重復(fù)控制在有源電力濾波器中的應(yīng)用研究

【摘 要】本文主要對(duì)當(dāng)前我國(guó)有源電力濾波器、數(shù)字控制技術(shù)、重復(fù)控制技術(shù)等進(jìn)行了深入的探討和分析，并且重點(diǎn)對(duì)重復(fù)控制技術(shù)在有源電力濾波器中的應(yīng)用加以詳細(xì)闡述。希望今后重復(fù)控制技術(shù)應(yīng)用在有源電力濾波器中取得突破性的進(jìn)展。

【關(guān)鍵詞】重復(fù)控制；有源電力濾波器；應(yīng)用

0.前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得電子裝置應(yīng)用越來(lái)越普遍。對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，大部分電子裝置都是非線(xiàn)性負(fù)載，因此成為電網(wǎng)的諧波源，這使得諧波電流對(duì)電網(wǎng)的影響程度越來(lái)越嚴(yán)重，既降低了正常供電質(zhì)量，又有可能影響到電網(wǎng)運(yùn)行的安全。然而，為進(jìn)一步提高供電質(zhì)量，我們常常會(huì)選用有源電力濾波器用于補(bǔ)償非線(xiàn)性負(fù)載電子裝置產(chǎn)生的諧波電流，從而大大減少諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響。

1.當(dāng)前我國(guó)有源電力濾波器的發(fā)展

有源電力濾波器英文簡(jiǎn)寫(xiě)成APF。在最近幾十年，由于科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得市場(chǎng)中出現(xiàn)了很多種類(lèi)有源電力濾波器，其中，大多數(shù)都已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。對(duì)于有源電力濾波器的分類(lèi)可以從多個(gè)角度來(lái)分析，我們通常是分為兩類(lèi)，也就是說(shuō)直流濾波器與交流濾波器。但是，當(dāng)前研究與應(yīng)用最多的電力濾波器主要為交流式的。在最近幾年，對(duì)有源電力濾波器的研究正逐漸深入。由于APF使用者與使用目的不相同，因此，其安裝的位置也有很大的不同。例如：?jiǎn)为?dú)使用者在非線(xiàn)性負(fù)載周?chē)惭bAPE時(shí)，主要是用來(lái)補(bǔ)償受諧波影響而造成的電流不平衡；如果是電站使用者在非線(xiàn)性負(fù)載附近安裝APF時(shí)，主要是用來(lái)補(bǔ)償電壓諧波的不平衡，這樣一來(lái)，可以有效減少電網(wǎng)中電流的擴(kuò)散，切實(shí)提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量。然而，在安裝和使用APF時(shí)，必須是由供電企業(yè)實(shí)施統(tǒng)一規(guī)劃和管理。

一般來(lái)說(shuō)，有源電力濾波器功率電路主要有兩種，即電壓型變流器與電流型變流器。其中，電流型變流器的可靠性是非常高的，然而，此種類(lèi)型的變流器損耗也是較高的，并且需要較大數(shù)值的電感，這樣一來(lái)，又會(huì)使電流器的應(yīng)用嚴(yán)重受阻。對(duì)于電壓型變流器來(lái)說(shuō)，既造價(jià)低，而且體積又小，工作效率非常高，因此，應(yīng)用非常的廣泛?，F(xiàn)如今，西方發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的APF產(chǎn)品大多數(shù)都是采用電壓型變流器為主電路。

2.數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

數(shù)字控制技術(shù)的高速性、多功能化是多種復(fù)雜波形控制方案實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)如今，市場(chǎng)中的各種電子裝置的控制電路都逐漸從模擬控制向數(shù)字控制發(fā)生轉(zhuǎn)變，可以說(shuō)，這次轉(zhuǎn)變是硬件技術(shù)的一次重大變大。事實(shí)上，數(shù)字控制比模擬控制更具有優(yōu)越性，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，電路耗能元件數(shù)量較少，并且電路設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)單又通用性較強(qiáng)，這樣一來(lái)，既降低了控制系統(tǒng)的成本，又提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，并且更有利于檢修電路。第二，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜控制算法，可以大大提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性能。第三，利用數(shù)字通信端口，實(shí)現(xiàn)電子裝置的無(wú)人看守和監(jiān)控。

3.重復(fù)控制技術(shù)的研究

以往PI控制在恒值過(guò)程中，表現(xiàn)出很好的效果，能夠?qū)崿F(xiàn)指令信號(hào)無(wú)靜差跟蹤，如果是交變信號(hào)，因PI特性的影響，不會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)交變信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，由此看來(lái)，在使用有源電力濾波器進(jìn)行控制后，PI變得無(wú)能為力。然而，重復(fù)控制技術(shù)通過(guò)對(duì)信號(hào)的重復(fù)性逐步修正輸出電壓，這樣一來(lái)，控制系統(tǒng)完全不需要采集多個(gè)變量，也不需要對(duì)速度進(jìn)行控制，并且算法選用也比較簡(jiǎn)單，就會(huì)得到較高的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。也就是說(shuō)，重復(fù)控制激素和可以滿(mǎn)足大部分應(yīng)用場(chǎng)合性能要求，所以，重復(fù)控制技術(shù)成為高性?xún)r(jià)比的最佳方案。

4.重復(fù)控制在有源電力濾波器中的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)幾十年的研究發(fā)得出，我國(guó)的研究學(xué)者提出了很多種類(lèi)的PWM逆變器波形控制方案。然而，在所有方案里，有很高性?xún)r(jià)比，并且也能夠更好的應(yīng)用在普通產(chǎn)品中方案是非常少的。造成這一現(xiàn)象的原因有兩方面：一方面，有些方案并不是非常成熟，到目前為止還沒(méi)有被采納；另一方面，大多數(shù)控制方案利用系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)切實(shí)提高系統(tǒng)的抗干擾特性，減少擾動(dòng)因素對(duì)電壓波形所產(chǎn)生的影響。從整體上來(lái)看，此種做法的效果是非?？捎^的。但是，通過(guò)提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能來(lái)改善波形質(zhì)量的方式，會(huì)大大增加系統(tǒng)軟硬件的消耗。所以，對(duì)那些普通的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，對(duì)系統(tǒng)性能的要求主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)上，然而，對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求考慮和分析則是次要的。

5.數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成與控制要求

事實(shí)上，數(shù)字控制系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，即硬件與軟件。其中，最為重要的變?yōu)橛布?。硬件主要包含兩部分，一部分為DSP核心板，主要用于系統(tǒng)的運(yùn)算；另一部分為外圍電路，是核心板和外部信號(hào)接口板。

近年來(lái)，隨著我國(guó)電子應(yīng)用中開(kāi)關(guān)頻率的日益提高，在數(shù)字控制系統(tǒng)中，對(duì)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制問(wèn)題的研究變得越來(lái)越重要。由于傳統(tǒng)的控制模塊不能再滿(mǎn)足逆變器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的需求。因此，我們通常會(huì)選用頻率較高，性能較好的DSP芯片。

通常來(lái)說(shuō)，核心控制算法得到的計(jì)算時(shí)間Te占據(jù)控制周期的很大一部分，因此，怎樣才能真正減少計(jì)算時(shí)間Te，是提高整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)前，主要有兩種方法。首先，借助優(yōu)化軟件算法節(jié)省計(jì)算時(shí)間Te，其中，最有效的方法便是選擇使用高性能的處理裝置。現(xiàn)如今，大多數(shù)電子裝置的數(shù)字控制系統(tǒng)核心都選用DSP芯片進(jìn)行運(yùn)算的。DSP芯片主要有兩種，即高檔定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP。其中，定點(diǎn)DSP要比浮點(diǎn)DSP在價(jià)格以及外設(shè)資源等方面占有較大的優(yōu)勢(shì)，因此，通過(guò)全面的考慮，最好選用定點(diǎn)DSP芯片。

6.數(shù)字控制系統(tǒng)的重點(diǎn)技術(shù)研究

盡管數(shù)字控制技術(shù)要比模擬控制技術(shù)在應(yīng)用上具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是，由于微處理器發(fā)展的速度非常緩慢，因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)中也出現(xiàn)了很多的問(wèn)題。問(wèn)題的出現(xiàn)在一定程度上影響了逆變器性能的發(fā)揮，以下是對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)中存在的諸多問(wèn)題探討：首先，數(shù)字的量化作用所產(chǎn)生的影響。由于微處理器的字長(zhǎng)有限，因此，對(duì)于那些超過(guò)規(guī)定位數(shù)的數(shù)據(jù)便要進(jìn)行截取或者舍入，這樣一來(lái)，數(shù)字量化輸出就會(huì)存在一定的誤差。其次，數(shù)字系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)在采用與計(jì)算等方面存在延時(shí)的現(xiàn)象，這樣一來(lái)，便直接對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性產(chǎn)生了一定的影響，與此同時(shí)，會(huì)限制逆變器出現(xiàn)最大的占空比，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的帶寬變得非常狹窄，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度逐漸變慢，甚至也會(huì)使逆變系統(tǒng)變得非常不穩(wěn)定。再次，數(shù)字零階保持產(chǎn)生的影響。其影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一方面，檢測(cè)采樣輸入信號(hào)失真，盡管在此方面作出了很多研究，但是，仍然沒(méi)有取得很大的進(jìn)展；另一方面是對(duì)控制對(duì)象的影響，會(huì)大大降低逆變器的性能。上述這些問(wèn)題急需我們采取有效的措施加以解決。

7.小結(jié)

總體來(lái)說(shuō)，近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得更多的非線(xiàn)性負(fù)載大量的接入電網(wǎng)中，這樣一來(lái)，便產(chǎn)生了大量的諧波，造成供電質(zhì)量的大幅度下降，對(duì)電子設(shè)備以及電網(wǎng)的正常運(yùn)行都帶來(lái)巨大危害?，F(xiàn)如今，補(bǔ)償諧波的方法主要選用有源電力濾波器，并且應(yīng)用重復(fù)控制技術(shù)，但是，因重復(fù)控制激素原理具有一定的局限性，因此，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不是非常穩(wěn)定，因此，必須和其它控制方法相結(jié)合。只有這樣，才能不斷優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

【參考文獻(xiàn)】

［１］緱新科，牟英，汪昶江.并聯(lián)混合型有源電力濾波器仿真分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009(17).

［２］于晶榮，滕召勝，章兢.有源電力濾波器預(yù)測(cè)電流控制及穩(wěn)定性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009(7).

［３］樂(lè)江源，張志，賴(lài)小華.三相并聯(lián)型有源電力濾波器預(yù)測(cè)直接功率控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012(5).