有源濾波器的改進(jìn)開閉環(huán)迭代電流控制

張 瑩，吳敬兵

(1．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院東院軌道交通系，湖南 株洲412001; 2．福建省電力有限公司福州電業(yè)局，福建 福州350009)

有源濾波器的改進(jìn)開閉環(huán)迭代電流控制

張 瑩1，吳敬兵2

(1．湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院東院軌道交通系，湖南 株洲412001; 2．福建省電力有限公司福州電業(yè)局，福建 福州350009)

開環(huán)迭代控制已被應(yīng)用于濾波器系統(tǒng)，但在利用諧波電流誤差信息方面存在著不足，影響了濾波器的性能。為了改善濾波器濾波效果，本文提出一種改進(jìn)的開閉環(huán)迭代電流控制方法，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外得到了該方法在濾波器中應(yīng)用的收斂性條件分析。開閉環(huán)迭代電流控制器的當(dāng)前輸出信號由前一次迭代時(shí)的輸出信號及電流誤差和當(dāng)前次迭代時(shí)電流誤差信號組合而成，其充分利用了諧波電流誤差信息，修正了開環(huán)迭代控制算法在濾波器中應(yīng)用的不足。所提開閉環(huán)迭代控制器結(jié)構(gòu)簡單，采用了Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，優(yōu)化了控制器性能，系統(tǒng)具備較好的抑制電網(wǎng)諧波的能力，電流穩(wěn)態(tài)控制誤差較小。最后，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

有源濾波器;開閉環(huán)迭代控制;收斂;Hebb規(guī)則

1 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些非線性負(fù)載在電力系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，電力系統(tǒng)的諧波污染變得日趨嚴(yán)重，對電網(wǎng)環(huán)境造成了污染［1，2］。目前，有源電力濾波器作為一種動態(tài)諧波治理裝置，能夠獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償效果，是目前治理諧波的重要發(fā)展方向［3-10］。

PI控制作為一種傳統(tǒng)方法，應(yīng)用在有源電力濾波器中取得了一些效果，但存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差，無法滿足目前電網(wǎng)諧波的濾除要求。近年來，迭代學(xué)習(xí)控制由于簡單有效而受到廣泛重視。文獻(xiàn)［11］介紹迭代學(xué)習(xí)控制律一般分為開環(huán)迭代學(xué)習(xí)律、閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)律及開閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)律三種。所謂開環(huán)迭代控制［12］即指控制器輸出是由前一次迭代的控制輸出及前一次迭代時(shí)的誤差信號 en－1(t)組合而成，該概念有別于傳統(tǒng)意義上的開環(huán)控制方法;閉環(huán)迭代控制是指控制輸出由前一次迭代的控制器輸出及當(dāng)前次迭代時(shí)的誤差信號en(t)組合而成;開閉環(huán)迭代控制則是綜合了當(dāng)前誤差信號en(t)及前一次的誤差信號 en－1(t)，與前述的開環(huán)、閉環(huán)迭代控制律相比，開閉環(huán)迭代控制更能充分利用系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)信息，有助于提高系統(tǒng)的性能［11］。目前，迭代學(xué)習(xí)控制已被應(yīng)用于有源濾波器，以濾除具有周期性特點(diǎn)的電網(wǎng)諧波電流。文獻(xiàn)［13］提出了一種有源濾波器的迭代控制算法，屬于開環(huán)迭代控制。文獻(xiàn)［14］將迭代控制和PI控制器并聯(lián)用于并聯(lián)型有源電力濾波器以輸出電流波形控制。文獻(xiàn)［15］提出一種改進(jìn)的濾波器迭代電流控制方法，屬于開環(huán)迭代控制。濾波器系統(tǒng)采用上述開環(huán)迭代控制方法后取得了一定的濾波效果，然而它們在利用系統(tǒng)信息上存在不足。因此，為了提高濾波器的性能，研究關(guān)于有源濾波器的開閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制方法具有重要的意義。

本文提出一種改進(jìn)的開閉環(huán)迭代電流控制方法，將其應(yīng)用于混合有源電力濾波器以改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，并得到其應(yīng)用的收斂性條件。電流控制器由開環(huán)迭代控制和閉環(huán)迭代控制構(gòu)成，其控制輸出綜合了當(dāng)前的諧波電流誤差信號及前次迭代時(shí)的電流誤差信號，充分利用了濾波器系統(tǒng)的諧波電流信息。采用了Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則對控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，優(yōu)化了控制器的性能，使得系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)態(tài)控制效果，穩(wěn)態(tài)控制誤差較小。

2 混合有源濾波器的結(jié)構(gòu)

圖1為混合有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中電壓型逆變器作為混合濾波器的有源部分，有源部分經(jīng)過輸出濾波器及變壓器后與無源濾波器組并聯(lián)接入電網(wǎng)。圖1中，us表示電源電壓;Rs和Ls表示電網(wǎng)的等效阻抗和感抗;電感L0與電容C0構(gòu)成輸出濾波器;電阻R5、電感 L5與電容 C5構(gòu)成五次無源濾波器;電阻R7、電感 L7與電容 C7構(gòu)成七次無源濾波器;LR、CR和R構(gòu)成二階高通濾波器。

圖1 混合有源電力濾波器結(jié)構(gòu)Fig．1 Configuration of hybrid active power filter

3 有源濾波器的電流控制方法

如圖2所示，為有源電力濾波器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，控制器由神經(jīng)元開環(huán)迭代控制和閉環(huán)迭代控制構(gòu)成，第n次迭代時(shí)的諧波電流誤差 En(s)作為閉環(huán)迭代控制器的輸入，而第n－1次迭代時(shí)的諧波電流誤差En－1(s)作為開環(huán)迭代控制器的輸入。圖2中，En(s)表示為，其中、I(s)分別表示第 n次迭代時(shí)的電網(wǎng)諧波電

cn流及逆變器輸出電流;e－sT表示迭代周期的延時(shí)算子;Gopen(s)表示神經(jīng)元開環(huán)迭代控制算法對應(yīng)的傳遞函數(shù)，Gclosed(s)表示神經(jīng)元閉環(huán)迭代控制對應(yīng)的傳遞函數(shù);u(1)(s)、u(2)(s)分別表示開環(huán)迭代控制器及閉環(huán)迭代控制器的輸出;un(s)表示第n次迭代時(shí)開閉環(huán)迭代控制器的輸出信號;Ginv(s)為逆變器對應(yīng)的傳遞函數(shù);Gout(s)為逆變器輸出電壓與輸出電流間的傳遞函數(shù)。

3.1 改進(jìn)開閉環(huán)迭代電流控制方法

文獻(xiàn)［11］介紹了開環(huán)迭代控制方法，即利用系統(tǒng)過去運(yùn)行信息修正被控對象當(dāng)前控制輸入的學(xué)習(xí)控制方法，有別于傳統(tǒng)意義上的開環(huán)控制。因此，在濾波器中開環(huán)迭代控制是以前一次迭代時(shí)的諧波電流誤差信號En－1(s)為輸入信號的，其表達(dá)式為［12］:

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．2 Configuration of control system

式中，lP、lI分別為開環(huán)迭代控制器比例、積分系數(shù)。

如圖3為神經(jīng)元開環(huán)迭代控制框圖，所提控制器結(jié)構(gòu)簡單，魯棒性好，且可以采用Hebb規(guī)則對控制器參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，易于實(shí)現(xiàn)。參數(shù)調(diào)整算法見文獻(xiàn)［16］，在此不再贅述。圖3中，K為神經(jīng)元比例系數(shù)，其值隨著諧波電流誤差En(s)的變化而取定:

圖3 神經(jīng)元開環(huán)迭代控制Fig．3 Neuron open-loop iterative control

圖3中，神經(jīng)元開環(huán)迭代控制表達(dá)為

式中，β為介于0與1之間的常數(shù);Lp1、LI1分別表示神經(jīng)元開環(huán)迭代控制器的比例、積分系數(shù);開環(huán)迭代控制器輸出可另記為

結(jié)合式(5)和式 (6)，可以得到神經(jīng)元開環(huán)迭代控制算法對應(yīng)的傳遞函數(shù)為

為了提高濾波器系統(tǒng)的抗干擾能力［11］，改善濾波器控制性能，提出在神經(jīng)元開環(huán)迭代控制基礎(chǔ)上加入神經(jīng)元閉環(huán)迭代控制，構(gòu)成改進(jìn)開閉環(huán)迭代電流控制策略。如圖4為神經(jīng)元閉環(huán)迭代控制框圖，控制器以第n次迭代時(shí)的諧波電流誤差信號En(s)作為控制輸入。

圖4 神經(jīng)元閉環(huán)迭代控制Fig．4 Neuron closed-loop iterative control

圖4中，神經(jīng)元閉環(huán)迭代控制表示為

其中，LP2、LI2分別表示閉環(huán)控制器的比例、積分系數(shù)。u(2)(s)表示閉環(huán)控制器的輸出，且記

結(jié)合式(10)和式(11)，可以得到神經(jīng)元閉環(huán)迭代控制算法對應(yīng)的傳遞函數(shù)，為

結(jié)合圖2、式(3)～式(6)、式(8) ～式(11)，可以得到改進(jìn)開閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制算法，如下:

從式(13)可見，與開環(huán)迭代控制相比，所提算法充分利用了諧波電流誤差信息En－1(s)和En(s)，有助于提高系統(tǒng)的性能。所提方法不需要過多的硬件實(shí)施條件，易于實(shí)現(xiàn)。

3.2 開閉環(huán)迭代控制算法的收斂性條件

根據(jù)圖2，可以得到如下等式:

歸納式(14)，可以得到:

對于式(15)，如果在無窮范數(shù)定義下有如下不等式成立，那么算法(13)是收斂的。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在混合有源電力濾波器中，對開閉環(huán)迭代電流控制方法進(jìn)行仿真研究，并與傳統(tǒng) PI控制效果比較。系統(tǒng)仿真參數(shù)為:控制器參數(shù) β=0.2;神經(jīng)元調(diào)整算法的參數(shù)根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果取定，比例參數(shù)的學(xué)習(xí)率為0.21，積分參數(shù)的學(xué)習(xí)率為0.67，衰減速度為 0.5;電源電壓 380V，頻率50Hz;三相整流橋帶阻感模擬非線性負(fù)載，其中阻感等效阻抗為 5.2Ω、3mH;電網(wǎng)等效阻抗為0.005Ω、1mH;輸出濾波電感為0.5mH，輸出濾波電容為24μF;0.2Ω、3.86mH及95μF構(gòu)成五次無源濾波器;0.36Ω、4.87mH及42μF構(gòu)成七次無源濾波器;1.56mH、25μF及7.49Ω構(gòu)成高通濾波器。

圖5(a)為應(yīng)用所提開閉環(huán)迭代控制方法的動態(tài)補(bǔ)償效果，圖5(b)為采用傳統(tǒng)控制方法的動態(tài)補(bǔ)償效果，其中IL為補(bǔ)償前的電網(wǎng)電流，Is為補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流。從圖5(a)可以看出，當(dāng)?shù)?.1s投入有源電力濾波器后，大概經(jīng)過2.5個(gè)時(shí)間周期電網(wǎng)電流調(diào)節(jié)到穩(wěn)定狀態(tài);而在圖5(b)中，電網(wǎng)電流大概需經(jīng)過4.1個(gè)時(shí)間周期才慢慢趨于穩(wěn)定，且調(diào)節(jié)后的電網(wǎng)電流存在著尖峰。

圖5 電流動態(tài)補(bǔ)償效果對比Fig．5 Comparison of dynamic current waveforms

圖6(a)、圖6(b)分別為采用本文控制方法及傳統(tǒng)控制方法的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償效果。從圖6可以看出，采用本文控制方法治理后的電網(wǎng)電流波形更接近于正弦，諧波含量更低。

圖6 電流穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償效果對比Fig．6 Comparison of steady current waveforms

為進(jìn)一步驗(yàn)證開閉環(huán)迭代控制方法的可行性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，系統(tǒng)參數(shù)與仿真一致。圖7(a)、圖7(b)分別是治理前及治理后的電網(wǎng)電流波形，由于混合有源濾波器的投入，治理后的波形較治理前有了很大改善，電網(wǎng)電流中的5次、7次、11次、13次諧波含量分別從22.7%、10.9%、9.1%、7.1%降低到0.6%、0.4%、0.2%、0.2%。

圖7 治理前后的波形對比Fig．7 Comparison experimental waveforms of source current

5 結(jié)論

本文針對混合有源電力濾波器提出了一種改進(jìn)的開閉環(huán)迭代電流控制新方法，修正了傳統(tǒng)開環(huán)迭代控制方法的不足，得到了所提方法在濾波器中應(yīng)用的收斂性條件，較傳統(tǒng)開環(huán)迭代控制不需要過多的硬件實(shí)施條件。采用Hebb規(guī)則在線調(diào)整了控制器參數(shù)，提高了濾波器的控制性能，系統(tǒng)具備較好的抑制電網(wǎng)諧波的能力。最后，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明其應(yīng)用效果要優(yōu)于傳統(tǒng)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，F(xiàn)ujian Electric Power Co．LTD．，F(xiàn)uzhou 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

張 瑩 (1971-)，女，河北籍，副教授，工程碩士，主要研究電力電子技術(shù)及綠色能源技術(shù);吳敬兵 (1982-)，男，湖北籍，工程師，博士，主要從事于配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)及電能質(zhì)量技術(shù)研究。