收電路研究J.電力電子技術(shù)，2009，43（1）：41-43.23由圖5a可見，VD5，VD6的電壓尖峰較小，表明該CDD緩沖電路對續(xù)流二極管的電壓尖峰有良好的抑制作用。由圖5b可見，在開關(guān)管關(guān)斷后進(jìn)入續(xù)流前，對應(yīng)的次級續(xù)流二極管要換流關(guān)斷，緩沖電路開始起作用，抑制續(xù)流管的電壓尖峰，當(dāng)續(xù)流管反向恢復(fù)結(jié)束后，承受電壓回到正常值。在開關(guān)管關(guān)斷時HuangCK，NienHH，ChangchienSK，etal.AnOptimalDesignedRCDSnubberforDC/DCConvertersA.Control，Automation，RoboticsandVision，10thInternationalCon-ferenceo