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基于频率自适应广义积分控制器选择性谐波电流控制策略

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资料介绍

为提高有源电力滤波器的补偿性能,提出一种基于频率自适应广义积分控制器的电流控制策略.在两相静止坐标系下,对基波和某些指定次谐波分别设置对应的广义积分控制器,利用其无穷大开环增益和频率选择特性,实现谐波电流的无静差和选择性跟踪补偿.控制器采用直接离散域设计,避免数字化过程引入控制器性能偏差或偏谐.广义积分控制器频率自适应策略是通过保持基波周期采样点数恒定方式实现,保证电网频率波动情况下,控制器仍能对各次谐波实现高增益和选择性.实验结果验证所提出控制策略的有效性.

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V01．28 No．9

2013年9月电工技术学报

第28卷第9期TRANSACTIONSOFCHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

201 3

Sep．

基于频率自适应广义积分控制器

选择性谐波电流控制策略

谢

(1．电子科技大学

川1

超2

闫

杨

贺

自动化工程学院

辉2

华3 陈国柱2

2．浙江大学电气工程学院杭州

313100)

61173l

310027

成都

3．九川(浙江)科技股份有限公司

湖州

摘要为提高有源电力滤波器的补偿性能，提出一种基于频率自适应广义积分控制器的电流

控制策略。在两相静止坐标系下，对基波和某些指定次

用其无穷大开环增益和频率选择特性，实现谐波电流的

接离散域设计，避免数字化过程引入控制器性能偏差或

谐波分别设置对应的广义积分控制器，利

无静差和选择性跟踪补偿。控制器采用直

偏谐。广义积分控制器频率自适应策略是

通过保持基波周期采样点数恒定方式实现，保证电网频率波动情况下，控制器仍能对各次谐波实

效性。

现高增益和选择性。实验结果验证所提出控制策略的有

关键词：谐波抑制

中图分类号：TM48

广义积分控制器频率自适应选择性谐波补偿零稳态误差

Selective Harmonic Current Control

Based on

Strategy

Generalized

FrequencyAdaptive

Integrators

Hua3 Chen

Guozhu2

X／e Chuan¹He Cha02 Yan Hui2

Yang

of Electronicsand Science

ofChina

China

(1．University

Technology

Chengdu

10027 China

Huzhou 313100 China)

2．ZhejiangUniversity Hangzhou

3．Juche

Co．，LTD

Science—technology

Abstract To

the

shunt active

filter

power

improve

compensation performance

three—phase

novel current control

based on

(APF)，a

strategy

proposed

generalized integrators，one

frame．Because of the characteristics of the GIof the infinite

frequency adaptive generalized integrators

method

an of

array

for the one for

(GI)．The

employs

fundamental，and

harmonic，implemented ⁱⁿstationary

and

each

error and selective

ofharmonics are

open loop gain

achieved．The

high selectivity,zero steady—state

controller is

compensation

in Z-domain in orderto eliminate the

proposed

and

designed directly

unexpected

of the GI is

during digitalization processing．The frequency adaptive

loss of

realized

gain

detuning

the number of

fundamental

fixed，and

by keeping

samples per

high compensation precision

the each harmonics in the

variation is achieved．The effectivenesS of the

grid frequency

presence

verified

control

proposed ^is

scheme

results．

completely by experimental

harmonic

Keywords：Harmonic elimination，generalized integrators，frequency adaption，selective

error

compensation，zero steady—state

引言

够有效消除非线性负载产生的谐波电流以及无功和

不平衡电测1，21。APF的关键技术研究包括：控制策

略、调制技术、电磁兼容和主电路拓扑等。

Power

有源电力滤波器(Active

Filter,APF)能

具有选择性谐波补偿策略APF具有灵活的补

偿功能‘3，4】：①当负载谐波电流超出APF的补偿容

国家自然科学基金资助项目(51177147)。

收稿日期201 1一lO—13

改稿日期2012-04．20

万方数据

电工技术学报

2013年9月

量时，可以选择只补偿其中危害比较大的特征次谐

波；②在无源滤波器与APF配合使用的场合，APF

只补偿所需次数的谐波；③选择性避开对会引起系

统谐振次数的谐波进行补偿。

目前，APF选择性谐波补偿策略的实现可归为

两类：谐波指令选择性提取和选择性控制器设计。

指令的选择性提取可采用常规DFT和FFT算法及

其改进方法【5’6】和基于谐波同步坐标旋转变换方

法[7-10】。此类方法优点是可以采用传统控制方案，

缺点是算法耗费资源。选择性控制器设计是将具有

选频特性环节直接嵌入到控制器中，文献[11]提出

在各次谐波同步旋转坐标系下设计积分控制器实现

图l 并联型有源电力滤波器系统框图

Block of shunt APF

system

谐波分次控制；在此基础上，文献[12】进一步对存

在的耦合进行了基波坐标系下的解耦控制；文献f4，

13．151采用了具有选频特性的谐振或准谐振控制

器。以上两种控制器方法本质上是一致的【16】。电网

频率波动时，谐振控制器失谐会导致控制器失去对

设定的谐波频率点的高增益和选择性是其缺点。文

Fig．1

diagram

APF的数学建模与PWM整流器建模类似【18】。

本文提出的电流控制策略是基于两相静止坐标系下

实现的，控制对象为VSI输出相电压“I到输出相电

流fc的传递函数：

献[3，17]将DFT算法嵌入到重复控制器内模中，

实现选择性谐波控制，此类方法优点是可以采用传

统和相对简易的基于同步旋转变换谐波检测算法，

缺点是改变了控制器结构，不利于控制器稳定性的

考察。

(1)

G(s)=丽ic(S)=丽1

因为所有的控制策略都是基于DSP数字实现

的，为了对控制器进行直接离散化设计，一般采用

零阶保持器法(ZOH)将连续域被控对象传递函数

离散化到Z-域：G(z1。

本文提出一种基于频率自适应广义积分控制器

的电流控制策略。由于广义积分控制器对特定频率

的开环无穷大增益和频率选择特性，理论上可以实

现对特定次谐波的无静态误差补偿。将针对数个指

定次谐波电流的广义积分控制器并联，组成完整的

指定次谐波电流控制器：采用直接数字设计方法，

避免数字化过程引入控制器误差和偏谐；同时，采

用了一种基波周期固定采样点数锁相环策略，实现

广义积分控制器频率自适应。利用TMS320F2812

数字信号处理器完成检测和控制算法，样机实验结

果验证了所提控制策略的有效性。

2．2

三相并联有源电力滤波器控制策略

如图1所示，APF控制策略包括三个环节：谐

波电流指令提取、电压闭环控制和电流闭环控制。

谐波电流指令无延时提取：检测负载电流，将负载

电流变换到同步旋转坐标系下，此时交流基波分量

被变换为直流量，通过低通滤波器对直流量无延时

提取，最后从负载总电流中减去直流分量所对应的

基波分量，从而实现谐波电流提取。其中，低通滤

波器截止频率对谐波电流指令提取精度和速度起主

要影响作用，需要合理选择，一般为35Hz到75Hz，

本文选择低通滤波器截止频率35Hz。

三相并联有源电力滤波器的系统结构

电压控制环作为APF双环控制器外环，通过

PI控制器对直流侧电压误差信号进行调节，产生一

个有功电流指令提供给电流内环，控制变流器直流

侧与交流侧有功功率交换，从而实现直流电压稳定

控制，为逆变提供合理的直流侧电压条件。

2．1

主电路及数学模型

本文研究的并联型APF系统结构如图1所示，

补偿对象为一个三相不控整流型负载。

主电路由PWM电压源型逆变器(VSI)构成，

如图1所示主电路部分，其中，LI为交流侧滤波

本文提出的电流控制策略是将基波电流控制环

和谐波电流控制环节分别设计。基波电流控制环的

有功轴指令来源于如前所述的电压PI控制器调节

输出，基波无功轴指令根据系统补偿要求给定。谐

电感，Ri为输出电感内阻和每相桥臂上、下管互

锁死区压降等效阻抗之和，Cd。为直流侧支撑电

容。

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