有源电力滤波器多内模复合控制策略控制分析

2022-02-25鲍裕光洪恩雨

自动化仪表 2022年2期

鲍裕光，刘明，洪恩雨

(中国医科大学附属盛京医院，辽宁沈阳 110000)

0 引言

有源电力滤波器多内模控制在无谐波检测中具有重要的地位。国外学者W.M.WONHAM在研究多变量线性定常系统的过程中，对内模原理通过数学的表达方式进行详细描述，由此构建内模原理，获得精度很高的反馈控制模型[1-3]。通过为反馈控制回路设置相应的扰动模型以及参考模型，能够使该控制系统实现对参考信号的跟踪，并具备优异抗干扰性能[4-6]。但是在微电网中，当电流环与扰动信号形成的谐波信号中含有多个正弦量时，假设会出现高于20次的谐波，为达到无静差跟踪的效果，应为各频率交流分量构建一个内模。由此引起的内模数量明显增加，会提升数字控制器的计算难度，无法满足工程应用的要求。此时，可以采用重复控制的方式来解决上述问题[7-9]。

为消除单一通过矢量谐振(vector resonance,VR)进行控制时面临的缺陷，采用重复控制(repetitive control,RC)的方法并合理设置校正因子。这可以发挥矢量谐振VR控制频率所具备的良好适应能力以及稳定裕度大的优势，达到高效跟踪基频分量的效果。本文采用MATLAB软件建立了上述系统模型，并完成了仿真测试[10-11]。

1 无谐波检测控制原理

无谐波检测方法的具体运行原理如图1所示。

图1 无谐波检测原理图

从理论层面上分析，只需对网侧电流进行测试，由此实现控制的功能，不必进行复杂的谐波检测。有源电力滤波器(active power filter,APF)与负荷通过并联的方式共同构成一个等效负荷。当微电网产生的能量比APF和负荷所需能量更高时，APF处于充电状态，完成储能过程，在直流侧形成了更高的电压Vdc；而在微电网能量比APF和负荷能量之和更低时，APF处于放电状态，释放能量，此时直流侧的电压Vdc发生降低。可以根据APF直流侧的电压变化特征判断APF和负荷对能量的需求情况。三相四线制APF表现出和同步电机相近的运行性能，都呈现直流侧电压缓慢变化的现象，而补偿电流发生了快速变化。

APF属于闭环控制系统，可以获得良好的补偿效果并实现优异抗干扰性能。利用无谐波检测控制算法一方面可以获得优异控制效果，另一方面可以有效降低电流互感器的使用量，从而更快地完成计算。

2 矢量谐振控制与重复控制

2.1 矢量谐振控制

三相四线制APF的电流环控制如图2所示。

图2 三相四线制APF的电流环控制

根据图2可知，经过归一化处理的电网电压呈现正弦曲线的特征。对电流回路产生的干扰信号进行拉氏转换，可得以下表达式：

(1)

通过式(1)验证谐振控制器能够满足有效性条件，可以根据基波频率完成电网电压的精确跟踪。本文以GC(s)表示比例谐振(proportional resonant,PR)控制、GD(s)表示控制系统数字延时、GP(s)表示传递函数。只对电压扰动因素进行分析时，得到以下输出电流表达式：

(2)

(3)

(4)

式中：kP为比例增益；kI为和谐振增益。

对于kP的参数设置，应保证系统整体阻尼比为0.707。对此，可以先设置一个很大的kI。此时，即使发生电网频率改变，也可以达到所需的误差衰减。但也需注意，如kI太大，也可能会引起系统发生过度超调的结果。假设电网频率只在一个较小的范围内变化，可将kI设置为最佳增益。把式(3)、式(4)代入式(2)中，可获得式(5)。

(5)

根据以上结果可以发现，通过调整比例谐振PR能够完成交流正弦信号误差跟踪，从而提高对电网电压干扰信号的抵抗能力。

2.2 多内模复合控制策略

VR控制方式虽然可以达到对特定频次交流信号实施无静差跟踪的效果，但采用多谐振控制器时会发生信号干扰的问题，并且存在明显的相位滞后现象。所以考虑到数字信号处理器的性能有限，其无法大规模使用。对此，本文可以采用对RC进行重复的方式，使谐振控制过程变得更加简单。由于微电网系统需要满足三相四线制APF的快速响应，设计了多内模控制器。其中，比例积分(proportionel integral,PI)控制方式可以使APF系统达到更稳定的状态，并获得更快的响应速度；VR则可以无静差跟踪基频交流分量和低次谐波，通过对RC进行充分控制的方式来达到跟踪与控制谐波分量作用。三相四线制APF控制框图如图3所示。

图3 三相四线制APF控制框图

3 仿真分析

微电网仿真从并网时刻开始。光伏发电保持7 820 W的恒定功率，从0.4 s时将并网断开使微电网转变为孤岛状态。

平衡负荷时，微电网工作状态如图4所示。

图4 平衡负荷时微电网工作状态

图4中，有功功率为15 000 W，无功功率为0。

微电网仿真分析如表1所示。

表1 微电网仿真分析

根据表1可知，电压与电流总谐波失真(total harmonic distortion,THD)都低于1%，并没有发生明显畸变，呈现正弦波的特征。以上测试结果显示，在负荷处于纯阻性三相平衡状态下时，微电网系统可以达到良好的功率平衡状态，确保用户获得高质量的供电。

综合分析图4(a)与表1可以发现，处于并网阶段的电网功率为2 185 W、光伏功率为7 820 W、储能输出功率为4 995 W，呈现平衡的有功功率。在0.4 s将并网开关断开后，微电网系统转变为从储能系统内获取能量，各部分依然处于平衡的有功功率运行模式。因为此时并没有对微电网工作模式实施无缝转换，导致有功功率发生，离网切换时会产生明显的冲击作用，并在之后达到一个稳态的过程。因为此时负荷都属于阻性负荷，如果只对有功功率进行分析，则只需为微电网系统提供少量无功功率便可以确保系统并网逆变器保持正常的工作状态，具体如图4(b)所示。

本研究结果显示，在负荷达到三相线性平衡的状态时，不管微电网系统是处于孤岛模式还是并网模式，均可良好运行。但是当负荷明显畸变并处于不平衡状态，尤其是遇到孤岛模式无法获得大电网支持时，微电网系统会产生明显畸变电流而引起节点电压发生较大程度畸变。此时，需要通过三相四线制APF实施谐波治理，以获得稳定的正弦波，从而保证微电网的正常工作。