有源电力滤波器电流控制策略研究

第42卷第l1期 2008年l1月 电力电子技术 PowerElectronics V01．42，No．11 November，2008 有源电力滤波器电流控制策略研究 彭华良‘，魏学良2邱先锋1 (1．上海追R电气有限公司，上海200062；2．中国石油人学，北京102249) 摘要：针对传统PI无法实现有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拧制策略：PI控制与重复 控制并联运行的复合控制技术和指定次数尢静差控制技术。前者利用重复控制对于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，PI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调节。仿真与 实验结果证明了所提}}{的两种控制技术的有效性，fH其-r!ll'．现场的应用仍需进一步验证。 关键词：滤波器：电流控制；补偿／Pl控制；指定次数尤静差控制 中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1000一lOOX(2008)11-0008-03 CurrentControlStrategyResearchforParallelActivePowerFilter PENGHua—liangI，WEIXue-lian92，QIUXian—fen91 (1．鼽喇SurpassSunElectricCo．Ltd．，Shf：mghai200062，China； 2．ChinaUniversityofPetroleum，Beijingl02249，China) Abstract：SincetraditionalPIcontrollercannotrealizezerosteady·errorharmoniccompensationforactivepowerfilter．Two improvedmethodsareproposed．oneiscomposedeontroHerwithPIcontrollerandrepetitivecontrollerparallelrunning，the otherisspecifiedorderzerosteady-eiTorcontroller．Theformerimprovessteadyperformancesincerepetitivecontrollercan followperiodicdisturbancewithzerosteady-error，whileP1controllerensuresrapidlyrespondingtobigchange．Specified orderzerosteady—elTortechnology．canrealizezerosteady-errorcontrolforsinglefrequencyharmonic．Simulationandexper- imentalresult8showthesetwomethodsareveryuseful．howevertheyshouldbetestedinapplicationsofindustryfield． Keywords：filter；currentcontrol；compensating／Picontrol；specifiedorderzero-elTorcontrol 1 引 言 近年来．电力电子装置的广泛应用所引起的无 功损耗和谐波|、口J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 点。有源电力滤波器(APF)能够动态抑制谐波和补 偿无功，具有响应速度快、动态连续实时补偿的特 点，因此备受关注，众多学者也提出了多种电路拓扑 结构和控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 I-叫：主要有三角载波线性控制、滞环 比较拧制及无差拍控制等。 首先建立了三相三线并联型APF模型．对T程 应用中易于实现的传统Pl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Pl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。 2三相三线并联型APF模型 图I示出三相三线并联型APF电路模型。按照 图示中所定义的电压和电流方向，根据基尔霍夫电 压、电流定律，定义S，S。，&为三相桥臂的开关函 数，S=I表示对应桥臂上管开通，下管关断；S=O表 示下管导通，上管关断。据此，可得： 定稿日期：2008—07—2l 作者简介：彭华良(1974一)，男，江西高安人，硕士，研究方向 为电力电子在电力系统中的应用。 8 u^嘏一L鲁=ufs鄹一UN。 ”t肛￡争乱声肌批 (1) ”湖一￡警=M一=Sc吣“ c警=红=(SL+Sft“+虢) 式中：‘，“i。为APF所产生的补偿电流；Ⅱ。，H由，It。为三相 PWM变换器桥臂中点电压。 儿。 图i三相!线并联型APF电路模型 在三相三线制系统中，三相电流之和始终为零． 即： i。+汁i，暑0 (2) 将式(2)代入式(1)可得： 1 ' “=了1 u。+Ⅱ出+nJ—百1(￡+Sb+．s。)魄(3) J J 对所研究的APF而言，在多数情况下，三相电 网电压是、F衡的．即： U糟+王￡由+正正孵=0 (4) 此时，由式(1)，(2)，(3)可推出三相APF的数 学模型为： · 万方数据 有源电力滤波器电流控制策略研究 f挚+譬i产丢(“一。)=丢[Ⅱf(踣鱼号盈)“】 l挚+譬i庐士(Ⅱ一由)=丢[u矿(s厂量号盟)巩】⋯ l警+譬iF丢(“一。)=丢[“，涔·量号盟)“]一 c掣；，庐(s』弗J。舾∞ 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，即控制瓯，Sh，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：i。(￡)：讹)一芈(H。)一粤(c。蚴f--COS‘．O￡．)(6) 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。 暂态时跟踪误差突然变大．PI控制器迅速响应误差突 变，而重复控制器凶存在一周期延时，其输出变化小。 一个周期过后．重复控制器产生调节作用．按衰减因 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。 图3 PI与重复控制构成的复合控制框图 可见补偿电流是时间f的复合函数．且与电感L 4．2指定次数无静差控制技术 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。Ⅱ耐，u。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(c，￡，以实现 d，q轴上电流的独立控制。 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 构闻。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。 补偿环节S(z)用于改造控制对象特性。以适应 重复控制的要求。相位补偿力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。 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Pl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 基础上对所需要伞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Pl控制器外环，如图4所示。 ，口岛t广· 图4无静差控；制系统控制框图 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i。．电源侧电流i，，负载侧电 流函．实验结果。因器件限制，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％。然而指定次数无静羞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世标系下三相并联型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) 9 万方数据 基于全阶闭环转子磁链观测器矢量控制系统 式中：吃，q■硒分别为电流模型和标准电压模型的输出，作为 系统的输入变量；G；(s)，G。(s)为电流、电压闭环传递函数；呓为 系统的输出变量：G；(s)为低通滤波器；G。(s)为高通滤波器。 只要合理配置系数岛，蜀，即可改变G；(s)，G。(s) 的幅频特性．实现模型之间的平滑切换。 3工业现场1000kW电机实验结果与分析 无速度传感器异步电动机矢量控制系统如图2所 示．系统采用转速、电流闭环控制，关键部分为磁链观 测器模块以及速度观测器模块q。图3示变频器在不同 年输出频率下的输出实验波形。由图3a知，电压、电 流模型证轴的磁链分量虻和《吻合度较好。图3a 全阶闭环转子磁链观测器的可适用于低速运行。 ，量一，二。 o讲需丽瞪霸习斗冲早斗面斗龟 垂 耋 喜 誊 图3实验波形 图3b示出定子A相电流‘、观测速度凡。转子 磁链幅值l哆I，磁链角0嘶的实验波形。所提出的观 测器完全可以满足转速估算精度的要求．在全速范 围内均适用，控制系统具有优良的控制性能。 4结论 对一种全阶闭环转子磁链观测器进行了详细的 理论分析，指出其内部基于滤波器特性的电流一电压 模型之间平滑切换的机理。结果表明。其磁链观测准 确度基本不受电机转子 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 变化的影响．因此该闭 环转子磁链观测器具有较大的优势。现场运行结果 表明基于全阶闭环转子磁链观测器的异步电动机矢 量控制系统具有优良的控制性能。 参考文献 【l】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．大功率三电平异步电动机矢量控制系统研究【D】． 徐州：中国矿业大学。2006． 【31 JansenPL，ThompsonCO，LoremRD．Observer-BasedDi- rectFieldOrientationforbothZeroandVeryHighSpeed Operation【A】．IEEEPowerConversionConference[C]．1993： 432-437． 【4】MElloumi，LBen-Brahim，MAAI-HamadLSurveyofSpeed SensorlessControlsforIMDrives[A]．IEEEIndustrialElee— IxoniesSociety[C]．1998：1018—1023． (上接第9页)精度。仿真和实验结果表明所提出的两种 周期；理论上指定次数无静差调节技术稳态时可将畸 控制策略均可切实提高APF的稳态补偿性能。 变率降低到2％，实际因器件限制，只作了5次单环，5 t／(10ms／格) (a)传统PI拧制时，‘心‘波形 舭W cJJVbUV ( I-30 1．04 如s #Hz b)1t统P1拧制时，i；谐波频i普图 nrI蕊．^ 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。 参考文献 【1】王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M1．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． Aka百H，KanazawaY，NameA．GeneralizedTheoryofthe InstanttaneousReactivePowerinThree-phaseCircuits【c】． IEEE&JIEEProceedingsIPEC．Tokyo，Japan，1983． WeiXue·Liang，Daike-fang，XinGeng，eta1．Per-formance AnalysisandImprovementofOmputCurrentCon．trollerfor Three．PhaseShuntActivePowerFilter[A]．IEEEIndustrial Electronics，IECON2006-32ndAnnualConfer-ence【c】． 2006：1757—1762． 王群，姚为正，王兆安．低通滤波器对谐波检测电路的 影响【J】．西安交通大学学报．1999，33(4)：5-8． 氇li§i＆iiR￡；aii；§§；；R￡*ii§筋；；：熊兰譬端；；；怨嚣箱箱￡筋；i筒辞；豁舔#；R0；；；筇；；；主宣i§￡§i；i置盂iRR置勰譬#箝￡；；#§笳；；筋；置i；箱i；；；；茸；；；；；i；筇最ii；口；；置夤i镕譬i熊RRi；嚣苷譬嚣＆筋2i一^ 蒸熏鬟欢迎在本午!l刊登产告嚣襄蠹：联系电话；02舛醺271823⋯,；；”ii“@2。“；“ii“il 瑶lliiiii螽蟊ii鑫i；；i；ii螽i；i；§；i§魏般娃螽蠹；§i器ji磊嚣i*雒；i螽iiiiiii蟊魏i嚣iilillllliliiii翥i嚣嘉妊二i纛i鑫鑫蠢iii；；i；蠢i*嚣二嚣§蓝；；蓝；懿；妓i；；：般i嚣l；§；嚣 31 万方数据 有源电力滤波器电流控制策略研究 作者： 彭华良， 魏学良， 邱先锋， PENG Hua-liang， WEI Xue-liang， QIU Xian-feng 作者单位： 彭华良,邱先锋,PENG Hua-liang,QIU Xian-feng(上海追日电气有限公司,上海,200062)， 魏学良,WEI Xue-liang(中国石油大学,北京,102249) 刊名： 电力电子技术 英文刊名： POWER ELECTRONICS 年，卷(期)： 2008,42(11) 参考文献(5条) 1.王兆安.杨君.刘进军 谐波抑制和无功功率补偿 1998 2.陈坚 电力电子学一电力电子变换和控制技术 2002 3.Akagi H.Kanazawa Y.Nanae A Generalized Theory of the Instanttaneous Reactive Power in Three-phase Circuits 1983 4.Wei Xue-Liang.Dai ke-fang.Xin Geng Per-formance Analysis and Improvement of Output Current Can- troller for Three-Phase Shunt Active Power Filter 2006 5.王群.姚为正.王兆安 低通滤波器对谐波检测电路的影响[期刊论文]-西安交通大学学报 1999(04) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dldzjs200811004.aspx