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高补偿精度并联型有源电力滤波器的控制策略

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资料介绍

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.

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高电压技术第36卷第8期2010年8月31日

Voltage Engineering· V01．36．No．8，August 31，2010

High

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琏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毪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控制器在犬容量有源电力滤波器应用中的局限性。然后提出厂一种

以T型滤波器(LCI。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渚

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

Control

Strategy

for Shunt Active Power Filters with

Precision

High Compensation

Chuan，HE

CHEN Guo—zhu，WANG

Chao，LI

Yu—ling

Zhi—qiang，XIE

of Electrical

310027，China)

Engineering。Zhejiang University，Hangzhou

(College

active

could restrain harmonic current in

and their

power grids effectively

Abstract：Shunt

power filters(SAPF

relies

on the

of current

controllers．Since the reference and feedback

sig—

compensation precision

heavily

design

loop

the

different harmonic current

the

of conventional Pro—

nal of

current controller are

and

bandwidth

currentwithout error．

any steady

superimposed by

portion—Integral(PI)controller ^is

Consequently。we firstly analyzed

controller cannot control the

limited。this

output

the limitation of conventional PI controller in the

application

large capacity

controller ex—

inner

APF．Then

forward

controller

and

loop repetitive

put

double-loop compound

composed

with the control

LCL

ternal

loop

to meliorate the

current waveform

output

filters-and

design

object

realize and

easily acquire high compensation precision

presented

method in

controller

detail．The

harmonic currentas well as

when it is used tO inhibit

odd

harmonic current created

gains extraordinary

unbalanced load．Fi—

harmonic，even

negative sequence

controller

effects

and

results

the

nally。simulation

APF．

experimental

verify

compound

large capacity

active

words：shunt

filters(SAPF)；harmonics；LCI。filter；PI controller；repetitive controller；corn—

power

Key

controller

pound

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限制，为

引言

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限制。

电力电子技术的迅速发展使得电网中电压和电

流波形严蕈畸变，系统谐波水平不断上升¨ 。。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心’3]。

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E53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16引。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

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

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)。

National Natural Science Foundation of

Project Supported by

China(50707030)。NCET

of Education

of China

Ministry

Program

(060512)．

万方数据

2061

电网安全与运行

陈国柱，王智强。谢J11．等．高补偿精度并联型有源电力滤波器的控制策略

存空间，但是不能有效地补偿偶次谐波。文献[12—

151研究了重复控制在单相和三相有源电力滤波器

中的应用并给出了控制器设计方法。但是这些研究

都是针对单电感输出滤波器而言的，且系统容量较

小。T型滤波器(LCI。滤波器)是一个三阶环节。本

身就具有不稳定性且其带宽与系统容量大小密切相

关，因此这些设计方法不能直接应用于基于LCL滤

波器的大容量APF应用场合。文献[16]把简化内

模的重复控制以及反馈电容电流的有源阻尼控制策

略用于APF，不但节省了数据存储空间而且减小了

系统损耗。然而该控制方法无法控制偶次谐波和不

对称负载条件下的负序分量。且由于增加了电流传

感器，相应地提高了系统成本。

图1 并联型有源电力滤波器结构图

Structure of shunt active

filters

power

Fig．1

为_r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I。CL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。

图2传统PI控制器电流环控制框图

Current

control block

with

diagram

APF结构图及其传统控制策略

Fig．2

loop

conventional PI controller

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—

source

∞

勺

＼

j罾

馨

age

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。为电源

相电压；L。为电源侧内感；L．为负载侧进线电感；

Cd。为直流母线电容；R。为阻感负载；L。、L。和c构

成LCL输出滤波器；R。为阻尼电阻；iL、i。分别为

负载电流和补偿电流；U。为电网电压；U。。为直流电

压。

妻；；

：：

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，i：，为补偿指令电流；T(z)为

PI控制器。z叫为代表数字控制的一拍延迟；i，为变

流器侧电感流过的电流；“．为输入电压。图2中的

控制对象为I，CI。滤波器。网侧电流到逆变器输出

图3 LCL滤波器伯德图

LCL filter bode

Fig．3

diagram

~／L1+(L2+Lg)

，

，叭

一

¨ 7

加一2兀肛砸习可了。

其典型的伯德图如图3中曲线a所示。

电压的传递函数如下

：

G(s)=一L2一(尺dCs+1)／

相对于单电感I。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，

fLl(L2+L。)Cs+(Ll+L2+L。)RdCs

、

(1)

(L1+L2+L。)s1。

，

这是一个三阶环节，固有谐振频率为

万方数据

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