一種用于并聯有源電力濾波器電流環的復合控制技術
中文題目：一種用于并聯有源電力濾波器電流環的復合控制技術
論文題目：A Compound Control Technology for The Current Loop of Shunt Active Power Filters
錄用期刊/會議： 2024 IEEE 4th International Conference on Digital Twins and Parallel Intelligence (DTPI) （EI國際會議）
原文DOI：10.1109/DTPI61353.2024.10778678
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10778678
錄用/見刊時間：2024.10.20
作者列表：
1） 曹旭東 中國石油大學（北京）人工智能學院 電子信息工程系教師
2） 張若谷 中國石油大學（北京）人工智能學院 新一代電子信息技術 研究生
3） 魏學良 中國石油大學（北京）人工智能學院 電子信息工程系教師
4） 余 蜜 武漢中為高科新能源有限公司
摘要:
由于電動汽車充電站會產生大量諧波電流，降低了電力系統的電能質量，有源電力濾波器憑借其穩態誤差小、動態響應快等優勢，在電動汽車充電設施中被廣泛用于抑制諧波和補償無功電流。本文主要研究三相三線制并聯型有源電力濾波器（SAPF）電流環的數字控制策略。
數字控制憑借其設計靈活性高、易于實現復雜智能控制方法等諸多優點，在許多領域正逐漸取代模擬控制。與此同時，傳統控制方法在數字控制中仍發揮著重要作用。因此，將先進的數字控制算法與傳統控制方法相結合是主流策略。為改善單獨使用數字比例 - 積分（PI）控制器進行補償時性能不佳的問題，本文提出了一種基于數字PI控制器和數字重復控制器的復合控制方法，其中重復控制器可增強穩態性能，PI控制器可改善動態性能。文中詳細分析和推導了兩種控制器的設計方法、復合控制方法的補償性能以及穩定性判斷。此外，還分析了系統參數大幅變化時復合控制方法的魯棒性。仿真和實驗結果驗證了該復合控制方法能夠實現低穩態誤差和快速動態響應。
背景與動機:
隨著電動汽車產業的迅猛發展，大量的電動汽車充電站已投入建設和運營。由于電動汽車充電設備中非線性負載的影響，在充電過程中會有諧波電流注入電源，這導致電能質量下降且損耗增加。并聯型有源電力濾波器（SAPF）作為一種能夠動態抑制諧波和補償無功功率的新型電力電子裝置，已成為充電站諧波治理的新途徑，并逐漸進入工業實際應用階段。本文針對SAPF中的重復控制，分析其難以消除周期性穩態誤差的問題，提出了一種基于數字比例積分（PI）控制和數字重復控制的復合控制策略。詳細分析和推導了復合控制中兩種控制器的設計方法、補償性能、穩定性判斷，以及并聯型有源電力濾波器復合控制系統在系統參數大幅變化時的魯棒性。
設計與實現:
通過分析圖1所示的有源電力濾波器
圖1 有源電力濾波器拓撲結構
設計了如圖2所示的復合控制方法
圖2 復合控制方法結構圖
通過穩態分析得到此時復合結構的傳遞函數為：
通過動態分析或者跟蹤誤差突然變大的情況下，得到此時的復合結構傳遞函數為：
通過假設Q(z) = 1且r(z)是完全可重復的，就可以得到穩態誤差的結果。
由此可見，由于該系統包含重復控制，在理想情況下，系統的穩態誤差可以達到零。
實驗結果及分析:
仿真分析：通過搭建仿真平臺并于離散域進行仿真。
穩態下加入了采用提出復合控制方法的SAPF前后的電流波形圖和系統測電流總諧波失真值（THD）分別為圖3和圖4所示。
圖3 補償前的系統側電流波形和總諧波失真（THD）
圖4 補償后的系統側電流波形和總諧波失真（THD）
動態情況下的系統測電流如圖5所示，該結果證明了該方法對于動態過程中能夠有效提出系統的穩態性能
圖4 復合控制系統在負載突然加載和卸載時的動態響應
實驗分析：通過在66kVA的有源電力濾波器進行實驗。
穩態情況下，當并聯型有源電力濾波器開啟時，負載側電流波形(
)和系統側電流波形(
)分別如圖6所示。系統側電流頻譜如圖7所示。觀察到加入SAPF后諧波基本被抑制并且諧波降低到2.79%。
圖6 負載側電流波形()和系統側電流波形
圖7 系統側電流頻譜
結論:
本文提出了一種基于數字比例積分（PI）控制和數字重復控制的復合控制策略。利用重復控制提高系統的穩態跟蹤性能，利用數字 PI 控制改善系統的動態特性。并詳細分析推導了復合控制中兩種控制器的設計方法、補償性能以及穩定性判斷。分析了系統參數大幅變化時有源電力濾波器復合控制系統的魯棒性。對所提出的復合控制進行的仿真和實驗研究證明，所提出的基于數字 PI 控制和數字重復控制的有源電力濾波器新控制策略能夠很好地兼顧系統的穩態和動態特性。
作者簡介:
曹旭東，副教授，碩導，中國計算機自動測量與控制技術協會會員。主要從事DSP、FPGA、ARM等嵌入式微處理器系統設計、物聯網云服務平臺架構設計，石油測井儀器微弱信號采集及井下通信技術研究與實現。完成了國家重大專項、中國石油集團公司以及油田企業的縱橫向項目20多項。主要科研項目：智能監測、物聯網、云平臺類項目：基于IPv6的自動化前端設備在高寒地區應用的研究（國家發改委項目）；警用摩托車智能監測系統；智能燃氣管網監測系統設計；石油測井儀器研制開發項目：過套管電阻率測井儀系統設計及數據校正解釋軟件研發；雙三維地球物理模型定位采集系統設計（國家重點實驗室項目）；井地電位成像系統研制；地震物理模擬方法研究項目:多波地震勘探及裂縫儲層預測技術、地震物理模型可控震源研制、物探新方法新技術研究。發表論文四十余篇, 編寫《單片機原理及應用》和《DSP芯片原理及應用系統設計》教材2部。獲得中國石油大學校級教學成果一等獎2次，二等獎多次。指導大學生獲北京市電子設計競賽一等獎，北京市大學生電子設計競賽優秀指導教師。聯系方式：caoxudong@cup.edu.cn