《電子技術(shù)應(yīng)用》
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重復(fù)控制自適應(yīng)PI控制器在APF中的應(yīng)用
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第3期
高正中,郭 娜,李 煜
山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島266000
摘要: 為了有效解決電力系統(tǒng)中由于諧波存在而導(dǎo)致的一系列問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于PI+重復(fù)控制的有源電力濾波器(APF)。這種控制器集合了PI算法追蹤速度快和重復(fù)控制算法精度高的優(yōu)點(diǎn),但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),當(dāng)電網(wǎng)突加負(fù)載,即系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),其跟蹤效果不理想。因此提出了自適應(yīng)PI,在原來(lái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高追蹤的速度和精確度,改善效果明顯,系統(tǒng)諧波畸變率比簡(jiǎn)單并聯(lián)控制器降低了30%。
?中圖分類號(hào): TM935
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.173901
中文引用格式: 高正中,郭娜,李煜. 重復(fù)控制自適應(yīng)PI控制器在APF中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(3):60-63,71.
英文引用格式: Gao Zhengzhong,Guo Na,Li Yu. Application of repetitive control and adaptive PI controller in APF[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(3):60-63,71.
Application of repetitive control and adaptive PI controller in APF
Gao Zhengzhong,Guo Na,Li Yu
College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266000,China
Abstract: In order to solve a series of problems caused by harmonics in power system effectively, an active power filter(APF) based on PI and repetitive control is designed. This controller combines the advantages of fast tracking speed of PI algorithm and high precision of repetitive control algorithm. But in practical application, it is found that the tracking effect is not ideal when the network load changes, that is, the system parameters are changing. Therefore, adaptive PI is proposed to further improve the tracking speed and accuracy, and the effect is obvious. The system harmonic distortion rate has descreased nearly 30%.
Key words : compound controller;adaptive;active power filter(APF)

0 引言

    電網(wǎng)中諧波的大量存在對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。為了更好地進(jìn)行諧波處理,有源電力濾波器(APF)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用成為一大熱點(diǎn)。其設(shè)計(jì)的原理是通過(guò)采集系統(tǒng)中三相負(fù)載電流含量,計(jì)算其基波電流值,兩者做差即為相應(yīng)的諧波電流分量[1],然后將此反向分量送給三相電源,完成對(duì)電網(wǎng)中諧波的抑制。三相四線制系統(tǒng)中因?yàn)椴黄胶怆娏鞯拇嬖?,在處理諧波同時(shí),也需要完成對(duì)中線電流的補(bǔ)償。

1 系統(tǒng)模型

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用四橋臂模型,在電容分裂式模型基礎(chǔ)上多一個(gè)橋臂,用此橋臂實(shí)現(xiàn)中線電流的補(bǔ)償,四相橋臂分別對(duì)應(yīng)特定相電流進(jìn)行跟蹤,發(fā)揮補(bǔ)償作用。不同于三橋臂結(jié)構(gòu)需要對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行平衡,縮小電容電壓差,而且電路相對(duì)復(fù)雜,四橋臂結(jié)構(gòu)可直接對(duì)中線電流進(jìn)行補(bǔ)償,電路相對(duì)簡(jiǎn)單。APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作示意圖如圖1所示。

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    由圖1所示,列基爾霍夫方程:

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    系統(tǒng)采集三相電流 ica、icb、icc和中線電流in,測(cè)得電流中所含有的諧波含量,實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂破鲗?duì)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤產(chǎn)生補(bǔ)償電流量,輸送到對(duì)應(yīng)相進(jìn)行補(bǔ)償。

2 復(fù)合控制算法

    系統(tǒng)通過(guò)ip-iq法得到補(bǔ)償指令信號(hào),指令信號(hào)傳輸?shù)娇刂破?,控制器需完成?duì)諧波的抑制過(guò)程。

2.1 復(fù)合控制算法構(gòu)成

    PI控制算法簡(jiǎn)單[2-4],跟蹤速度快,但是穩(wěn)態(tài)性能差;重復(fù)控制穩(wěn)態(tài)性能好,但是跟蹤滯后一個(gè)周期[5],因此在對(duì)PI算法和重復(fù)算法進(jìn)行研究的過(guò)程中,提出PI與重復(fù)控制并聯(lián)的模型,其基本模型如圖2所示。

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2.1.1 PI控制器

    由圖2可知PI部分的閉環(huán)傳函為:

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2.1.2 重復(fù)控制器

    重復(fù)控制算法的核心是內(nèi)模原理,內(nèi)模主要是指對(duì)外部信號(hào)的一種描述[6],包含指令信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)兩部分,使系統(tǒng)在跟蹤指令信號(hào)的同時(shí),消除外部擾動(dòng)影響,這種動(dòng)態(tài)反饋控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。離散模型如下:

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其中,z-N是周期延遲環(huán)節(jié)。

    由于系統(tǒng)基波信號(hào)是呈周期出現(xiàn)的,而且含有的諧波是基波周期的整數(shù)倍,因此認(rèn)為外部信號(hào)是周期性變化的。z-N的作用是將此周期誤差值經(jīng)過(guò)延時(shí)作用于下周期的控制量。

    另一重要組成部分是補(bǔ)償器。補(bǔ)償器根據(jù)所控對(duì)象P(z)的具體特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置[7],根據(jù)上一周期已經(jīng)采集到的數(shù)據(jù)與這周期內(nèi)所測(cè)得的誤差,對(duì)所控對(duì)象的相位和幅值進(jìn)行補(bǔ)償修正,每周期誤差進(jìn)行累加直到誤差為零[8],不再存在修正參數(shù)時(shí),會(huì)保持原值不變。其模型為:

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2.2 自適應(yīng)PI

    當(dāng)系統(tǒng)中負(fù)載發(fā)生變化時(shí),上述并聯(lián)控制器能夠在一定時(shí)間內(nèi)重新進(jìn)行跟蹤,但是效果不理想。針對(duì)PI算法的這一缺點(diǎn),提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI算法構(gòu)成自適應(yīng)PI控制器,迅速調(diào)節(jié)參數(shù)以保持整體狀態(tài),其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由3節(jié)點(diǎn)的輸入層(輸入量分別為指令量 S(z)、實(shí)際輸出 S1(z)和誤差 e(z))、2節(jié)點(diǎn)輸出層(自適應(yīng)PI參數(shù)Kp和Ki)和5節(jié)點(diǎn)隱藏層構(gòu)成。

    R函數(shù)為隱層輸出函數(shù),采用Sigmoid函數(shù):

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    G為輸出層函數(shù),由于其輸出值具有非負(fù)性,因此采用:

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    首先選定系統(tǒng)結(jié)構(gòu),確定每層權(quán)值的初始數(shù),選擇相應(yīng)的學(xué)習(xí)速率及慣性系數(shù);將輸入值S和S1輸入系統(tǒng),即可得到Kp和Ki,系統(tǒng)通過(guò)權(quán)值的學(xué)習(xí),調(diào)整各層加權(quán)參數(shù),實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)PI參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 仿真及分析

    根據(jù)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本參數(shù),建立Simulink模型[10]。負(fù)載由整流橋和三相串聯(lián)RLC電路構(gòu)成,為了試驗(yàn)效果,在A相接一個(gè)電感負(fù)載以產(chǎn)生中線電流。

    對(duì)系統(tǒng)中負(fù)載電流進(jìn)行測(cè)量,其波形如圖4(a)所示。由于諧波分量的存在,波形畸變嚴(yán)重,以A相為例,測(cè)得THD為19.55%,如圖4(b)所示。

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    為了檢驗(yàn)改進(jìn)后的補(bǔ)償效果,分別對(duì)3種算法進(jìn)行Simulink仿真實(shí)驗(yàn),設(shè)置補(bǔ)償初始時(shí)間為0.1 s,圖5為采用PI控制法、重復(fù)控制法及并聯(lián)控制策略進(jìn)行諧波補(bǔ)償時(shí)系統(tǒng)測(cè)得的THD值,圖6(a)為改進(jìn)后的三相電流波形圖,測(cè)得的A相THD值如圖6(b)所示。

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    采用PI控制和重復(fù)控制對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)都使波形有趨于正弦波的趨勢(shì),但是不能達(dá)到很好的效果,補(bǔ)償后電流波形不是平滑的正弦波。采用PI控制和重復(fù)控制時(shí),其THD分別是4.37%和4.06%,采用重復(fù)控制雖然相比于PI控制畸變率降低,但效果并不明顯,即兩種控制的效果均不理想。將兩種控制方法并聯(lián)后,得到THD為1.86%,在此方法下諧波得到一定的控制。而采用改進(jìn)的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)后,電流波形基本接近基波波形,三相對(duì)稱,其諧波含量降低為1.36%,比簡(jiǎn)單并聯(lián)時(shí)又降低了30%,因此采用改進(jìn)控制器抑制諧波具有顯著效果。

    三相不平衡負(fù)載使系統(tǒng)出現(xiàn)中線電流,中線電流的存在會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞電子器件,令A(yù)PF無(wú)法正常使用。如圖7所示,系統(tǒng)中線電流幅值達(dá)到60 A,設(shè)置APF在0.1 s進(jìn)行補(bǔ)償操作,補(bǔ)償后的中線電流可以控制為在一定的范圍內(nèi)波動(dòng),比較平穩(wěn),控制效果較好。

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    為研究APF在系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生突變的情況下補(bǔ)償效果,在0.15 s突加負(fù)載,系統(tǒng)迅速完成對(duì)各相電流的跟蹤及補(bǔ)償。控制器對(duì)指令電流進(jìn)行跟蹤,0.1 s以前APF輸出電流為零,當(dāng)APF開始工作以后,迅速跟蹤指令電流,在0.15 s當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí),指令電流變大,APF在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)新的指令電流進(jìn)行跟蹤,輸出補(bǔ)償電流。圖8為APF電流跟蹤情況,可以發(fā)現(xiàn)采用簡(jiǎn)單并聯(lián)模型對(duì)中線電流進(jìn)行追蹤,其效果不如改進(jìn)后效果理想。

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    仿真結(jié)果表明,采用復(fù)合控制對(duì)三相四線制電路進(jìn)行諧波補(bǔ)償時(shí),其抑制效果明顯,電網(wǎng)電流中諧波含量顯著下降,波形近似正弦波。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生負(fù)載突變時(shí),APF在一個(gè)周期內(nèi)迅速跟蹤變化的指令電流,調(diào)整輸出補(bǔ)償電流,使電網(wǎng)電流重新達(dá)到三相平衡。

4 結(jié)論

    在低壓配電網(wǎng)中,系統(tǒng)中含有大量諧波成分,阻礙系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)展,當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)不均衡時(shí),就會(huì)出現(xiàn)中線電流,它的存在也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。本文通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)PI、重復(fù)控制器、簡(jiǎn)單并聯(lián)控制器和自適應(yīng)復(fù)合控制器的諧波控制效果,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)控制器對(duì)系統(tǒng)諧波具有更好的控制作用,提高了供電質(zhì)量,基于復(fù)合控制的APF具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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作者信息:

高正中,郭  娜,李  煜

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島266000)

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