High Voltage Engineering,Vol.36,No.8,Aug
ust 31,2010高补偿精度并联型有源电力滤波器的控制策略
陈国柱,王智强,谢 川,贺 超,李玉玲(浙江大学电气工程学院,杭州310027
)摘 要:并联型有源电力滤波器能有效地抑制电网中的谐波电流,而其补偿精度取决于电流环控制器的设计。由于电流环参考和反馈电流由许多次谐波叠加而成且传统的比例积分控制器(PI控制器)带宽有限,因此控制器不能实现无静差输出。为此首先分析了传统单PI控制器在大容量有源电力滤波器应用中的局限性。然后提出了一种以T型滤波器(LCL滤波器)为控制对象的PI内环,重复控制器外环构成的双环复合控制策略用来改善输出电流波形,
并给出了详细的设计方法和稳定性分析。该控制器对奇次、偶次谐波电流以及不平衡负载条件下的负序谐波电流均具有很高的补偿精度,且易于实现。仿真和实验结果证明了复合电流控制器在大容量有源电力滤波器应用中的有效性。
关键词:并联型有源电力滤波器;谐波;LCL滤波器;PI控制器;重复控制器;复合控制器中图分类号:TM464
文献标志码:A
文章编号:1003-6520(2010)08-2060-
08基金资助项目:国家自然科学基金(50707030);教育部新世纪人才资助计划(060512
)。Project Supported by National Natural Science Foundation ofChina(50707030),NCET Program of Education Ministry of China(060512).
Control Strategy
for Shunt Active Power Filters with High Compensation PrecisionCHEN Guo-zhu,WANG Zhi-qiang
,XIE Chuan,HE Chao,LI Yu-ling(College of Electrical Engineering,Zhejiang
University,Hangzhou 310027,China)Abstract:Shunt active power filters(SAPF)could restrain harmonic current in power grids effectively and theircompensation precision relies heavily on the design of current loop controllers.Since the reference and feedback sig-nal of the current controller are superimposed by
different harmonic current and the bandwidth of conventional Pro-portion-Integral(PI)controller is limited,this controller cannot control the output current without any steady error.Consequently,we firstly analyzed the limitation of conventional PI controller in the application of large capacityAPF.Then put forward a double-loop compound controller composed of a PI inner loop
and repetitive controller ex-ternal loop to meliorate the output current waveform with the control object of LCL filters,and presented a designmethod in detail.The controller can easily
realize and acquire high compensation precision when it is used to inhibitodd harmonic,even harmonic current as well as negative sequence harmonic current created by unbalanced load.Fi-nally,simulation and experimental results verify the compound controller gains extraordinary effects in large capacityAPF.
Key words:shunt active power filters(SAPF);harmonics;LCL filter;PI controller;repetitive controller;com-p
ound controller0 引言
电力电子技术的迅速发展使得电网中电压和电
流波形严重畸变,系统谐波水平不断上升[
1]
。并联型有源电力滤波器(APF)通常被控制成受控谐波电流源,非常适合补偿电力系统中大量的电流型谐波
源,因此得到了迅速发展[
2,3]
。对于电压型有源电力滤波器,工业控制中最常用的方法是比例积分控制(PI控制)。常规PI控制器只能实现参考信号为直流时的无静差跟踪。而在有源电力滤波器中,其参考和反馈电流由许多次谐
波叠加而成,PI控制器无法准确跟踪。另外,在大容量APF应用中,由于器件开关频率受到,为了保证对开关频率纹波的衰减,PI控制器的带宽又不能取得过大。因此,常规PI控制器在大容量
APF应用中受到了极大地。
为了实现多频率下的高补偿精度,文献[4]提出了比例正弦积分控制,文献[5]提出了多旋转坐标系下的积分控制。然而,文献[4,5]都是基于选择性谐波补偿的思想,
因此需要在每个谐波频率下分别嵌入控制器进行补偿,在实际应用中程序实现较繁琐。
针对这种情况,重复控制器被引入到APF的电流环控制。重复控制思想是源于控制理论的内模原理,能有效地消除所有包含在稳定闭环内的周期性
误差,且结构简单,易于实现[6-
9]。文献[10,11]
提出了改进型的负反馈内模用来补偿奇次谐波。这些方法虽然能在一定程度上加快动态响应速度且节省内
0
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为了结合PI控制器高动态性能以及重复控制高稳态精度的优点,本文提出了一种以LCL滤波器为控制对象的PI内环,重复控制外环构成的双环复合控制算法,不但能实现对奇次、偶次和基波负序谐波的高补偿精度而且大大降低了系统的复杂度,节省了成本。仿真和实验结果证明了该复合电流控制器在大容量APF应用中具有很高的补偿精度。
1 APF结构图及其传统控制策略
1.1 APF结构图
三相并联型APF系统的主电路结构图如图1所示。其中带有串联电阻和电感的三相二极管整流桥作为非线性负载;一个电压源型的逆变器(volt-age source inverter,VSI)通过输出滤波器连接到电网,二者构成并联型有源滤波器。图中,u
g
为电源
相电压;L
g
为电源侧内感;Li为负载侧进线电感;Cdc为直流母线电容;RL为阻感负载;L1、L2和C构成LCL输出滤波器;Rd为阻尼电阻;iL、i2分别为负载电流和补偿电流;us为电网电压;udc为直流电压。
1.2 传统PI控制
电流环采用传统PI控制器,APF电流环控制框图如图2所示。图中,i2r为补偿指令电流;T(z)为PI控制器,z-1为代表数字控制的一拍延迟;i1为变流器侧电感流过的电流;ui为输入电压。图2中的控制对象为LCL滤波器。网侧电流到逆变器输出电压的传递函数如下
G(s)=i2
ui
=(RdCs+1
(
)/
L1(L2+Lg)Cs+(L1+L2+Lg)RdCs2+
(L
1+L2+Lg
))s。(1)
这是一个三阶环节,
固有谐振频率为
图1 并联型有源电力滤波器结构图
Fig.1 Structure of shunt active power filter
s
图2 传统PI控制器电流环控制框图
Fig.2 Current loop control block diagram with
conventional PI controlle
r
图3 LCL滤波器伯德图
Fig.3 LCL filter bode diagram
fosc=
L1+(L2+Lg
槡)
2πL1(L2+Lg)
槡C
。(2)其典型的伯德图如图3中曲线a所示。
相对于单电感L滤波器而言,LCL滤波器具有抑制注入电网的开关频率纹波,减小电网电感对系统影响等优点,但是在大容量APF应用中存在以下问题:①LCL滤波器存在很大的谐振峰值,相位滞后严重,系统稳定控制困难。②即使系统能够稳定,
1
6
0
2
电网安全与运行陈国柱,王智强,谢 川,等.高补偿精度并联型有源电力滤波器的控制策略
由于大容量器件开关频率受到,为了保证对开关频率纹波的衰减,系统的带宽也只能取得较小,导致稳态精度不高。③由下节的分析可知,为了保证高稳态精度,嵌入的重复控制器必须设置单独的环节如陷波器,以对消该谐振峰。
显然,解决上述问题的核心在于谐振峰的抑制。最常用的方法是在电容支路加入适当的阻尼或者采用有源阻尼控制策略,考虑到后者需要附加较多的传感器,
大大增加了系统成本而且设计也较为复杂,本系统采用无源阻尼方法。然而,串入电阻值必须尽可能小以保证对开关频率的抑制和较小的损耗,这可以通过适当减小PI控制器的比例系数来保证。加入阻尼后的伯德图如图3中曲线b所示。典型的PI离散化后的传递函数为
T(z)=Kp+Kiz-1
。(3
)式中,Kp和Ki分别为PI控制器的比例和积分系数。电流环的离散化开环传递函数为
F(z)=T(z)G(z)z-
1。(4
)式中,G(z)
为控制对象离散化后的传递函数。离散化闭环传递函数为
P(z)=
F(z)1+F(z)
。(5)其伯德图图如图4所示。由图可见,在补偿电流的
频带范围内(0~2.5kHz
),输出电流存在很大的相位滞后,
造成补偿效果不佳。2 PI内环和重复控制外环复合控制策略
2.1 重复控制原理
为了弥补PI控制下系统低带宽导致的低稳态精度,在电流控制器中引入重复控制方法。典型的重复控制系统如图5所示,图中虚线框内为重复控制器。
图5中,r为参考信号;y为系统输出;e为误差信号;rc为经过补偿后的参考信号;d为外部周期性扰动;z-N为周期延时环节(N为每个周期的采样点数);Q(z)为辅助补偿器;P(z)为受控对象传函;C(z)
为针对受控对象的补偿器。假设闭环系统稳定,由结构图可得误差传递函数为
e(z)=(1-Q(z)z-N
)(1-P(z))1-z-N
(Q
(z)-C(z)P(z))r(z)+1-Q(z)z-N
1-z-N
(Q(
z)-C(z)P(z))d(z)。(6)令 H(z)=Q(z)-C(
z)P(z)。(7
)式中,r(z)为参考信号传递函数;d(z)为外部周期性扰动传递函数。根据小增益原理,当|H(z)|<1时
,
图4 单PI控制方式下闭环系统伯德图
Fig.4 Closed-loop
bode diagram of PI control strateg
y图5 重复控制系统框图
Fig.5 Repetitive control system diag
ra
m图6 双环复合控制器控制框图
Fig.6 Double-loop
compound controller diagram系统稳定收敛[
17]
。如果误差信号角频率ωe为基波角频率的整数倍,则有z-N=1。如果取消Q(z)滤波器,即令Q(z)=1,则有e(z)=0,
这也就是重复控制器能够实现高补偿精度的机理。2.2 复合控制技术
2.2.1 补偿器C(z)
的设计在APF控制系统中,为了使补偿电流得到较好的动态性能和稳态精度,把重复控制器嵌入到常规的控制环内,从而构成了如图6所示的双环复合控制器。
图6中,ir为参考信号;ei和e0分别为内模作用之前和之后的误差信号。补偿器C(z)的设计取决于控制对象P(z)
,它对重复控制系统的性能好坏2
602高电压技术2010,36(8
)
有决定性影响。通过检测上一周期的误差信息,在下一周期C(z)将输出合适的控制量以消除系统的稳态误差。
由于当Q(z)=1,H(z)=0,即C(z)P(z)=1
时,整个控制系统有最好的性能。显然,最简单地可
以取C(z)=P(z)
-1
,以保证在整个频段内都能满足C(z)P(z)=1。但是实际中由于死区影响、系统参
数漂移等因素,系统建模不准确,C(z)补偿不准确,甚至可能导致系统不稳定,鲁棒性欠佳。
由于补偿电流的频段为0~2.5kHz,因此设计控制器时只需要保证中低频段的控制效果,高频段模型误差可能引起的不稳定问题通过提高系统稳定裕度来解决。由此可知,希望得到的C(z)P(z)的伯德图应为:中低频段为零增益、零相移,高频段幅值急剧衰减且相移尽可能保持为零。
由图4可以看出,由于电容支路阻尼的作用,电流环闭环伯德图的谐振峰被很好地抑制,这对于整个系统的稳定起着至关重要的作用。因此在设计C(z)
时,不需要设置单独的环节,如陷波器,去对消谐振峰以保证中低频段为零相移、零增益。另一方面,即使使用了陷波器,由于系统参数的漂移,仍然存在对消不准的问题。本控制系统中,
只需要设置一个二阶的低通滤波器S(z)以加大对高频的衰减,大大地简化了控制器的复杂度。为了减小低通滤波器对低频段增益的影响,
滤波器截止频率应尽可能高;然而为了加大对高频段增益的衰减,滤波器截止频率又不可能取得很高,
因此实际中应该折衷考虑。本系统中二阶滤波器的转折角频率和阻尼比分别为ωn=3000π,ξ=0
.4,二阶低通滤波器的形式如下S(s)=ω2
n
s2+2ξ
ωns+ω2
n。(8) 图7为S(
z)P(z)的幅频曲线,基本满足了前面所述中低频段为零增益,高频段幅值急剧衰减的特征。
为了保持S(z)P(z)
在中低频段为零相移,在控制器中增加纯超前补偿器zk以抵消其相位滞后。
虽然在高频段仍存在相位对消误差,但由于此频段信号已经被严重衰减,
所以不会影响系统性能。图8分别为S(z)P(z)
与z-6的相频曲线。由图可见,二者基本符合,因此z6
可以很好地补偿S(z)
P(z)
的相位滞后。C(z)控制器的最终形式取为C(z)=Krzk
S(z)
。Kr为比例系数,Kr的可选范围为[0,1]
,在保证足够的稳定裕度下,Kr可取为1。本系统PI内环的
离散化闭环传递函数
P(z)=(0.08433z3+0.09644z2
-0.155z-
0.02435)
/图7 S(z)P(z
)的幅频曲线Fig.7 Amplitude-frequency
characteristic of S(z)P(z
)图8 S(z)P(z)与z-6的相频曲线Fig.8 Phase-frequency
characteristics ofS(z)P(z)and
z-6(z5-2.026z4+1.798z3-1.253z2
+
0.5065z-0.02435
)。(9
)设计:
S(z)=0.08195z2
+0.1639z+0.08195z2
-1.283z+0.6105
;
(10
)C(z)=0.08195z2+0.1639z+0.08195z2
-1.283z+0.6105
z6。(11)
2.2.2 辅助补偿器Q(z)
的设计通常,Q(
z)可以取为一个小于1但接近于1的常数,也可以取为一个低通滤波器[
17]
。由于取为低通滤波器相对于取为常数并没有很明显的优势,且编程实现和稳定校验复杂,因此本文取Q(z)为常数。Q(z)的取值不仅与系统的误差收敛精度有关还与系统的稳定性密切相关。如果着重于提高系统稳定的鲁棒性,Q(z)可以取得更小一些;反之,如果更强调补偿电流的波形精度,Q(z)还可以稍稍取大一些。本文中取Q(z)为0.9。
2.2.3 稳定性分析
如前所述,系统稳定的一个充分条件为
|H(ej
ωT)|=|Q(ej
ωT)-C(ej
ωT)P(ej
ωT)|<1。(
12)3
602电网安全与运行陈国柱,王智强,谢 川,等.高补偿精度并联型有源电力滤波器的控制策略
图9 H(z)奈奎斯特曲线
Fig.9 Nyquist diagram of H(z)
代入以上的设计结果,在MATLAB下,绘制H(z)的奈奎斯特曲线见图9。由图可见,H(z)的轨迹始终处于单位圆内,满足上式的稳定条件,因此整个系统是稳定的。H(z)轨迹在中低频段距离单位圆还有一定的距离,这表明系统留有足够的稳定裕度。
3 仿真分析和实验论证
3.1 实验电路及相关参数
为验证以上分析,对三相三线并联型APF进行仿真和实验,实验模型如图1所示。系统的电路结构参数如下:电网电压380V;电网频率50Hz;变流器侧电感0.056mH;电网侧电感0.020mH;交流滤波电容0.120mF;SAPF额定容量264kVA。控制系统由TMS320F2812DSP构成,PI控制器以及重复控制器如前所述设计结果。
3.2 仿真波形
在三相负载平衡的条件下,对系统进行了满载仿真验证。图10为电流环单PI控制时电网侧电流波形,图中iL、i2、is分别为负载电流、补偿电流和电网电流。
快速傅立叶变换(FFT)表明网侧电流畸变率(η
THD,I
)由不投入APF时的28%下降到19.2%。虽然η
THD,I
有较大下降,但波形质量不理想,低次谐波含量较大,而且在负载换相时刻,跟踪性能尤其不佳。
图11为电流环采用复合控制器后的波形,此时电网侧电流波形η
THD,I
仅为2.5%。同时,负载换相时刻的电流跟踪误差也几乎为零。
图12是负载不对称条件下(a相负载进线串联3.3Ω电阻),采用复合控制策略时系统负载电流和电网电流的仿真波形。由仿真波形可见,系统仍具有很高的补偿精度,电网电流η
THD,I
为3.5%。3.3
实验波形
图10 单PI控制系统负载、补偿和电网支路
电流仿真波形
Fig.10 Simulation waveforms of load,compensation,
grid current with single PI controlle
r
图11 复合控制系统负载、补偿和电网支路
电流仿真波形
Fig.11 Simulation waveforms of load,compensation,grid current with proposed compound controller
图13为单PI控制时的电流波形,η为谐波占基波百分比。频谱分析表明系统侧电流畸变率从27.5%下降到18.2%。
图14为复合控制时的电流波形,频谱分析表明系统侧电流畸变率从27.5%下降到2.8%。实验与仿真结果相同,采用重复控制后补偿性能得到很大提高。比较二者的频谱图可以看出,奇次和偶次谐波都得到了很好的抑制。
为了验证系统补偿无功的能力,使其在两种控制方式下输出无功电流,波形分别如图15和图16所示。无功电流波形η
THD,I
分别为10.8%和2.1%。
4
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图12 复合控制时三相不对称负载电流和
电网电流仿真波形
Fig.12 Simulation waveforms of three p
hase load andg
rid current with compound controllerand asy
mmetric load
s图13 单PI控制时的电流波形及其频谱图Fig.13 Experimental waveform and spectrog
ram ofsingle-PI control sy
stem与前述结果类似,奇次和偶次谐波都被大幅度衰减。
为了验证系统在不平衡负载下的谐波补偿能力,a相负载进线串联3.3Ω电阻,采用复合控制策
略时系统三相负载电流和电网电流的实验波形如图
图14 复合控制时的电流波形及其频谱图Fig.14 Experimental waveform and spectrog
ram ofcompound control sy
ste
m图15 PI控制下无功电流波形和频谱图Fig.15 Reactive waveform and spectrog
ram ofsingle-PI control sy
stem5
602电网安全与运行陈国柱,王智强,谢 川,等.高补偿精度并联型有源电力滤波器的控制策略
图16 复合控制下无功电流波形和频谱图
Fig.16 Reactive waveform and spectrogram of
compound control system
17和图18所示。由实验波形可见,系统仍具有很高的补偿精度。
4 结论
a)在以LCL滤波器作为控制对象的条件下,本文提出的以PI为内环,重复控制为外环构成的双环复合控制算法能大大降低电网电流畸变率。
b)理论分析和实验结果证明了该复合控制器对奇数,偶数次谐波以及不对称负载条件下的负序谐波都能进行很好的抑制,具有很高的补偿精度。
c)本文提出的电流环复合控制策略非常适合于大容量并联型APF的应用,同时也可以扩展到如静止无功发生器(SVG)、静止同步补偿器(STAT-COM)等电力电子装置。
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图17 复合控制时三相不对称负载电流波形
Fig.17 Three phase load current waveforms withcompound controller and asymmetric load
s
图18 复合控制时三相不对称电网电流波形
Fig.18 Three phase grid current waveforms with
compound controller and asymmetric loads
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CHEN Guo-zhu
Ph.D.,Professor
陈国柱
1967—,男,博士,教授,博导
研究方向为电力电子在电力系统中的应用,
分布式发电及其并网技术,较大功率和特殊
电力电子变换技术等方面的研究
E-mail:gzchen@zju.edu.c
n
WANG Zhi-qiang
王智强
1985—,男,硕士生
研究方向为电力电子与电力传动,电能质
量控制技术
E-mail:zhi-qiang-wang@163.co
m
XIE Chuan
Ph.D.candidate
谢 川
1984—,男,博士生
研究方向为电力电子与电力传动,电能质量
控制技术
E-mail:ee_xiechuan@126.co
m
HE Chao
Ph.D.candidate
贺 超
1986—,男,博士生
研究方向为电力电子与电力传动,电能质量
控制技术
E-mail:the_day@126.com
收稿日期 2009-07-21 修回日期 2010-05-21 编辑 严 梦
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