楊新華，謝興峰，馬建立，丁海昌，萬(wàn)小亮

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.北京京儀椿樹(shù)整流器有限責(zé)任公司，北京 100040；3.南通中集罐式儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備制造有限公司，江蘇南通 226003）

指定次補(bǔ)償型并聯(lián)有源濾波器的控制策略研究

楊新華1，謝興峰1，馬建立2，丁海昌2，萬(wàn)小亮3

（1.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.北京京儀椿樹(shù)整流器有限責(zé)任公司，北京 100040；3.南通中集罐式儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備制造有限公司，江蘇南通 226003）

為提高有源電力濾波器補(bǔ)償?shù)撵`活性和補(bǔ)償精度，提出了一種以傳統(tǒng)PI為內(nèi)環(huán)，重復(fù)控制為外環(huán)的雙環(huán)復(fù)合電流控制器。給出了設(shè)計(jì)方法和動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)性能分析。并提出了將基于多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的指定次諧波提取與雙環(huán)復(fù)合控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差指定次諧波補(bǔ)償?shù)膹?fù)合控制策略。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了研究?jī)?nèi)容的有效性和正確性。

有源電力濾波器；重復(fù)控制；復(fù)合電流控制器；指定次諧波補(bǔ)償

1 引言

隨著電力電子非線性負(fù)荷在工業(yè)和民用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，電網(wǎng)中電流波形畸變更加嚴(yán)重，諧波和無(wú)功問(wèn)題越來(lái)越顯著。電力網(wǎng)絡(luò)中的諧波污染會(huì)造成電壓畸變、附加損耗、電氣設(shè)備的共振和干擾、過(guò)早老化等問(wèn)題［1-2］。有源電力濾波器（APF）是一種用于諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償?shù)男滦碗娏﹄娮友b置［3］。

APF中補(bǔ)償電流跟蹤控制的性能直接關(guān)系到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?，所以補(bǔ)償電流跟蹤控制部分是APF系統(tǒng)的核心。PI控制具有算法簡(jiǎn)單和可靠性高的特點(diǎn)，但常規(guī)的PI控制對(duì)交流參考信號(hào)難以達(dá)到理想的控制效果［4］。無(wú)差拍控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行，但其對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴(lài)性較大，魯棒性較差，瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)大［5］。文獻(xiàn)［6-7］提出的可選擇諧波型有源電力濾波器對(duì)抑制特定次諧波具有顯著的效果，但是對(duì)于各次諧波控制都要單獨(dú)設(shè)計(jì)PI控制器，參數(shù)設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且各次之間會(huì)有干擾。

本文對(duì)APF選擇性諧波控制進(jìn)行深入研究，針對(duì)常規(guī)電流PI控制器關(guān)于負(fù)載電流主要諧波補(bǔ)償不充分的問(wèn)題，提出改進(jìn)控制方案：將負(fù)載電流各次諧波經(jīng)過(guò)同步坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)和LPF單獨(dú)提取出來(lái)，把提取的d軸分量和q軸分量分別疊加后再與APF輸出諧波電流作差，誤差經(jīng)過(guò)PI內(nèi)環(huán)和重復(fù)控制外環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)復(fù)合控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波電流無(wú)靜差跟蹤。本文的設(shè)計(jì)方案在一臺(tái)60 kV·A APF已成功應(yīng)用。對(duì)三相不控整流橋帶阻感性負(fù)載補(bǔ)償?shù)姆抡婕皩?shí)驗(yàn)，證明了以上方案的正確性和可行性。

2 三相有源濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本文所研究的APF為三相三線制結(jié)構(gòu)。圖1給出了并聯(lián)APF拓?fù)?。APF通過(guò)電抗器后并聯(lián)到電網(wǎng)，補(bǔ)償對(duì)象為一個(gè)三相不控整流非線性負(fù)載。該類(lèi)型負(fù)載作為電流源負(fù)載通常會(huì)帶來(lái)總諧波畸變率大約25%的電流。其典型特點(diǎn)是，它的頻譜中僅包含諧波次數(shù)k=6n±1，n=1，2，…。k+=6n+1次諧波為正序分量，而k-=6n-1次諧波為負(fù)序分量［8］。

圖1 并聯(lián)有源濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The scheme of shunt APF

本文研究了非線性系統(tǒng)的諧波提取和控制算法，采用德州儀器公司的TMS320-X28335 DSP處理器實(shí)現(xiàn)。利用AD7656模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將電網(wǎng)電壓、APF輸出電流、負(fù)載電流等模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后通過(guò)軟件鎖相獲得電網(wǎng)電壓頻率和相位信號(hào)，再通過(guò)諧波檢測(cè)算法獲得補(bǔ)償電流指令信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)控制算法使APF產(chǎn)生與指令電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載中的諧波電流抵消，實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。

3 并聯(lián)有源濾波器控制策略

圖2是APF系統(tǒng)控制框圖?？刂葡到y(tǒng)由諧波電流檢測(cè)、電流控制環(huán)、電壓控制環(huán)3個(gè)環(huán)節(jié)組成。諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)通過(guò)多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)和低通濾波從負(fù)載側(cè)電流提取APF補(bǔ)償電流所需的指定次諧波指令信號(hào)；電流控制采用PI結(jié)合重復(fù)控制的雙環(huán)復(fù)合控制器使得輸出的補(bǔ)償電流可以精確地跟隨需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流；直流側(cè)電壓采用傳統(tǒng)的PI控制器即可使得APF直流側(cè)電壓較精確地穩(wěn)定在某個(gè)給定值范圍內(nèi)。

3.1 指定次諧波檢測(cè)方法

本文采用多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和低通濾波器結(jié)合的方法提取指定次諧波電流。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換所需的頻率和相位通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)PCC處的三相電壓，采用SPLL數(shù)字鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確鎖相。

三相靜止坐標(biāo)系下的第n次諧波電流變換到兩相靜止坐標(biāo)系后得到的矢量是以nω的角速度旋轉(zhuǎn)的，其中ω為正序基波旋轉(zhuǎn)角速度。同步坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后，正序分量階數(shù)減一，負(fù)序分量階數(shù)加一。基于這種思想，可以通過(guò)n次同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將n次諧波變?yōu)橹绷髁?，然后通過(guò)低通濾波器將此直流量提取出來(lái)。如圖2中諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)所示。

式（1）將n次正序諧波由abc靜止坐標(biāo)系變換到正序諧波坐標(biāo)系。此時(shí)除了n次正序諧波為直流量外，其他次諧波和基波經(jīng)過(guò)相同變換后仍為交流量，經(jīng)過(guò)低通濾波器（low pass filter，LPF），即可提取第n次正序諧波。式（2）將n次負(fù)序諧波由abc靜止坐標(biāo)系變換到負(fù)序諧波坐標(biāo)系，提取方法同正序諧波提取。兩者變換均采用恒模長(zhǎng)。

為了提高系統(tǒng)可靠性和簡(jiǎn)化控制算法，本文將提取到的正序諧波和負(fù)序諧波的d軸分量和q軸分量均變換到基波坐標(biāo)系下，再分別疊加。正序諧波變換到基波變換公式為

圖2 APF控制框圖Fig.2 Block diagram of shunt APF

負(fù)序諧波變換到基波的變換公式為

為了將直流側(cè)電壓穩(wěn)定在某給定值，將直流側(cè)電壓偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后的輸出量也疊加到d軸，疊加后的d軸分量和q軸分量共同作為電流控制器的給定。如圖2中諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)所示。

3.2 改進(jìn)的雙環(huán)復(fù)合控制器

為了提高補(bǔ)償電流動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定精度，本文提出將PI和重復(fù)控制結(jié)合構(gòu)成雙環(huán)復(fù)合控制。PI作為內(nèi)環(huán)，重復(fù)控制構(gòu)成外環(huán)。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。PI（瞬時(shí)值反饋）內(nèi)環(huán)可以快速響應(yīng)前饋電流指令，保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差時(shí)，重復(fù)控制器可以逐周期減小誤差，直至誤差為零；而且由于是在內(nèi)環(huán)跟蹤誤差的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，可以縮短調(diào)節(jié)過(guò)程。從而外環(huán)負(fù)責(zé)穩(wěn)態(tài)精度，內(nèi)環(huán)保證動(dòng)態(tài)性能。確保了系統(tǒng)具有較好的性能。

圖3 雙環(huán)復(fù)合控制器控制框圖Fig.3 Double-loop compound controller diagram

重復(fù)控制器的總體設(shè)計(jì)同時(shí)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靜態(tài)跟蹤性能，通常，Q（z）可以取為一個(gè)小于1但接近于1的常數(shù)，Q（z）的取值與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。如果著重補(bǔ)償電流的波形精度，Q（z）可以取大一些，反之，如果更著重于提高系統(tǒng)穩(wěn)定的魯棒性，Q（z）可以取稍小一些。本文中取Q（z）為0.96。補(bǔ)償環(huán)節(jié)中幅值補(bǔ)償在保證足夠的穩(wěn)定裕度下，Kr取l。

S（z）設(shè)計(jì)采用低頻對(duì)消、高頻衰減的原則，只需要設(shè)置一個(gè)二階的低通濾波器，大大地簡(jiǎn)化了控制器的復(fù)雜度。二階低通濾波器的形式如下：

相位補(bǔ)償考慮指令電流計(jì)算延時(shí)、變流器開(kāi)關(guān)延時(shí)、補(bǔ)償器S（z）的相位滯后，增加純超前補(bǔ)償器ZK以抵消其相位滯后。根據(jù)仿真選取k=4。本系統(tǒng)PI內(nèi)環(huán)控制參數(shù)選取Kp=5，Ki=300。

3.3 控制策略分析

本文提出的多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)諧波直接提取方法和復(fù)合重復(fù)控制結(jié)合控制策略，與在各次諧波分別采用獨(dú)立的PI控制器的控制策略相比［6］，由于是將諧波分次提取，疊加后整體控制，從而使用的控制器更少，大大簡(jiǎn)化了控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)，而且各次之間的干擾也比較小，并且該控制策略補(bǔ)償靈活，當(dāng)系統(tǒng)具有諧振點(diǎn)時(shí)可以選擇不補(bǔ)償諧振頻率處的諧波，這樣的系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，復(fù)合重復(fù)控制同時(shí)也保證了對(duì)各次諧波的動(dòng)態(tài)跟蹤和零穩(wěn)態(tài)誤差。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文分析的正確性，搭建了三相三線并聯(lián)型APF仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖4為使用單PI電流控制器和復(fù)合電流控制器的兩種仿真結(jié)果。圖4a為補(bǔ)償前電網(wǎng)電流，圖4b為單PI控制器補(bǔ)償后電網(wǎng)電流，圖4c為復(fù)合重復(fù)控制補(bǔ)償后電網(wǎng)電流。比較圖4b和圖4c明顯看出復(fù)合控制波形正弦度比單PI控制波形正弦度好。并且通過(guò)Matlab/Simulink工具箱的FFT分析可得：采用單PI控制補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流THD從28.2%降到13.2%；采用PI和重復(fù)控制構(gòu)成的雙環(huán)復(fù)合控制補(bǔ)償后THD從28.2%降到2.88%。

圖5為在0.5 s時(shí)突增負(fù)載的仿真波形，從波形可以看出，復(fù)合重復(fù)控制快速響應(yīng)了指令的突變，在突加負(fù)載時(shí)雖然出現(xiàn)了半個(gè)周期指令失真，這不是控制器的響應(yīng)速度不夠，而是在諧波提取環(huán)節(jié)中用到了一個(gè)低通濾波器，算法上造成半周期指令失真。

通過(guò)仿真結(jié)果證明本文提出的指定次諧波提取和雙環(huán)復(fù)合控制結(jié)合的控制策略具有先進(jìn)性。

圖5 負(fù)載突變實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms of load sudden rise

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

APF實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的參數(shù)選取如下：交流電源相電壓有效值220 V；電網(wǎng)頻率50 Hz；直流側(cè)電容8 100 μF；變流器側(cè)電感0.3 mH，APF額定容量60 kV·A?？刂葡到y(tǒng)由TMS320-X28335 DSP構(gòu)成，重復(fù)控制器以及PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果如前所述。補(bǔ)償負(fù)載額定功率為120 kW的中頻電源。

圖6為補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)電流波形和頻譜分析。諧波頻譜分析知補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)電流畸變率為25.46%。并且可以看出主要含有5，7，11，13，17次諧波電流。與仿真結(jié)果一致。

圖6 負(fù)載電流波形和FFT分析Fig.6 Waveforms of load current and FFT analysis

圖7為電流補(bǔ)償器使用單PI控制，指定次補(bǔ)償5，7，11，13，17次諧波時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流Is和APF輸出電流If的波形圖。從波形看出單PI補(bǔ)償效果并不理想。經(jīng)CA8335頻譜分析補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流THD只能降到13%。圖8為電流補(bǔ)償器使用雙環(huán)復(fù)合控制器，只指定補(bǔ)償5次諧波時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流Is和APF輸出電流If的波形圖。從圖8中看到APF輸出電流為頻率250 Hz的正弦波。網(wǎng)側(cè)電流波形與圖6a對(duì)比，能明顯看出僅補(bǔ)償5次諧波后，電流波形畸變已得到較大的改善。

圖7 單PI控制網(wǎng)側(cè)電流和APF電流波形Fig.7 Grid current and APF current with single PI controller

圖9為電流補(bǔ)償器使用雙環(huán)復(fù)合控制器，指定次補(bǔ)償 5，7，11，13，17次諧波時(shí)的網(wǎng)側(cè)電流Is，APF輸出電流If的波形圖。圖10為補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流頻譜分析。從波形可以看出采用雙環(huán)復(fù)合控制補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形基本接近正弦波。APF輸出電流也比較穩(wěn)定。與采用單PI控制的圖7中電流波形對(duì)比，明顯看出補(bǔ)償效果得到較大改善。通過(guò)頻譜分析知補(bǔ)償后電流畸變率THD降到了2.84%。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，可得出采用復(fù)合控制可以很大程度提高補(bǔ)償性能。

圖8 單補(bǔ)償5次諧波網(wǎng)側(cè)電流和APF電流波形Fig.8 Grid current and APF current with single compensation 5 harmonic waves

圖9 復(fù)合控制網(wǎng)側(cè)電流和APF電流波形Fig.9 Grid current and APF current with proposed compound controller

圖10 復(fù)合控制網(wǎng)側(cè)電流FFT分析Fig.10 FFT analysis of grid current with proposed compound controller

6 結(jié)論

本文提出的APF方案，通過(guò)指定次諧波提取并采用復(fù)合電流控制器控制。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：

1）能夠正確提取指定次諧波電流，并且結(jié)合雙環(huán)復(fù)合控制能夠?qū)崿F(xiàn)高精度指定次跟蹤補(bǔ)償；

2）以重復(fù)控制為外環(huán)，PI為內(nèi)環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)復(fù)合控制算法比單PI控制具有更好的補(bǔ)償效果，而且該復(fù)合控制器具有很高的補(bǔ)償精度。

該控制策略對(duì)于那些諧波頻譜廣而且不確定的場(chǎng)合不太適用，須進(jìn)一步改進(jìn)。

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修改稿日期：2014-04-16

Research on Shunt Active Power Filters with Selective Harmonic Compensation of Control Strategy

YANG Xin-hua1，XIE Xing-feng1，MA Jian-li2，DING Hai-chang2，WAN Xiao-liang3

（1.College Electrical and Information Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou730050，Gansu，China；2.Beijing Chunshu Rectifier Co.，Ltd.，Beijing100040，China；3.Nantong CIMC Tank Equipment Co.，Ltd.，Nantong226003，Jiangsu，China）

To improve the flexibility and the precision of compensation of three-phase shunt active power filter，a double-loop compound current controller was proposed，which repetitive controller as the outer loop，the PI controller as the inner loop.Design method in detail，dynamic response and steady-state characteristic in analysis.And put forward the compound control strategy，which combine selective harmonic detection based on multiple synchronous rotating coordinates with double-loop compound controller，achieved the compensation of zero steady-state error and selective harmonic current.Both simulation and experimental results verify the effectiveness and correctness of the content.

active power filter（APF）；repetitive controller；compound current controller；selective harmonic current compensation

TM712

A

楊新華（1966-），男，本科，教授，Email：yangxh5852@163.com

2013-05-22