有源滤波器的改进开闭环迭代电流控制

张 莹，吴敬兵

(1．湖南铁道职业技术学院东院轨道交通系，湖南 株洲412001; 2．福建省电力有限公司福州电业局，福建 福州350009)

有源滤波器的改进开闭环迭代电流控制

张 莹1，吴敬兵2

(1．湖南铁道职业技术学院东院轨道交通系，湖南 株洲412001; 2．福建省电力有限公司福州电业局，福建 福州350009)

开环迭代控制已被应用于滤波器系统，但在利用谐波电流误差信息方面存在着不足，影响了滤波器的性能。为了改善滤波器滤波效果，本文提出一种改进的开闭环迭代电流控制方法，增强了系统的稳定性，另外得到了该方法在滤波器中应用的收敛性条件分析。开闭环迭代电流控制器的当前输出信号由前一次迭代时的输出信号及电流误差和当前次迭代时电流误差信号组合而成，其充分利用了谐波电流误差信息，修正了开环迭代控制算法在滤波器中应用的不足。所提开闭环迭代控制器结构简单，采用了Hebb学习规则自适应调节控制器的参数，优化了控制器性能，系统具备较好的抑制电网谐波的能力，电流稳态控制误差较小。最后，仿真与实验结果验证了方法的可行性和有效性。

有源滤波器;开闭环迭代控制;收敛;Hebb规则

1 引言

近年来，随着国民经济的增长和科学技术的发展，一些非线性负载在电力系统中应用越来越广泛，电力系统的谐波污染变得日趋严重，对电网环境造成了污染［1，2］。目前，有源电力滤波器作为一种动态谐波治理装置，能够获得比无源滤波器更好的补偿效果，是目前治理谐波的重要发展方向［3-10］。

PI控制作为一种传统方法，应用在有源电力滤波器中取得了一些效果，但存在较大的稳态误差，无法满足目前电网谐波的滤除要求。近年来，迭代学习控制由于简单有效而受到广泛重视。文献［11］介绍迭代学习控制律一般分为开环迭代学习律、闭环迭代学习律及开闭环迭代学习律三种。所谓开环迭代控制［12］即指控制器输出是由前一次迭代的控制输出及前一次迭代时的误差信号 en－1(t)组合而成，该概念有别于传统意义上的开环控制方法;闭环迭代控制是指控制输出由前一次迭代的控制器输出及当前次迭代时的误差信号en(t)组合而成;开闭环迭代控制则是综合了当前误差信号en(t)及前一次的误差信号 en－1(t)，与前述的开环、闭环迭代控制律相比，开闭环迭代控制更能充分利用系统提供的数据信息，有助于提高系统的性能［11］。目前，迭代学习控制已被应用于有源滤波器，以滤除具有周期性特点的电网谐波电流。文献［13］提出了一种有源滤波器的迭代控制算法，属于开环迭代控制。文献［14］将迭代控制和PI控制器并联用于并联型有源电力滤波器以输出电流波形控制。文献［15］提出一种改进的滤波器迭代电流控制方法，属于开环迭代控制。滤波器系统采用上述开环迭代控制方法后取得了一定的滤波效果，然而它们在利用系统信息上存在不足。因此，为了提高滤波器的性能，研究关于有源滤波器的开闭环迭代学习控制方法具有重要的意义。

本文提出一种改进的开闭环迭代电流控制方法，将其应用于混合有源电力滤波器以改善电网电能质量，并得到其应用的收敛性条件。电流控制器由开环迭代控制和闭环迭代控制构成，其控制输出综合了当前的谐波电流误差信号及前次迭代时的电流误差信号，充分利用了滤波器系统的谐波电流信息。采用了Hebb学习规则对控制器参数进行在线调整，优化了控制器的性能，使得系统具备较好的稳态控制效果，稳态控制误差较小。

2 混合有源滤波器的结构

图1为混合有源电力滤波器的拓扑结构，其中电压型逆变器作为混合滤波器的有源部分，有源部分经过输出滤波器及变压器后与无源滤波器组并联接入电网。图1中，us表示电源电压;Rs和Ls表示电网的等效阻抗和感抗;电感L0与电容C0构成输出滤波器;电阻R5、电感 L5与电容 C5构成五次无源滤波器;电阻R7、电感 L7与电容 C7构成七次无源滤波器;LR、CR和R构成二阶高通滤波器。

图1 混合有源电力滤波器结构Fig．1 Configuration of hybrid active power filter

3 有源滤波器的电流控制方法

如图2所示，为有源电力滤波器的控制系统结构图，控制器由神经元开环迭代控制和闭环迭代控制构成，第n次迭代时的谐波电流误差 En(s)作为闭环迭代控制器的输入，而第n－1次迭代时的谐波电流误差En－1(s)作为开环迭代控制器的输入。图2中，En(s)表示为，其中、I(s)分别表示第 n次迭代时的电网谐波电

cn流及逆变器输出电流;e－sT表示迭代周期的延时算子;Gopen(s)表示神经元开环迭代控制算法对应的传递函数，Gclosed(s)表示神经元闭环迭代控制对应的传递函数;u(1)(s)、u(2)(s)分别表示开环迭代控制器及闭环迭代控制器的输出;un(s)表示第n次迭代时开闭环迭代控制器的输出信号;Ginv(s)为逆变器对应的传递函数;Gout(s)为逆变器输出电压与输出电流间的传递函数。

3.1 改进开闭环迭代电流控制方法

文献［11］介绍了开环迭代控制方法，即利用系统过去运行信息修正被控对象当前控制输入的学习控制方法，有别于传统意义上的开环控制。因此，在滤波器中开环迭代控制是以前一次迭代时的谐波电流误差信号En－1(s)为输入信号的，其表达式为［12］:

图2 控制系统结构Fig．2 Configuration of control system

式中，lP、lI分别为开环迭代控制器比例、积分系数。

如图3为神经元开环迭代控制框图，所提控制器结构简单，鲁棒性好，且可以采用Hebb规则对控制器参数进行在线调整，易于实现。参数调整算法见文献［16］，在此不再赘述。图3中，K为神经元比例系数，其值随着谐波电流误差En(s)的变化而取定:

图3 神经元开环迭代控制Fig．3 Neuron open-loop iterative control

图3中，神经元开环迭代控制表达为

式中，β为介于0与1之间的常数;Lp1、LI1分别表示神经元开环迭代控制器的比例、积分系数;开环迭代控制器输出可另记为

结合式(5)和式 (6)，可以得到神经元开环迭代控制算法对应的传递函数为

为了提高滤波器系统的抗干扰能力［11］，改善滤波器控制性能，提出在神经元开环迭代控制基础上加入神经元闭环迭代控制，构成改进开闭环迭代电流控制策略。如图4为神经元闭环迭代控制框图，控制器以第n次迭代时的谐波电流误差信号En(s)作为控制输入。

图4 神经元闭环迭代控制Fig．4 Neuron closed-loop iterative control

图4中，神经元闭环迭代控制表示为

其中，LP2、LI2分别表示闭环控制器的比例、积分系数。u(2)(s)表示闭环控制器的输出，且记

结合式(10)和式(11)，可以得到神经元闭环迭代控制算法对应的传递函数，为

结合图2、式(3)～式(6)、式(8) ～式(11)，可以得到改进开闭环迭代学习控制算法，如下:

从式(13)可见，与开环迭代控制相比，所提算法充分利用了谐波电流误差信息En－1(s)和En(s)，有助于提高系统的性能。所提方法不需要过多的硬件实施条件，易于实现。

3.2 开闭环迭代控制算法的收敛性条件

根据图2，可以得到如下等式:

归纳式(14)，可以得到:

对于式(15)，如果在无穷范数定义下有如下不等式成立，那么算法(13)是收敛的。

4 仿真与实验结果

在混合有源电力滤波器中，对开闭环迭代电流控制方法进行仿真研究，并与传统 PI控制效果比较。系统仿真参数为:控制器参数 β=0.2;神经元调整算法的参数根据个人经验及仿真实验结果取定，比例参数的学习率为0.21，积分参数的学习率为0.67，衰减速度为 0.5;电源电压 380V，频率50Hz;三相整流桥带阻感模拟非线性负载，其中阻感等效阻抗为 5.2Ω、3mH;电网等效阻抗为0.005Ω、1mH;输出滤波电感为0.5mH，输出滤波电容为24μF;0.2Ω、3.86mH及95μF构成五次无源滤波器;0.36Ω、4.87mH及42μF构成七次无源滤波器;1.56mH、25μF及7.49Ω构成高通滤波器。

图5(a)为应用所提开闭环迭代控制方法的动态补偿效果，图5(b)为采用传统控制方法的动态补偿效果，其中IL为补偿前的电网电流，Is为补偿后的电网电流。从图5(a)可以看出，当第0.1s投入有源电力滤波器后，大概经过2.5个时间周期电网电流调节到稳定状态;而在图5(b)中，电网电流大概需经过4.1个时间周期才慢慢趋于稳定，且调节后的电网电流存在着尖峰。

图5 电流动态补偿效果对比Fig．5 Comparison of dynamic current waveforms

图6(a)、图6(b)分别为采用本文控制方法及传统控制方法的稳态补偿效果。从图6可以看出，采用本文控制方法治理后的电网电流波形更接近于正弦，谐波含量更低。

图6 电流稳态补偿效果对比Fig．6 Comparison of steady current waveforms

为进一步验证开闭环迭代控制方法的可行性，进行了实验研究，系统参数与仿真一致。图7(a)、图7(b)分别是治理前及治理后的电网电流波形，由于混合有源滤波器的投入，治理后的波形较治理前有了很大改善，电网电流中的5次、7次、11次、13次谐波含量分别从22.7%、10.9%、9.1%、7.1%降低到0.6%、0.4%、0.2%、0.2%。

图7 治理前后的波形对比Fig．7 Comparison experimental waveforms of source current

5 结论

本文针对混合有源电力滤波器提出了一种改进的开闭环迭代电流控制新方法，修正了传统开环迭代控制方法的不足，得到了所提方法在滤波器中应用的收敛性条件，较传统开环迭代控制不需要过多的硬件实施条件。采用Hebb规则在线调整了控制器参数，提高了滤波器的控制性能，系统具备较好的抑制电网谐波的能力。最后，仿真与实验结果说明其应用效果要优于传统控制方法。

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Improved open-closed-loop iterative control for active power filter

ZHANG Ying1，WU Jing-bing2
(1．Department of Rail Transportation，the East Institution，Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China; 2．Fuzhou Electric Power Industry Bureau，Fujian Electric Power Co．LTD．，Fuzhou 350009，China)

Open-loop iterative control has been used in filter system，but it has the shortcomings such as inadequate use harmonic current error information，which affects the filter performance．In order to improve filtering effect of active power filter，the paper proposes an improved open-closed-loop iterative current control method，which enhances the system stability．The convergence condition of the proposed algorithm used in filter system is obtained．(，cont．on p．70)(，cont．from p．51)The control output of proposed current controller is composed of the control output as well as current error of previous iteration and the current error signal of present iteration．The harmonic current error signal can be used in the proposed open-closed-loop control adequately，which corrects the shortcoming of open-loop iterative control．Hebb rules are used to optimize the controller parameters，and the optimal system performance is obtained．The system possesses good ability of suppressing harmonic current，and the steady-state error is small．The simulation and experimental results have shown the feasibility and effectiveness of the proposed method．

active power filter;open-closed-loop iterative control;convergence;Hebb rule

TM 712

:A

:1003-3076(2014)01-0047-05

2012-06-04

张 莹 (1971-)，女，河北籍，副教授，工程硕士，主要研究电力电子技术及绿色能源技术;吴敬兵 (1982-)，男，湖北籍，工程师，博士，主要从事于配电网自动化系统及电能质量技术研究。