混合型有源電力濾波器電流跟蹤控制方法研究

張艷超

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京100120）

有源電力濾波器（APF）是一種新型的電力電子裝置，可以用于補(bǔ)償無功功率和動態(tài)抑制諧波，它的優(yōu)點(diǎn)是：補(bǔ)償效果好、響應(yīng)速度快、另外還能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償［1］，因此，有著非常好的應(yīng)用前景。

電流跟蹤控制方法的最終目的是要使APF輸出來的補(bǔ)償電流必須精確地跟蹤其檢測裝置檢測出來的諧波電流，但是，諧波電流的變化是實(shí)時(shí)的、動態(tài)的，因此，電流跟蹤控制方法的好壞主要取決于該系統(tǒng)的3個(gè)方面，即動態(tài)性、實(shí)時(shí)性和控制精度。到目前為止，APF的電流跟蹤控制方法主要分為2大類：一種是滯環(huán)電流控制，另一種是線性電流控制［2］。滯環(huán)電流控制的主要缺點(diǎn)是：開關(guān)頻率、開關(guān)損耗和控制精度跟滯環(huán)寬度有很大的關(guān)系，即滯環(huán)寬度整定的越小，整個(gè)控制系統(tǒng)的精度就越高，但是，帶來的問題是開關(guān)頻率變得很大，由此增加了開關(guān)損耗；線性電流控制的主要缺點(diǎn)是：電流響應(yīng)速度比滯環(huán)控制要慢。另外，還有其他的一些電流跟蹤控制方法，比如：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制和預(yù)測控制等，這些控制方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 混合型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理

混合型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，由原理圖可以看出，該結(jié)構(gòu)由有源和無源2部分組成，其中有源部分采用的是三相電壓型逆變器裝置，無源部分采用了2組無源濾波器裝置，這2條無源支路的作用是用來抑制非線性負(fù)載產(chǎn)生的5次和7次諧波。另外電感L1、電容C1和CG組成了系統(tǒng)的注入支路,其中電感L1、電容C1組成了基波頻率串聯(lián)諧振電路，同時(shí)L1、C1和CG還可以作為單調(diào)諧濾波器使用，其整體又組成了1條無源濾波支路。

2 電流跟蹤控制算法分析

一般的PI控制算法針對的是變化緩慢的量或者是直流量，對上述被控量可以達(dá)到無差控制，但是如果被控量變?yōu)樗俣茸兓芸斓闹芷诹繒r(shí)，會產(chǎn)生比較大的穩(wěn)態(tài)誤差［3］，因此不能再采用傳統(tǒng)的PI控制算法。

遞推積分PI算法的原理是分別對每個(gè)周期內(nèi)的誤差e（t）各個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行積分，也就相當(dāng)于有N個(gè)PI控制器同時(shí)工作［4］［假定誤差量e（t）在每個(gè)周期有N個(gè)采樣點(diǎn)］。

通過文獻(xiàn)［5］可知遞推積分PI控制算法可以保證隨著時(shí)間的推移，閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出電流可以零誤差的跟蹤參考電流。并且遞推積分PI控制算法不但可以使系統(tǒng)取得穩(wěn)態(tài)無靜差的理想效果，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)無差控制，但是它還有和傳統(tǒng)PI控制同樣的缺點(diǎn)，即響應(yīng)速度比較慢。

為了解決系統(tǒng)響應(yīng)速度慢的問題，本文采用了一種模糊控制算法在線調(diào)整遞推積分PI的系數(shù)［6］，圖2為基于遞推積分模糊PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。

該控制算法的原理是：當(dāng)系統(tǒng)電流跟蹤誤差比較大時(shí)，主要采用比例控制，此時(shí)，誤差有較快的減小速度，當(dāng)誤差減小到一定范圍內(nèi)時(shí)，改為積分控制，以此來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差的效果，所以該算法具有較快的響應(yīng)速度和較高的控制精度。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上對基于遞推積分模糊PI控制器的研究，通過Matlab軟件里的模糊工具箱對模糊PI控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且在simulink下創(chuàng)建出整個(gè)基于遞推積分模糊PI控制器仿真模型，仿真結(jié)果如下：

圖3和圖4分別是基于遞推積分PI控制器和基于遞推積分模糊PI控制器APF補(bǔ)償后三相系統(tǒng)電流波形。

通過Matlab軟件測得圖3和圖4中系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)時(shí)間分別為0.03s和0.015s，即后者的動態(tài)響應(yīng)比前者快了3/4個(gè)周波時(shí)間，另外，通過波形對比可以看出，補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流波形圖4比圖3的正弦度要好，說明模糊控制器提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。

4 結(jié)論

以上仿真分析，表明采用模糊算法在線調(diào)整遞推積分PI的系數(shù)，可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，驗(yàn)證了基于遞推積分模糊PI控制器能有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 基于遞推積分模糊PI控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 基于遞推積分PI控制器APF補(bǔ)償后三相系統(tǒng)電流波形

圖4 基于遞推積分模糊PI控制器APF補(bǔ)償后三相系統(tǒng)電流波形

［1］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制與無功補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］曾國宏，郝榮泰.有源濾波器滯環(huán)電流控制的矢量方法.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（5）：31-40.

［3］姜俊峰，劉會金，陳允平，等.有源濾波器的電壓空間矢量雙滯環(huán)電流控制新方法.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（10）：82-86.

［4］榮飛，羅安，唐杰.新型大功率串聯(lián)諧振注入式混合有源電力濾波器［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（13）：121-127.

［5］唐欣，羅安，涂春鳴.新型注入式混合有源濾波器的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（11）：50-55.

［6］周柯，羅安，楚紅波.新型大功率并聯(lián)混合注入式有源濾波器的研究與應(yīng)用［J］.電工電能新技術(shù)，2008，27（1）：16-20.