王 鵬

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，甘肅 蘭州 730050）

APF的諧波電流補償控制策略研究

王 鵬

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，甘肅 蘭州 730050）

用電負(fù)荷類型的增多及電力電子器件的廣泛應(yīng)用，使得電路中的非線性負(fù)載越來越多。這就造成了電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量諧波源和功率損耗，給人們生產(chǎn)生活帶來了很多的不便。為了更有效地解決電網(wǎng)中的諧波問題，提出了通過采用有源電力濾波器來補償諧波電流的控制策略。該控制策略基于d-q坐標(biāo)系，對諧波電流進行檢測。采用PI-重復(fù)控制方法來實現(xiàn)無靜差指定次諧波補償，以消除諧波電流。將該控制方法與傳統(tǒng)的PI控制進行比較，并分析了PI-重復(fù)控制方法的動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能。仿真結(jié)果對比證明了PI-重復(fù)控制能很好地對諧波電流進行抑制。PI-重復(fù)控制作為一種便捷的控制策略，對諧波具有明顯的消除作用，能很好地應(yīng)用到生產(chǎn)、生活中。

重復(fù)控制；PI控制；有源電力濾波器；諧波；非線性負(fù)載

0 引言

隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用及非線性負(fù)荷的接入，電網(wǎng)中諧波畸變愈加嚴(yán)重，諧波電流的嚴(yán)重畸變使得設(shè)備發(fā)熱甚至造成損壞。為了解決上述問題，有源電力濾波器（active power filter，APF）應(yīng)運而生。APF具有高效可控等優(yōu)點，能夠靈活地產(chǎn)生與線路諧波反相的補償電流，從而消除諧波電流對電網(wǎng)的影響［1-3］。

近年來，針對諧波電流的研究，學(xué)者們提出了很多控制方法。并聯(lián)型APF的電流控制作為對諧波電流的常用控制方法，得到了廣泛的研究。目前，已提出了不少針對性的控制方法：PI控制算法簡單、可靠性高，但常規(guī)的PI控制對交流參考信號難以達到理想的預(yù)期控制效果，有一定的局限性［4］；無差拍控制具有動態(tài)響應(yīng)速度快的特點，但對系統(tǒng)參數(shù)的依賴性較大、魯棒性較差、瞬態(tài)響應(yīng)超調(diào)大［5］；滑?？刂?、重復(fù)控制［6］等一些傳統(tǒng)的控制方法都有一定的局限性，不能很好地達到預(yù)期效果。

為此，針對常規(guī)的APF電流PI控制關(guān)于負(fù)荷電流中缺乏主次諧波補償?shù)默F(xiàn)象，本文提出了一種新的控制策略。將負(fù)載電流中的各次諧波分量先后經(jīng)過旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)和低通濾波器有效識別并提取信號，通過低通濾波器獲取信號的d軸分量和q軸分量并先后累加，再計算它與APF輸出諧波電流的差值。獲取的誤差依次通過PI和雙環(huán)復(fù)合控制器。其中：雙環(huán)復(fù)合控制器采用重復(fù)控制，實現(xiàn)了諧波電流無靜差跟蹤［7］；將帶阻感性負(fù)載的三相不控整流橋進行補償仿真，通過與傳統(tǒng)的PI控制方法進行比較，證明所提控制策略的正確性和可行性。

1 并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)及工作原理

本文主要研究三相三線制并聯(lián)型APF，通過補償非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波來抑制對電網(wǎng)和其他設(shè)備的影響。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the control system

從圖1可知，有源電力濾波器由四部分構(gòu)成，分別為指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路［8］。系統(tǒng)中除指令電流運算電路外，剩余組成部分主要是為補償電流所服務(wù)。指定電流計算主要是隨時接收APF需要補償電流信號指令，從而實現(xiàn)了監(jiān)控非線性負(fù)載中的無功電流和諧波電流。電流跟蹤控制電路能夠使APF生成補償電流，它通過對電流指令信號的跟蹤和調(diào)制，并且控制電力電子器件開通、關(guān)斷的PWM信號，實現(xiàn)指令電流的運算功能［9］。

有源電力濾波器的基本工作方式是檢測補償對象的電壓信號與電流信號。輸入信號經(jīng)過指令電流運算電路，得到準(zhǔn)確的電流補償信號；補償信號流經(jīng)補償電流放大電路，從而得到需要補償電流信號。輸出的補償電流與非線性負(fù)載中的諧波電流信號相互抵消，從而使抑制諧波的控制系統(tǒng)輸出較為理想的電流信號。當(dāng)單獨補償因負(fù)載所引起的諧波電流時，將電流設(shè)置成與非線性負(fù)載的諧波分量幅值大小相等、方向相反的補償電流，使得電源中的電流信號與負(fù)載電流信號的基波分量為大小相等的正弦波。APF的工作方式用如下公式表示［10］：式中：is為電源電流；iL為負(fù)載電流；ic為補償電流；iLh為負(fù)載電流的諧波分量；iLf為負(fù)載電流的基波分量。

2 控制方案的設(shè)計及分析

APF控制的核心是通過增加一個反向電流來抵消原來的諧波電流，進而得到基波電流，通過電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)對輸出量進行控制。本文對傳統(tǒng)APF檢測及控制策略進行改進，提出采用PI-重復(fù)控制對諧波電流進行有效的控制。

2.1 諧波檢測方法

對諧波電流進行控制的前提是必須要對諧波電流進行有效的檢測。針對諧波電流的檢測，學(xué)者們提出了很多方法，如基于傅里葉變換的諧波檢測算法、基于神經(jīng)網(wǎng)路的自適應(yīng)電流檢測法、ip-iq諧波電流檢測算法等。這些方法能消除諧波，但由于采集時間為一個電源周期，所以有較長的時間延遲，實時性不佳并且會有較大的誤差［11］。

本文在d-q坐標(biāo)系下通過d-q變換，不僅對傳統(tǒng)的檢測方法進行了簡化，而且其適用范圍更廣。d-q檢測方法控制框圖如圖2所示。

圖2 d-q檢測方法控制框圖Fig.2 Control block diagram of d-q detection method

但是，上述檢測方法必須滿足以下兩個條件。一是由正弦函數(shù)和余弦函數(shù)所構(gòu)成的函數(shù)稱之為綜合矢量，其中，綜合矢量要求和合成矢量相互一致即具有同步性，合成矢量由三相電壓中基波分量的正序電壓構(gòu)成。二是要求綜合矢量和合成矢量具有相同的相位值。由于上述監(jiān)測方法不能保證同相位，因而產(chǎn)生了相位的差值，所以增大了基波分量中的正序無功量的識別誤差。當(dāng)斷開iq的通路時，檢測到諧波電流中疊加有基波分量中的無功分量，系統(tǒng)便發(fā)出指令；APF模塊接收到抵償指令信號后，開始抵償非線性負(fù)載電流所引起的無功功率分量［12］。當(dāng)合上iq的通路時，APF模塊就停止補償非線性負(fù)載中的電流引起的無功功率分量。

2.2 PI-重復(fù)控制器設(shè)計

為了提高動態(tài)補償?shù)姆€(wěn)定性和精確性，本文提出將PI和重復(fù)控制結(jié)合構(gòu)成雙環(huán)復(fù)合控制器。PI-重復(fù)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PI-重復(fù)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of the PI-repetitive control

當(dāng)整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，電流參考值和輸出電流反饋值之間的精度較高。在這種狀態(tài)下，PI控制器的控制范圍較小，對系統(tǒng)的控制輸出結(jié)果不會產(chǎn)生影響；同時，重復(fù)控制器起決定性作用。它主要控制整個復(fù)合控制系統(tǒng)的輸出；當(dāng)非線性負(fù)載突然產(chǎn)生比較大的波動時，會增大電流參考值和輸出電流的反饋值這二者之間的誤差。由于重復(fù)控制器具有相位滯后環(huán)節(jié)，使得當(dāng)前周期內(nèi)輸出結(jié)果不會立即跟隨變化。但是PI控制器無遲滯現(xiàn)象，能夠使輸出量迅速跟隨輸入誤差的變化而變化。在這種情況下，PI控制器在電流環(huán)控制過程中起決定性作用，所以該控制系統(tǒng)不會因為非線性負(fù)載的波動而造成控制器的失控。在重復(fù)控制器中，PI控制器在一個基波周期內(nèi)，通過跟蹤控制對信號進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了被控對象輸出電流會隨著輸入?yún)⒖夹盘柕淖兓皶r變化，從而減小了電流的誤差，進而減小了PI控制器的輸出量［13］。

圖 3 中：Q（z）為一個低通濾波器，Q（z）的取值與系統(tǒng)穩(wěn)定性密切相關(guān)。通常Q（z）為一個小于1的常數(shù)，本文中取 Q（z）為 0.96。

補償器C（z）表示如下：

S（z）的作用是消除高頻干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。設(shè)計采用低頻對消、高頻衰減的原則，通過采用一個低通濾波器，對電流進行濾波，從而降低了控制器的復(fù)雜性。其公式可表示為：

補償環(huán)節(jié)中幅值補償在保證足夠的穩(wěn)定裕度下，Kr取l，超前環(huán)節(jié)Zk的k值取為2。PI控制器中，Kp=3、Ki=500。

2.3 控制策略分析

在d-q坐標(biāo)下，本文提出將諧波提取方法和PI-重復(fù)控制策略相結(jié)合。與采用獨立的PI控制策略相比，該方法不僅能夠精確提取出諧波電流，而且通過N次的無限重復(fù)控制，使得諧波的含量大大減少。該方法能夠靈活地補償所需的諧波電流。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)諧振點時，為了使系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性，對諧振頻率處的諧波可以采用不補償策略。復(fù)合重復(fù)控制不僅確保了不同頻次諧波的動態(tài)跟蹤，還能保證系統(tǒng)的零穩(wěn)態(tài)誤差。

3 仿真結(jié)果分析

為驗證上述控制方法的有效性，基于Matlab仿真軟件，建立了一個三相三線并聯(lián)型APF仿真平臺。通過仿真進行對比分析，驗證所提控制策略。

PI控制和PI-重復(fù)控制對比如圖4所示。從圖4中可以看出，補償前諧波電流的畸變很嚴(yán)重，在PI控制器進行補償后，效果有了明顯的變化，但電流中還存在一些諧波。

為得到預(yù)期的結(jié)果，在PI-重復(fù)控制的補償后，其波形比PI控制器補償更光滑、更規(guī)則，說明所提的控制策略有效。

補償前后的電流頻譜分析圖如圖5所示。由圖5可以看出，補償前網(wǎng)側(cè)電流總諧波畸變率為33.68%。經(jīng)過PI-重復(fù)控制器后，諧波電流的總諧波畸變率降到了3.21%。這就充分驗證了設(shè)計原理的正確性，對所提控制策略有一定的認(rèn)證作用。

圖4 PI控制和PI-重復(fù)控制對比圖Fig.4 Contrast of PI control and PI-repetitive control

圖5 電流頻譜分析圖Fig.5 Spectrum analysis of the current

4 結(jié)束語

本文提出的APF方案，通過采用d-q坐標(biāo)控制的方法對諧波進行提取，并采用PI-重復(fù)控制策略進行諧波的補償。理論分析和仿真結(jié)果證明所提控制策略的有效性。此方案不僅能夠提取出諧波電流，而且其結(jié)合雙環(huán)復(fù)合控制器，從而很好地實現(xiàn)高精度的追蹤和補償。采用PI-重復(fù)控制方法，以重復(fù)控制為外環(huán)、PI為內(nèi)環(huán)構(gòu)成復(fù)合控制算法。通過和PI控制進行比較表明，該控制策略具有較高的補償精度。

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Research on the APT-Based Compensation Control Strategy for Harmonic Current

WANG Peng
（Department of Information Engineering，Gansu Vocational and Technical College of Communication，Lanzhou 730050，China）

Due to increased electricity load types and the wide application of power electronic devices，the nonlinear load in circuitry is getting more and more，which results in a large number of harmonic sources in power generation and large power loss，this brings inconvenience to the productionlife.Therefore，in order to solve the harmonic problem in the power grid，the control strategy of compensating harmonic current by using active power filter（APF）is put forward.Based on d-q coordinate system，the harmonic current is detected，and a PI-repetitive control method is proposed to realize the subharmonic compensation without static error，thus the harmonic current is eliminated.Compared with traditional PI control method，the dynamic performance and steady-state performance of the PI-repetitive control method are analyzed.Finally，comparison is carried out by simulation，the results show that the PI-repetitive control can restrain harmonic current very well，and PI-repetitive control，as a convenientcontrol strategy，can be applied to production life.

Repetitive control；PI control；Active power filter；Harmonic；Nonlinear load

TH6；TP27

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711003

修改稿收到日期：2017-06-01

國家自然科學(xué)基金資助項目（51467009）

王鵬（1978—），男，碩士，高級工程師，主要從事電力電子、計算機控制、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用等方向的研究。E-mail：624489051@qq.com。