有源电力滤波器重复控制方法的改进研究胡江峰1，刘建功1，2（1.中国矿业大学（北京），北京100083；2.国家能源充填采煤技术重点实验室，河北邢台054000）摘要：变频器、整流器等各种非线性电力电子器在煤矿供电系统中广泛使用，导致电网谐波问题日益突出。在电力系统中安装有源电力滤波器等装置可以地抑制谐波进而改善电网电压电流畸变情况。由于煤矿系统电网有其自身独特的复杂情况，对有源电力滤波器的稳态性能和动态性能有很高的要求。为了兼顾有源电力滤波器的动态性和稳态性，针对有源电力滤波器控制部分采用改进重复控制和PI控制并联的方式增强补偿效果。在传统重复控制器中引入无差拍控制，利用无差拍控制的超前计算误差的特性提高重复控制器的响应精度，仿真结果验证了该方法的可行性。关键词：有源电力滤波器；重复控制；复合控制；跟踪控制中图分类号：TD6文献标识码：A文章编号：2095-5979（2016）04-0004-04StudyontheimprovementofrepeatedcontrolstrategyforactivepowerfilterHuJiangfeng1，LiuJiangong1,2(1.ChinaUniversityofMining&Technology，Beijing100083，China;2.KeyLaboratoryofNationalEnergyFillingMiningTechnology,Xingtai054000,China)Abstract：Thewidespreaduseofconverters，invertersandothernonlinearelementsinminepowersupplysystemleadstopowerharmonicproblemsbecomingincreasinglyprominent.Activepowerfiltercancompensatevariousfrequencyharmonicseffectively，alsomakegridelectricityqualitybetter．Thespecialtyinpowersupplysystemaskshighdemandofthestabilityanddynamicsofactivepowerfilter.Totheabove-mentionedquestion，thispaperpresentedamethodthatusesimprovedrepetitivecontrolinparallelwithPIcontroltoenhancecontroleffect．Theaccuracyofrepetitivecontrollerisimplementedbyintroducingdeadbeatcontrol，whichhasspecialtyofadvancedcalculation．Thesimulationresultsverifiedthefeasibilityofthiscontrolstrategy．Keywords：activepowerfilter；repetitivecontrol；compoundcontrol；trackingcontrol收稿日期：2016-03-10；责任编辑：张彤DOI：10.19286/j.cnki.cci.2016.04.002作者简介：胡江峰（1990—），男，河南洛阳人。E-mail：hujiangfeng@accshow.com引用格式：胡江峰，刘建功.有源电力滤波器重复控制方法的改进研究[J].煤炭与化工，2016，39（4）：4-7.0引言随着大量非线性负荷的电力电子设备，如开关电源和可控整流器等广泛使用，造成了供电系统中的谐波污染越来越严重，其产生的谐波对电网输变电等设备造成了大量的损害。而煤矿供电系统相对特殊，设备多且大多为非线性负载，比一般供电系统更容易产生谐波，所以谐波治理的装置在煤矿供电系统中得到了大量的研究与应用，如文献[1]、[2]所述。目前，在国内外的应用中大都使用有源滤波器（ActivePowerFliter，APF），与无源补偿装置相比，APF有着更好的滤波特性，可以更好的抑制谐波。尽管APF有多种不同类型的拓扑结构，但是控制策略的选取是决定过滤波效果的重要因素。对于一般结构的APF，其电流跟踪控制补偿策略主要包括载波线性控制、比较控制以及无差拍控制等。进入21世纪以来，以计算机为基础的智能化技术问题探讨CoalandChemicalIndustry煤炭与化工第39卷第4期2016年4月Vol.39No.4Apr.20164中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2016年第4期被应用到了各个领域，同样，将先进的智能化理论方法应用在APF中可以大大提高APF的各项性能，如文献[3]、[4]所述。重复控制方法能够通过自身的独有的“内模”构成一种高精度的控制系统实现对多次叠加谐波进行跟踪误差描述。但重复控制不可以快速的在一个设定的周期内进行自身“内模”的响应。而PI控制通过一个周期内对不同的输入信号和相对的参考指令信号进行的误差进行快速精确的反应，进而可以通过调节器对误差快速跟踪控制。但是对一般的APF来说，在一个特定周期基波信号过程中，其参考信号和来自调节器的反馈信号是相当复杂多变的，这就使得PI控制调节器的带宽承受很高的压力，当控制器调节的信号超过一定负荷时就会限制PI调节的带宽进而影响调节效果，如文献[5]、[6]所述。针对上述使用单一控制方法调节时对带宽和“内模”无法同时兼顾的情况，在一般重复控制器中引入无差拍控制———改进重复控制（ImprovedRepetitiveControl）提高重复控制的动态响应性能，然后将PI控制器和改进重复控制并联组成一种能够发挥“内模”优势，并能够改善带宽的控制器。通过理论建模分析和模拟仿真实验验证了该控制方式的可行性。1APF系统以及改进重复控制器1.1APF系统结构以及数学模型如图1所示，采用最新的并联型APF结构电流桥，以传统的PWM整流方式为基础采用逆变方式的电路结构。图1有源电力滤波器原理Fig.1Principleofactivepowerfilter由于线路电阻和电源侧的线路电感对系统影响较小，在分析时可忽略，所以根据图1中所定义的电压电流方向，由基尔霍夫电压定理，可以列出交流侧电路方程：Ladiafcdt=usa-iafcR-uraLbdiafcdt=usb-iafbR-urbLcdiafcdt=usc-iafaR-urc!#######"#######$（1）式中：usa，usb和usc为电网的系统电压；ura，urb和urc均为PWM的变换输出电压；ila，ilb以及ilc均为要补偿的电流；La=Lb=Lc=L；R为输出电感的等效电阻。利用d-q坐标变换，将静止ABC坐标系统下的式（1）变换到d-q坐标系，得到变换结果：Ldicddt=usd-icdR+ωLicq-urdLdicqdt=usq-icqR+ωLicd-urq!####"####$（2）由式（2）可以看出，d轴和q轴电流之间有明显的交叉耦合部分。1.2改进的重复控制APF通过对所加负载谐波电流进行分析之后，可以发现畸变的谐波电流包含了各次的谐波。按照内模原理，如文献[7]所述，如果要对这些畸变电流的指令信号实现无静差跟踪，则可以在内部信号输出部分引入“内模”，即可以在控制模型中加入一个能够描述这个谐波指令的外部交流谐波信号环节[7]。图2一般重复控制器Fig.2Normalrepeatedcontroller图2所展示的是一般重复调节控制的函数结构框图。其中，在调节器前端的内环部分给出的Q（Z）是一个滤波器的函数，该函数通过与后面的Z-N函数共同组成了重复调节器的内模函数。一般情况下将Q（Z）设定为是一个低通滤波器函数，这个函数可以是一个常数，或者其他滤波器函数，目的是为了能够让系统呈现临界的震荡状态。可以得到一般重复调节器系统的传递方程为：Gr（z）=Z-NGs（z）1-Q（Z）Z-N（3）从传递函数可以看出，参考信号角频率ω为K∈[0，N/2]的周期信号时，Z-N=Z-jωkπ=1，此时只有参考信号的跟踪环节GS（Z）和指令信号的延时环节中的Q（z）影响重复控制性能。若加入无差控制之后重复调节器的函数框图变为如图3所示，虽然引入无差拍调节部分但是与原来的重复控制器相比结构上并没有多大改变。UgridLSRSaisaisbisciafaLaSa1Sa2Sa3Sa4CLbiafbbSb1Sb2Sb3Sb3Sb4CLcciLciLbiLaRCSc2Sc1Sc4Sc3E（z）++QZ-NZ-NGs（z）U（z）胡江峰等：有源电力滤波器重复控制方法的改进研究5中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

煤炭与化工2016年第4期第39卷图3改进的重复控制器Fig.3Improvedrepeatedcontroller补偿器S（z）依然是针对对象P（z）的特性而设定的。但与一般重复控制器相比，引入无差拍控制后可以减少从检测环节到控制环节的计算，减少了控制器的计算时间，提高了重复控制器的动态响应性能和精度。2改进重复控制与PI控制并联通过以上分析，若调节器能够利用“内模”优势并充分发挥PI控制的带宽作用，可以极大改善调节器的动态跟踪补偿与稳态补偿作用。如图4所示，可以将两种调节器复合并联使用。由于PI调节器与重复控制器，在响应部分都是基于基波的周期量进行的，但是两者对基波的实时跟踪速度快慢不等，所以两种调节器在对基波的响应时可以先后进行。重复控制调节器与PI控制调节器共同在参考输出信号的前端并行发挥作用。当系统指令输出信号频率增高时，此时PI调节器能够对基波周期信号有快速反应，PI调节器迅速产生调节作用对指令信号进行控制。当系统跟踪指令信号跟踪相对稳定在一定频率基波周期内运行时，且频率变化波动不明显，此时重复调节器能够及时调节误差使系统保持稳定运行。e+r（z）+-QZ-N+Z-NS（Z）u（z）++无差拍控制P（Z）d（z）++3实验结果3.1实验仿真仿真在Matlab/Simulink中进行，具体参数如下：电源相电压220V，50Hz；主电路采用三相三线制；谐波源为三相不控整流桥带阻感的负载，负载电阻R为8Ω，电感L为0.001H；3.2单独改进重复控制图5图6为改进重复控制方法时的跟踪电流情况电流以及频谱。从图6可以看出电流的ηTHD从仅为1.98%，对电网质量有了明显提高。但是对11次、13次、15等高次谐波作用不明显。3.3并联复合控制器作用图7和图8分别为进重复控制器和PI控制器Udc*Gu（s）idc*-icd*+电流环控制器PI控制器重复控制器PI控制器重复控制器icq*+解耦ωL--urdurq+ωL解耦usd前馈++1icdsL+RωLωLSdusq前馈+--1sL+RicqSq++idcAPF模型32+-sC1UdciL图4电流PI控制和重复控制并联系统控制框图Fig.4CurrentPIcontrolandrepeatedcontrolparallelingsystemcontrol10.50-0.5-100.050.10.150.20.250.3图5使用改进重复控制器时负载跟踪电流Fig.5Improvedrepeatedcontrollerloadtrackingcurrent6中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2016年第4期图8改进重复控制与PI控制并联时的电流频谱Fig.8CurrentfrequencyspectrumofimprovedrepeatedcontrolandPIcontrolparallelconnection4结语文章提出了一种将改进重复控制和PI控制并联的控制方法来提高有源电力滤波器的动态性能和稳态性能。通过建立数学模型，在同步旋转坐标系下对电流环进行分析，理论分析表明控制器可以同时兼顾动态性和稳态性。仿真结果证明，控制器在作用时电网电流的ηTHD为1.04%，其在突加负载时也可以平稳快速过度到稳态。理论分析和仿真结果充分验证了该控制理论的可行性。图6改进重复控制器负载电流频谱Fig.6Loadingcurrentfrequencyspectrumofimprovedrepeatedcontroller并联时的负载跟踪电流波形图和负载频谱。图7和图5对比分析可以看出使用并联控制器时的跟踪效果较单独使用改进重复控制时跟踪更为紧凑平稳，且THD含量仅为1.04%，11次、13次、15等高次谐波明显得到改善。为了能够验证改进重复控制器和PI控制器并联作用时系统的动态和稳态性能。对APF进行了突加负载和电流跟踪补偿实验。如图9为电流响应波形图。从图中可以看出突加负载时的电流情况。在0.16s左右时突加负载时，电流波形平稳的过渡到稳态，说明可以有效的跟踪控制电流。0.40.30.20.10Mag05101520Fundamental（50Hz）=27.48，THD=1.98%图7改进重复控制和PI控制并联时的负载的跟踪电流Fig.7FollowingcurrentloadingofimprovedrepeatedcontrolandPIcontrolparallelconnection0.40.30.20.10-0.1-0.2-0.3-0.400.050.10.150.20.250.30.250.20.150.10.050MagFundamental（50Hz）=27.48，THD=1.04%051015203020100-10-20-30图9突加负载时的电流响应情况Fig.9Currentresponseofabruptincreasingloading00.050.10.150.20.250.3参考文献：[1]周娟，秦静，王子绩.内置重复控制器无差拍控制器在有源电力滤波器中的应用[J].电工技术学报，2013，28（2）：233-239.[2]黎燕，罗安，方璐.高电压等级新型混合有源电力滤波器[J].电工技术学报，2013，28（6）：147-157.[3]王晓刚，谢云祥，帅定新.智能控制应用于APF的综述与展望[J].电网技术，2011，32（8）：35-41.[4]颜晓庆，杨君，王兆安.并联型有源电力滤波器的数学模型[J].电工技术学报，1998，13（1）：41-46.[5]A.Nabae,I.Takahashi,H.Akagi.ANewNeutral-Point-ClampedPWMInverter.IEEEProc.ofIAS’80，1980（2）：761-766.[6]P.M.Bhagwat.GeneralizedStructureofaMultilevelPWMInverter.IEEETrans.onIndustryApplications,1983,19（6）：1057-1069.[7]刘扬，谭国俊.基于改进型自适应锁相环的特定次次谐波补偿算法在APF中的应用[J].电工技术学报，2004，28（5）：259-265.胡江峰等：有源电力滤波器重复控制方法的改进研究7中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net