三相四线APF补偿电流性能分析

周清会徐德杨琨姜蕾

摘要：三相四线制有源电力滤波器由于零线的引入，能够对负载的零序电流进行补偿。在有源电力滤波装置中，其补偿性能的好坏，很大程度上取决于控制器的设计。为了提高并联型有源电力滤波器的补偿性能，本文在同步旋转坐标系下提出了一种理想的电流控制策略即基于数字PI控制和重复控制并联结构的复合电流控制方法。

关键词：数字PI控制；重复控制；复合控制；三相四线APF；电流补偿

0引言

随着电力电子装置广泛应用，电网中的谐波污染日趋严重，谐波对电力系统产生严重的危害。与此同时，生产过程的自动化和智能化以及各种复杂的精密设备，对电能质量也提出了更高的要求。每一种控制方案都有其优势和不足，将各种控制方案取长补短，组合成复合的控制方案将是控制系统设计的趋势。

1PI控制和重复控制并联的复合控制

1.1复合控制系统分析

基于上述分析，本文提出基于数字PI控制和数字重复控制的复合控制，其控制结构如图1所示。

图1基于数字PI控制和数字重复控制的复合控制

在复合控制方案中，PI控制器和重复控制器并联在控制系统的前向通道中，共同对系统的输出产生影响。当系统处于稳定运行状态，PI控制器输出的控制作用很小，不对系统产生影响。这时系统运行所需的控制作用由重复控制器提供，控制作用是对历史误差累加作用的结果。当负载出现大的扰动，跟踪误差突然变大，由于有一个参考周期的延时，重复控制器输出不产生变化，但PI控制器却感受到跟踪误差的突变并立即产生调节作用。随着跟踪误差减小，PI调节器的控制作用逐渐减弱，直至系统达到新的稳定运行状态。

1.2复合控制系统设计

复合控制系统特征方程中因子即是系统只含PI控制时的特征方程。也就是说，基于PI控制和重复控制的复合控制系统稳定的前提条件之一是系统只在数字PI控制下是稳定的。

基于PI控制和重复控制的复合控制系统稳定的前提条件之二是经反馈通道PI控制后的系统在重复控制下是稳定的。对于重复控制器而言，可以将看作其控制对象。

关于稳态误差，假定Q(z)＝1并且r(z)完全重复性，代入可得。可见，由于系统含有重复控制，理想情况下系统的稳态误差可以达到零。

2实验结果

为了验证上述分析，在实验室研制的100A三相四线APF系统进行如下实验。

2.1数字PI控制

图2是数字PI控制器作用时负载电流波形和电网电流波形，波形2为三相不控整流波形，即APF没有投入时负载侧的电流波形。图3和图4是APF投入前和投入后电网侧电流频谱，从图中可看出电网侧电流的THD从28.5％下降到15％。5次、7次、11次、13次谐波的THD有了明显的下降，17次、19次谐波下降不多。

图2单独PI控制器时负载电流和电网电流波形

图3负载电流波形频谱

图4网侧电流波形频谱

2.2复合控制稳态作用

数字PI控制器和重复控制器并联作用，和单纯PI控制器作用相比电网侧电流陡升陡降处尖冲基本被消除且接近于正弦波。网侧电流THD降至为2.79％。相对于只有PI控制器作用来说，PI控制器和重复控制器并联作用使谐波补偿效果有很大改善，频谱中几乎所有谐波电流都被抑制。

2.3不平衡负载下复合控制作用

中线上流过的基波电流约20A，补偿前三相不平衡，中线存在较大的基波电流，补偿后三相系统电流基本平衡，中线电流基本为零，补偿后的系统电流THD由补偿前的18.44%降低到6.616%。

2.4复合控制动态作用

为了验证PI控制器和重复控制器并联作用时APF动态性能，进行突加突卸实验，如图5、6所示。从图5波形2可以看出复合控制器快速响应了指令的突变，但突加负载时出现了半周期指令失真，这不是控制器的响应速度不够，而是在谐波提取环节中用到了一个低通滤波器，算法上造成半周期指令失真。从第2个周波开始，重复控制的作用逐渐明显，从第5个周波开始逼近稳态。

图5复合控制作用突加负载时负载电流和网侧电流

图6为部分负载卸掉时网侧电流和补偿电流波形，负载在t0时刻发生变化，而补偿后的网侧电流在t1时刻完全跟踪上负载电流的变化，延时半个周期，这是因为谐波提取中低通滤波器半周期指令失真造成的，控制器的响应速度很快。可以大大减小有源电力滤波器由于负载变化发出或吸收有功功率。

图6复合控制突卸部分负载时负载电流和网侧电流

3结论

对于三相四线并联型有源电力滤波器，基于同步旋转坐标系下其电流环控制性能的详细分析，本文提出了一种PI控制和重复控制并联运行的复合控制器来改善其稳态补偿精度和动态响应性能。实验结果证明了该控制器在稳态运行时能将电网电流的THD值从30%降到3%，而其动态性能仅有半个基波周期(10ms)的延时，理论分析和实验结果证明了这种控制方式的可行性。

参考文献

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