第４２卷第ｌ１期 电力电子技术 Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．１ １ ２００８年１ １月 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００８ 有源电力滤波器电流控制策略研究 彭华良 ，魏学良 ，邱先锋 （１～１－海追Ｆ１电气有限公司，上海２０００６２；２．中国石油大学，北京１０２２４９） 摘要：钭‘尉传统ＰＩ无法实现仃源电力滤波器＿无静差谐波补偿的问题，提出了两种输出电流控制策略：ＰＩ控制与重复 控制并联运行的复合控制技术和指定次数无静差控制技术，、前者利用重复控制对丁周期扰动信号无差跟踪的特点 来提高有源滤波的稳态精度，Ｐｌ控制保证有源电力滤波器的动态性能。后者对单频率谐波进行无静差训节。仿真与 实验结果证明了所提出的两种摔制技术的有效性，但其工、Ｉ 现场的应用仍需进一步验证。 关键词：滤波器；电流控制；补偿／ＰＩ控制；指定次数无静茺控制 中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２００８）ｌ １—０００８—０３ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ＰＥＮＧ Ｈｕａ—ｌｉａｎｇ ，ＷＥＩ Ｘｕｅ—ｌｉａｎｇ ，ＱＩＵ Ｘｉａｎ—ｆｅｎｇ‘ （１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｓｕｒｐａｓｓ Ｓｕｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００６２，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２２４９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｎｃｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎｎｏｔ ｒｅａｌｉｚｅ ｚｅｒｏ ｓｔｅａｄｙ—ｅｒｒｏｒ ｈａｍｌｏｎｉｃ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ．Ｔｗｏ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｏｎｅ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｉｔｈ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｕｎｎｉｎｇ，ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉｓ ｓｐｅｃｉｉｆｅｄ ｏｒｄｅｒ ｚｅｒｏ ｓｔｅａｄｙ－ｅｒｒｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｓｔｅａｄｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｓｉｎｃｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃａｎ ｏｆｌｌｏｗ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｚｅｒｏ ｓｔｅａｄｙ—ｅ＇ｒｏｒ，ｗｈｉｌｅ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｅｎｓｕｒｅｓ ｒａｐｉｄｌｙ ｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｂｉｇ ｃｈａｎｇｅ．Ｓｐｅｃｉｉｆｅｄ ｏｒｄｅｒ ｚｅｒｏ ｓｔｅａｄｙ—ｅｒｒｏｒ ｔｅｅｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｚｅｒｏ ｓｔｅａｄｙ—ｅｒｒｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒ— ｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｖｅＤ ｕｓｅｆｕｌ，ｈｏｗｅｖｅｒ ｔｈｅｙ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｔｅｓｔｅｄ ｉｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｆｉｅｌｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｌｔｅｒ；ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｅｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ／ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｐｅｃｉｉｆｅｄ ｏｒｄｅｒ ｚｅｒｏ—ｅｒｒｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌ 引 言 一 ＝ｕ ＝ｓ 近年米．电力电子装置的广泛应用所引起的无 功损耗和谐波问题，严重威胁着电力电网的安全运 “ 行 如何抑制电网谐波。改善电能质量成为研究的热 挚 （１） 点。有源电力滤波器（ＡＰＦ）能够动态抑制谐波和补 ，Ｊ ５ｍ 偿无功．具有响应速度快、动态连续实时补偿的特 ｃ 如（Ｓｊ．＋Ｓｂｉ 点。 此备受关注，众多学者也提出了多种电路拓扑 结构和控制方案 ：主要有三角载波线性控制、滞环 式中： ， ｉ 为ＡＰＦ所产生的补偿电流；Ｍ ， 一ｕ为三相 ＰＷＭ变换器桥臂中点电压Ｏ 比较控制及无差拍控制等。 ，ｄｃ 首先建立了三千［Ｊ三线并联型ＡＰＦ模型，对工程 应用中易于实现的传统ＰＩ控制、ＰＩ控制和重复控制 并联运行的复合控制以及指定次数无静差ＰＩ控制 进行了分析，并进行了仿真与实验，结果表明ＰＩ控 制与重复控制并联运行的复合控制以及指定次数无 静差ＰＩ控制都可有效降低静态误差 图ｌ三相三线并联型ＡＰＦ电路模型 ２三相三线并联型ＡＰＦ模型 在三相三线制系统中，三相电流之和始终为零， 图１示出三相三线并联型ＡＰＦ电路模型 按照 即： 。＋ ；０ （２） 图示中所定义的电压和电流方向，根据基尔霍夫电 将式（２）代入式（１）可得： 压、电流定律，定义５ ，５ ５ 为三相桥臂的开关函 １ １ ＝—；１ （『上 ＋ ＋ｕ ）一— １（Ｓ ＋Ｓｂ＋Ｓ ．）已 （３） 数，５＝１表示对应桥臂上管开通．下管关断：Ｓ＝０表 ｊ ｊ 示下管导通，上管关断。据此，可得： 对所研究的ＡＰＦ而言．在多数情况下，三相电 网电压足平衡的，即： 定稿日期：２００８—０７—２１ Ｕ ＋Ｍ ＋Ｈ ＝０ （４） 作者简介：彭华良（１９７４一），男，江西高安人，硕士．研究方向 此时，由式（１），（２），（３）可推出三相ＡＰＦ的数 为电力电子在电力系统中的应用。 学模型为： － ８ 有源电力滤波器电流控制策略研究 ｆ ＋ （“ ‰）＝去ｆ“ （ ） ］ 稳态时跟踪误差小。系统运行所需的控制作用大多由 重复控制器提供，控制作用是对历史误差累积的结 果 由于ＰＩ控制器输出小，基本不对系统产生影响。 ＋ｌ （ｕ 广 ）： ［“ （ｓ 軎 ） 】… 暂态时跟踪误差突然变大，ＰＩ控制器迅速响应误差突 ＋Ｊ譬 （“ ）＝士［“ （ｓ －量 ） １一 变，而重复控制器因存在一周期延时，其输出变化小。个周期过后．重复控制器产生调节作用．按衰减因 一一 ｌｃ Ｉ Ｕ ＿（５ ｂ ） 子使跟踪误差减小．同时ＰＩ控制器作用逐渐减弱，直 至系统达到新的稳态。 上式即为三相三线制并联型ＡＰＦ的基本数学 模型。已知交流电源电压后，对６个开关器件进行实 时合适的高频通断控制，即控制Ｓ Ｓ…Ｓ就可以调 节ＡＰＦ补偿电流的大小和波形．使补偿电流跟踪给 定，达到有源滤波的目的。补偿电流单相时域解为： （ｆ）：ｉ （ｆ ）一 （ｔ－ｔ，）一粤（ｅ。 ｃ－ｃｏｓｏＡｔ１）（６） 可见补偿电流是时间ｔ的复合函数。且与电感 成反比。 ３传统ＰＩ控制 图２示出ｄ．ｑ同步旋转坐标系下三相三线并联 型有源电力滤波器的瞬时电流控制框图。“ ， 为 电网电压前馈，快速抑制电网电压波动带来的扰动． 进行同步旋转变换时，交流电感将导致ｄ，ｑ轴电流 耦合。在控制器中设计状态反馈解耦项 Ｌ，以实现 ｄ，口轴上电流的控制。 图２ ＰＩ控制框图 ４改进ＰＩ控制技术 ４．１ ＰＩ控制与重复控制并联运行的复合控制 重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原 理：当反馈控制环路内部包含描述外部输入信号动 力学特性的数学模型时。反馈控制系统才具有良好 的跟踪指令和抵消扰动影响的能力。实际上恒值ＰＩ 控制就是重复控制的一种特例。根据重复控制器位 置的不同．重复控制系统可以有几种不同的控制结 构 图３示出基于数字ＰＩ控制和数字重复控制的 复合控制。主要包括两部分：（１）数字重复控制器。用 来消除系统的周期性跟踪误差，改善ＡＰＦ系统的稳 态补偿精度；（２）数字Ｐｌ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。 补偿环节５（ ）用于改造控制对象特性。以适应 重复控制的要求。相位补偿 使得改造后的控制对 象在一定频率范围内成为单位、无相位滞后环节。 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，共同决定系统的输出。 ：：笠Ｈ ： ：数 ＰＩ控制器 ： 图３ ＰＩ与重复控制构成的复合控制框图 ４．２指定次数无静差控制技术 针对传统ＰＩ控制无法实现交流信号的无静差 跟踪问题．提出了基于传统ＰＩ控制与指定谐波指令 补偿相结合的电流控制器结构．即在传统ＰＩ控制器 衙一 基础上对所需要全补偿的某次谐波通过ｄ，ｑ变换获 得直流量。再进行ＰＩ调节。在传统ＰＩ控制器的基础 上。无静差控制系统控制增加若干指定次数谐波指 令补偿值的ＰＩ控制器外环，如图４所示。 …ｌ ｎＯ（凿波指令补偿 、 ． ！！ ｌ ５次偕波指令补偿王１、ｌ …Ｉ”玖谐波指令补偿 图４无静差控制系统控制框 控制器外环在指定次数谐波对应的同步旋转坐 标系中进行恒值调节控制，ＰＩ控制器控制外环可以 保证指定次数谐波稳态无静差。该控制结构既保证 了ＰＩ调节的快速性，又使指定次数主要谐波实现了 无静差调节。因采用了瞬时值调节，故在负载变时， 仍可获得较好的稳态和动态性能． ．５实验验证及结论 图５示出输出电流 。，电源侧电流ｉ ，负载侧电 流ｉ。．实验结果。因器件，指定次数无静差调节技 术仅对５次谐波电流进行了外环无静差控制，图５ｆ 中５次谐波电流含量小于０．６％，远小于传统ＰＩ控制 器１０．２％ 然而指定次数无静差调节技术实际应用于 多环时．暂态下稳定性与补偿性能仍需进一步验证。 详细分析了同步旋转坐标系下三相并联型ＡＰＦ 的电流环控制性能，针对传统ＰＩ无法实现交流信号 无静差跟踪的不足，提出一种ＰＩ控制和重复控制并 联运行的复合控制技术及指定次数无静差调节技术， 在确保动态响应的基础上改善稳态补偿（下转第３１页） ｑ 基于全阶闭环转子磁链观测器矢量控制系统 式中： ， 分别为电流模型和标准电压模型的输出，作为 图３ｂ示出定子Ａ相电流 蚰、观测速度‰、转子 ． 系统的输入变量；Ｇ。（ｓ），Ｇ ．（ｓ）为电流、电压闭环传递函数； 为 磁链幅值ｌ Ｉ，磁链角 的实验波形。所提出的观 系统的输出变量；Ｇ；（ｓ）为低通滤波器；Ｇ （ｓ）为高通滤波器。 测器完全可以满足转速估算精度的要求．在全速范 只要合理配置系数 ， ，即可改变Ｇｉ（ｓ），Ｇ （ｓ） 围内均适用，控制系统具有优良的控制性能。 的幅频特性，实现模型之间的平滑切换。 ４结 论 ３工业现场１ ０００ ｋＷ电机实验结果与分析 对一种全阶闭环转予磁链观测器进行了详细的 无速度传感器异步电动机矢量控制系统如图２所 理论分析，指出其内部基于滤波器特性的电流．电压 示，系统采用转速、电流闭环控制，关键部分为磁链观 模型之间平滑切换的机理。结果表明，其磁链观测准 测器模块以及速度观测器模块阀。图３示变频器在不同 确度基本不受电机转子参数变化的影响，因此该闭 年输出频率下的输出实验波形。由图３ａ知，电压、电 环转子磁链观测器具有较大的优势。现场运行结果 流模型 轴的磁链分量 和 吻合度较好。图３ａ 表明基于全阶闭环转子磁链观测器的异步电动机矢 全阶闭环转子磁链观测器的可适用于低速运行。 量控制系统具有优良的控制性能。 ｕ ￣一－ ｏ： ｑｓ Ｈ 参考文献 【１】李永东．交流电机数字控制系统【Ｍ】．北京：机械工业出版 社．２００２． ［２ 陶永正．２］大功率三电平异步电动机矢量控制系统研究【Ｄ】． 徐』’｝Ｉ：中国矿业大学．２００６． 【３】 Ｊａｎｓｅｎ Ｐ Ｌ，Ｔｈｏｍｐｓｏｎ Ｃ ０，ｌｏｒｅｎｚ Ｒ Ｄ．Ｏｂｓｅｒｖｅｒ—Ｂａｓｅｄ Ｄｉ・ 主 主 ｒｅｃｔ Ｆｉｅｌｄ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｂｏｔｈ Ｚｅｒｏ ａｎｄ Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ａ］．ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．１９９３： ４３２－－４３７． ≤ ［４］Ｍ Ｅｌｌｏｕｍｉ，Ｌ Ｂｅｎ－Ｂｒａｈｉｍ，Ｍ Ａ ＡＩ－Ｈａｍａｄｉ．Ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ Ｓｐｅｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ ｆｏｒ ＩＭ Ｄｒｉｖｅｓ［Ａ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃ－ 图３实验波形 ｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ［Ｃ］．１９９８：１０１８－１０２３． 周期：理论上指定次数无静差调节技术稳态时可将畸 变率降低到２％，实际因器件，只作了５次单环，５ 次畸变率由传统ＰＩ控制的１０％降低为小于０．６％。然 而。暂态下指定次数无静差调节技术实际应用于多环 系统时．设备的稳定性与补偿性能仍需进一步验证。 ｔ／（１０ｍｓ／格） 船ｚ 。 （ａ）传统ＰＩ控制时． ＩＩ ｙ 波彤 （ｂ）传统Ｐｌ控釉ＩｂＪ，， ｌ 波频谱图 参考文献 ［１］王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿【Ｍ】．北 京：机械工业出版社，１９９８． 陈坚．电力电子学一电力电子变换和控制技术【Ｍ】．北 京：高等教育出版社，２００２． ，，（１０ｍｓ／格） （ｃ）复台控制时．ｉｓ。ｉｆ披形 Ａｋａｇｉ Ｈ，Ｋａｎａｚａｗａ Ｙ，Ｎａｎａｅ Ａ．Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔａｎｔｔａｎｅｏｕｓ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ［Ｃ］． ：、 ：厂＼ ０； ，｛ ＼、、 八： ．ＩＥＥＥ＆ＪＩＥＥ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＰＥＣ．Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ，１９８３． Ｗｅｉ Ｘｕｅ—Ｌｉａｎｇ，Ｄａｉ ｋｅ—ｆａｎｇ，Ｘｉｎ Ｇｅｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｐｅｒ—ｆｏｒｍａｎｃｅ ∞＾｛ ＾ Ａ， ￣、， Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｏｕｔｐｕｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｎ－ｔｒｏｌｌｅｒ ｆｏｒ ，／（ｔｏｍｓ，格） ０ ０ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ Ｓｈｕｎｔ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ［Ａ］．ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ （ｅ）制定次数无静箍（ｔ３：Ｗ定次破无静茇调 ｚ ｉＮ节ｍｐｏ，ｉｌ，ｉｓ波形 节时ｉ 浩波频谱图 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＩＥＣＯＮ ２００６－３２ｎｄ Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅｒ・ｅｎｃｅ［Ｃ】． 图５实验波形 ２００６：１７５７—１７６２． ＰＩ控制和重复控制并联运行的控制器将电源侧电 王群．姚为正．王兆安－ｆ氐通滤波器对谐波检测电路的 流畸变率从２８％降到４％。动态响应时间仅有半个基波 影响ｆＪ］．西安交通大学学报．１９９９，３３（４）：５—８． 疆嚣ｌ§骚嚣骚瓣 鼹§嚣鼹 瓣瑟ｌ骚 ｉ鬟骚§骚嚣嚣瓣魏瓣嚣戆鼹 嚣瑟嚣瓣嚣 嚣 §嚣豢ｉ嚣慧嚣ｉ 瓣矮 ＃ § § 嚣骚瑟嚣 ｉ慧瑟 Ｓ疆§骚嚣§ ｉｌ 嚣懑强 ｉ嚣ｉ慧 嚣 蓊豁§骚 §赣 搔 § 嚣 簧般蔓 魏釜§釜§ 熊魏魏 蹦 懿鼗琵矗§繇 要§聂§鼗；搔醑懿；疆§ 釜 叠 §§量懿 懿秘强琵魏 歪 釜 釜懿魏强Ⅱ 嚣懿§釜嚣§ 聂要嚣联嚣｛黯疆§ 簧酸釜§懿懿觳 翌毅魏益釜鼗蔓琵§蔓魏甏强娶 照鞭懿要魏 ３ｌ
