基于PI-RP復(fù)合控制策略的船用單相APF設(shè)計與仿真

許榮彧，樊友文，楊華榮

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

大量先進(jìn)的電子、電氣設(shè)備、系統(tǒng)的裝船應(yīng)用和高度集成，必然導(dǎo)致艦船電網(wǎng)品質(zhì)的復(fù)雜和惡化。應(yīng)用開關(guān)電源、逆變、變頻等元器件的非線性負(fù)載設(shè)備將引入諧波干擾，大功率沖擊性、波動性負(fù)載設(shè)備的投入、退出則引入瞬變尖峰干擾。另一方面，電子、電氣設(shè)備多屬于電磁敏感性設(shè)備，受到諧波傳導(dǎo)干擾易出現(xiàn)性能降級，導(dǎo)致電磁兼容問題。傳統(tǒng)上采用電源EMI濾波器、瞬變尖峰抑制器等LC無源器件抑制非線形負(fù)載帶來的傳導(dǎo)干擾，但LC無源器件對于低頻諧波干擾發(fā)揮作用并不理想，同時其濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性，并受溫度漂移、諧波污染程度、濾波電容老化及負(fù)載變化等影響［1］。如今，利用有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償已成為解決電能質(zhì)量問題的一個重要趨勢［2］。有源電力濾波器能很好地克服無源濾波器的原理性缺陷，具有對諧波電流實時、可控跟蹤補(bǔ)償?shù)哪芰?，?yīng)能成為改善艦船電網(wǎng)品質(zhì)、抑制負(fù)載側(cè)諧波引入的有力工具。

本文首先描述有源電力濾波器的技術(shù)原理，從工程實際的角度出發(fā)，設(shè)計用于抑制艦船電網(wǎng)負(fù)載側(cè)諧波干擾的單相有源電力濾波器，分析系統(tǒng)組成和原理，選用適用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重點分析諧波電流補(bǔ)償控制策略，利用MATLAB/Simulink程序?qū)ο到y(tǒng)及控制電路建立仿真模型，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)給出研究結(jié)論。

1 技術(shù)原理

有源濾波器通過檢測待補(bǔ)償對象(電壓或電流)的諧波瞬時值，經(jīng)運(yùn)算電路計算得出指令信號，控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生與負(fù)載電流諧波大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流量，從而補(bǔ)償、抵消引入的諧波分量，改善電網(wǎng)供電品質(zhì)。設(shè)計的船用單相APF以負(fù)載側(cè)引入的諧波電流為待補(bǔ)償對象。

根據(jù)有源濾波器與電網(wǎng)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串并聯(lián)綜合型等不同類型［1］。不同的結(jié)構(gòu)有不同的特性和適用場合。并聯(lián)型APF通過耦合變壓器并入電網(wǎng)系統(tǒng)，不對電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，投切方便靈活，保護(hù)簡單，容易滿足船用設(shè)備的可靠性、維修性、船用環(huán)境適應(yīng)性等要求，故船用APF選用并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

船用APF系統(tǒng)組成及原理圖(見圖1)。船用APF等效于一個受控電流源，通過跟蹤負(fù)載電流中的諧波分量，產(chǎn)生與其大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，抵消諧波電流，使得源側(cè)電流接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波。圖中，Is和IL分別表示源側(cè)電流和負(fù)載側(cè)電流，Ic表示APF輸出的補(bǔ)償電流。負(fù)載電流IL中含有基波電流ILf和諧波電流ILh，APF通過運(yùn)算控制輸出與諧波電流ILh大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流Ic，則

圖1 APF系統(tǒng)組成及原理圖Fig.1 Principle diagram of APF

式(1)表明補(bǔ)償后電源電流Is中僅包含負(fù)載電流中的基波分量ILf，實現(xiàn)APF對負(fù)載側(cè)產(chǎn)生諧波電流的補(bǔ)償。

2 檢測控制

諧波檢測電路和補(bǔ)償電路構(gòu)成APF的主體結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償電流的檢測和控制是實現(xiàn)APF功能的核心，直接影響APF補(bǔ)償?shù)木_性和快速性。適用于單相APF的檢測算法包括傅立葉變換算法和基于瞬時無功功率理論的p－q或 ip－iq算法等。［3］采用瞬時無功功率理論算法時還需針對單相電路作相應(yīng)的三相改進(jìn)，即將檢測單相電流作為虛擬三相電流的a相，再分別延時120°和240°構(gòu)成b相和c相電流。檢測算法確定后，控制系統(tǒng)根據(jù)電流檢測得到的指令電流信號，合理地控制逆變器開關(guān)器件的動作，使實際輸出補(bǔ)償電流能實時跟隨指令電流，是確保系統(tǒng)性能和效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)方式，即直流側(cè)電壓外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)輸出電流控制。電壓外環(huán)采用成熟的PI控制，電流內(nèi)環(huán)控制策略選取尤為關(guān)鍵。常用的控制方案包括滯環(huán)控制、單周控制、重復(fù)控制等。

2.1 PI控制分析

PI控制是控制領(lǐng)域比較有效和成熟的方法，由比例和積分2個環(huán)節(jié)構(gòu)成。PI控制原理是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分計算控制量進(jìn)行控制。PI原理框圖見圖2。其控制規(guī)律為［4］:

其中:KP為比例系數(shù);KI為積分系數(shù)。經(jīng)離散化后得到數(shù)字PI的表達(dá)式:

PI控制效果由系數(shù)KP和KI決定。比例系數(shù)KP選取過大，則系統(tǒng)偏差響應(yīng)快，不穩(wěn)定;選取過小系統(tǒng)較穩(wěn)定但靜差較大。積分系數(shù)KI選取小有利于積分作用加強(qiáng)，容易消除靜差;但過小使得積分作用太強(qiáng)，被控參數(shù)振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。反之，KI選取過大，積分作用太弱，靜差消除很慢。

2.2 RP控制分析

重復(fù)控制(Repetitive Control，RP)來源于控制理論中的內(nèi)模原理?？刂圃硎窃谙到y(tǒng)周期不變的前提下將上一周期的控制誤差應(yīng)用到當(dāng)前控制量的生成中，適合周期性信號的跟蹤或抑制。

圖2 PI控制原理框圖Fig.2 Block diagram with principium of PI control

圖3的RP控制原理框圖中，低通濾波器Q(z)可簡單取為小于1的常數(shù)，它與周期延遲環(huán)節(jié)z－N串聯(lián)構(gòu)成RP的內(nèi)模部分，消除N個開環(huán)極點，使開環(huán)系統(tǒng)不呈現(xiàn)臨界振蕩狀態(tài)，同時，z－N使控制動作延遲1個基波周期。當(dāng)假定指令和擾動都是重復(fù)性時，系統(tǒng)下1個周期的控制作用將具有一定超前性。補(bǔ)償器S(z)針對對象GP(z)的特性而設(shè)置，通過在前1周期獲取的誤差信息在1個周期后給出恰當(dāng)?shù)南辔缓头档目刂屏浚缘窒`差［5］。

圖3 RP控制原理框圖Fig.3 Block diagram with principium of RP control

2.3 PI-RP復(fù)合控制策略

艦船電網(wǎng)及負(fù)載設(shè)備在動態(tài)響應(yīng)性能和穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度上對APF系統(tǒng)均有所要求。PI控制易于操作、魯棒性好，但積分增加開環(huán)增益，降低穩(wěn)態(tài)精度，離散量化誤差也影響了穩(wěn)定性;RP控制雖然動態(tài)性能差，但無靜差控制的穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)良，尤其適合穩(wěn)態(tài)周期性諧波信號的抑制。因此提出基于PI-RP的復(fù)合控制策略，PI控制和RP控制并聯(lián)協(xié)調(diào)工作，既利用PI控制的快速響應(yīng)特性保證系統(tǒng)的動態(tài)性能，又利用重復(fù)控制來提高穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的補(bǔ)償精度。

PI-RP復(fù)合控制原理框圖如圖4所示，由PI控制和RP控制并聯(lián)組成。PI控制對輸出諧波指令誤差進(jìn)行實時調(diào)整，改善船用單相APF系統(tǒng)的動態(tài)性能;RP控制用來消除系統(tǒng)的周期性跟蹤誤差，改善單相APF系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度。PI控制和RP控制并聯(lián)在系統(tǒng)的前向通道，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的跟蹤誤差小，PI控制作用很小，主要由RP控制發(fā)揮作用;當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)大的擾動時，跟蹤誤差突然變大，PI控制跟蹤誤差突變并立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，而RP控制存在1個工頻周期的延時，在1個工頻周期內(nèi)無法產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，1個周期過后，RP控制調(diào)節(jié)跟蹤誤差按衰減因子迅速減小，PI控制的調(diào)節(jié)作用隨之減弱，直至系統(tǒng)達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)［6］。

圖4 PI-RP復(fù)合控制原理框圖Fig.4 Block diagram with principium of PI-RP compound control

根據(jù)復(fù)合控制原理框圖，可得到跟蹤誤差與給定的關(guān)系:

由式(4)得到復(fù)合控制系統(tǒng)特征方程:

3 仿真分析

3.1 仿真模型

Simulink是MATLAB軟件的一個實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真與分析的仿真集成環(huán)境工具包。在系統(tǒng)設(shè)計中預(yù)先進(jìn)行仿真和分析，可對系統(tǒng)實時修正或按照仿真的最佳結(jié)果調(diào)試參數(shù)，減少實際系統(tǒng)設(shè)計的時間［7］。為了驗證理論分析的正確性和可行性，利用MATLAB/Simulink強(qiáng)大的數(shù)學(xué)模塊建立了基于PI-RP控制策略船用單相APF的系統(tǒng)仿真模型，見圖5。

船用單相APF系統(tǒng)模型電制為單相220 V、50 Hz，選取直流側(cè)電壓 Udc=400 V，直流側(cè)電容Cdc=20 mF，交流測電感L=0.6 mH，開關(guān)頻率12 kHz，交流側(cè)配置濾波器用于濾除開關(guān)頻率及其他高頻諧波分量，非線性負(fù)載由單相不控整流橋接串聯(lián)RL模擬。

圖5 APF系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of APF system

3.2 仿真結(jié)果

圖6～圖8是單相APF系統(tǒng)模型穩(wěn)態(tài)仿真后0.7～0.8 s時間內(nèi)的負(fù)載側(cè)電流IL、補(bǔ)償電流Ic和源側(cè)電流Is波形。

從圖6～圖8的仿真數(shù)據(jù)可以看到，電路中單相APF實時檢測運(yùn)算并控制輸出補(bǔ)償電流，電流補(bǔ)償后不規(guī)則的負(fù)載波形修正成基本標(biāo)準(zhǔn)的正弦形式波形，源側(cè)電流波形質(zhì)量得到明顯的改善。

圖9是負(fù)載側(cè)電流和源側(cè)電流3～13次諧波的頻譜對比?？梢钥吹?，非線性負(fù)載側(cè)電流得到單相APF補(bǔ)償后，各次諧波均得到有效濾除，諧波含量明顯下降，3次諧波含量由19.12%降至 0.78%，5次由11.53%降至0.78%，各單次諧波含量均滿足相關(guān)國軍標(biāo)中關(guān)于單次諧波含量小于3%的要求;總電流波形畸變率(THD)也有明顯下降，從25.45%降至4.28%，滿足相關(guān)國軍標(biāo)中關(guān)于THD小于5%的要求。

為驗證PI-RP復(fù)合控制策略下船用單相APF的動態(tài)響應(yīng)特性，修改Simulink模型程序，仿真運(yùn)行過程中負(fù)載突變過程的系統(tǒng)響應(yīng)情況，在0.54 s和0.7 s時分別模擬負(fù)載啟動和停機(jī)。仿真結(jié)果如圖10～11所示。從仿真圖上可以看出，負(fù)載突變時，PI-RP控制能迅速響應(yīng)，在很短時間內(nèi)諧波補(bǔ)償指令恢復(fù)正常，實現(xiàn)有效諧波補(bǔ)償和抑制的功效。

4 結(jié)語

本文提出和設(shè)計了基于PI-RP復(fù)合控制策略的船用單相APF，并通過MATLAB/Simulink建模和仿真實驗驗證了復(fù)合控制策略穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應(yīng)快，補(bǔ)償性能良好。單相APF對艦船電網(wǎng)負(fù)載側(cè)引起的諧波電流能有效抑制和濾除，具有一定工程適用性，將能成為艦船諧波干擾抑制和艦船總體電磁兼容設(shè)計及控制的有力工具。

［1］姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器——結(jié)構(gòu)·原理·控制［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［2］AKAGI H.New trends in active filter for power conditioning［J］.IEEE Trans on Industry Applications，1996，32(6):1312－1322.

［3］謝少輝，楊淑英.基于瞬時無功功率理論諧波檢測方法的研究［J］.電力科學(xué)與工程，2010，26(2):22－27.XIE Shao-hui，YANG Shu-ying.Research on measurement methods for detecting harmonics based on instantaneous reactive power theory［J］.Electric Power Science and Engineering，2010，26(2):22 －27.

［4］萬百五，韓崇昭，蔡遠(yuǎn)利.控制論——概念、方法與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［5］張樹全，戴珂，李直.單相并聯(lián)型有源電力濾波器電流復(fù)合控制［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(3):22 －24.ZHANG Shu-quan，DAI Ke，LI Zhi.Current compound control strategy for sing-phase shunt active power filter［J］.Power Electronics，2010，44(3):22 －24.

［6］陳玉慶，武玉強(qiáng)，蔡彬.基于電流環(huán)復(fù)合控制的有源電力濾波器［J］.電力自動化設(shè)備，2009，29(10):43 －49.CHEN Yu-qing，WU Yu-qiang，CAI Bin.Active power filter based on compound control of current loop［J］.Electric Power Automation Equipment，2009，29(10):43 －49.

［7］張國友，郭小程.基于Matlab對直流脈沖發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的建模仿真［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(3):135 －138.ZHANG Guo-you， GUO Xiao-cheng.Modeling and simulation of DC pulse dynamo system based on matlab［J］.Ship Science and Technology，2009，31(3):135 －138.