PID控制在并聯(lián)型有源電力濾波器中的有效性研究

◎吳 萍

技術(shù)與應(yīng)用

PID控制在并聯(lián)型有源電力濾波器中的有效性研究

◎吳 萍

（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 三門(mén)峽 472000）

對(duì)比分析了PI及PID控制器各自的特點(diǎn)及幅頻特性。利用PSCAD仿真軟件，對(duì)PID控制器在APF中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，得到了其在電流源負(fù)載情況下的濾波效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：通過(guò)合理調(diào)節(jié)PID控制器比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，可使系統(tǒng)獲得較高的穩(wěn)態(tài)性能和較好的動(dòng)態(tài)特性，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)它在濾除特定頻次諧波的同時(shí)放大了其他頻次的諧波電流。

PID控制；有源電力濾波器；諧波抑制

為保障電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行，確保設(shè)備正常工作，必須進(jìn)行諧波治理。諧波污染主要源于非線性用電設(shè)備和電力電子設(shè)備的廣泛采用產(chǎn)生的大量諧波電流和無(wú)功電流[1-2]。有源電力濾波器APF(Active Power Filter)是抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功、補(bǔ)償負(fù)序電流和零序電流、提高電能質(zhì)量的有力措施之一，與傳統(tǒng)的無(wú)源電力濾波器PPF(Passive Power Filter)相比，它能實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)諧波電流與頻率的變化，實(shí)施動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的補(bǔ)償，且結(jié)構(gòu)輕巧，運(yùn)行靈活，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景。國(guó)外一些國(guó)家已將APF作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)和措施運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)，但APF在國(guó)內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用尚不成熟，還有許多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究與解決。

控制策略是APF正常運(yùn)行的重要保障，它直接影響APF的補(bǔ)償精度與動(dòng)態(tài)特性。PI控制器能較好地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，但不宜應(yīng)用于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)。通過(guò)合理調(diào)節(jié)PID控制器比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，可使系統(tǒng)獲得較高的穩(wěn)態(tài)性能和較好的動(dòng)態(tài)特性。

1 并聯(lián)型APF的基本構(gòu)成

由文獻(xiàn)[3、4]可知，APF的基本構(gòu)成主要包括主電路、諧波檢測(cè)、控制系統(tǒng)、耦合變壓器等。其主電路由VSI以及輸出濾波器組成。APF主電路中的變流器既可以工作于逆變狀態(tài)，產(chǎn)生補(bǔ)償電流；也可以工作于整流狀態(tài)，通過(guò)電網(wǎng)向APF直流側(cè)充電儲(chǔ)能，為便于研究和保證通用性，這里統(tǒng)稱(chēng)其為電壓源逆變器(Voltage Source Inverter，VSI)。VSI主要由兩部分組成[3]，即電力電子開(kāi)關(guān)器件IGBT和直流側(cè)電容器C，IGBT組成的三相六臂逆變橋的作用是將電容器上的直流電壓逆變?yōu)榫哂幸欢l率和幅值的交流電壓。輸出濾波器OF環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)將VSI與電網(wǎng)耦合在一起，同時(shí)可以濾除VSI輸出電流中的高次諧波電流。

（1）諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)

諧波檢測(cè)主要由CT、預(yù)處理環(huán)節(jié)、PT、采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換等部分構(gòu)成。

（2）控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流信號(hào)的檢測(cè)、參考電流計(jì)算、控制方法實(shí)現(xiàn)和PWM調(diào)制幾個(gè)環(huán)節(jié)[3]，如圖2所示。

由控制算法對(duì)電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，按照檢測(cè)結(jié)果用一定控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，之后，APF的變流器經(jīng)主開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路控制產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。APF的控制系統(tǒng)有模擬控制、數(shù)字控制、模擬數(shù)字混合控制三種類(lèi)型。近年來(lái)，隨著單片機(jī)和DSP技術(shù)日趨發(fā)展，APF由模擬控制逐步向模數(shù)混合控制以及純數(shù)字控制轉(zhuǎn)換。

（3）主電路

APF的主電路按照結(jié)構(gòu)不同，一般可分為三相三線制和三相四線制兩種，同時(shí)這兩種結(jié)構(gòu)中又包含許多其他的結(jié)構(gòu)[4]，應(yīng)用時(shí)，可結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況以及不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，靈活選用。

（4）耦合變壓器

對(duì)10kV及以上電力系統(tǒng)，受現(xiàn)有開(kāi)關(guān)器件電壓與電流容量的限制，逆變器的電壓和電流一般經(jīng)耦合變壓器接入電力系統(tǒng)中，而非直接接入。耦合變壓器可使電網(wǎng)與APF絕緣隔離，還可以充分利用開(kāi)關(guān)器件的容量，靈活改變逆變器的輸出電流和電壓；但同時(shí)，它也有諸如工作頻帶較寬、鐵芯結(jié)構(gòu)特殊、繞組接法復(fù)雜、漏抗要求較高等缺點(diǎn)。

圖1 APF的諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)原理

圖2 APF的控制系統(tǒng)原理

2 PI、PID控制的原理分析

2.1 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

據(jù)此可得APF電流跟蹤控制系統(tǒng) （如圖4）所示。

圖4中，G1（s）可以是上述PI或PID環(huán)節(jié)。G2（s）表示PWM變換器的等效控制框圖，因PWM開(kāi)關(guān)頻率比較高，忽略采樣延遲以便于分析，如此一來(lái)，PWM變換器用簡(jiǎn)單的增益環(huán)節(jié)等效，即G2（s）=KPWM。圖中，L表示PWM輸出電感，R表示L的等效內(nèi)阻。在計(jì)算中，取R=0.01Ω，L=0.4mH。APF電流跟蹤控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖3 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 APF電流跟蹤控制系統(tǒng)

在下面的計(jì)算中令G2(s)=KPWM=1。

同時(shí)可得APF電流跟蹤控制系統(tǒng)的單位負(fù)反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)GAPFc為：

2.2 開(kāi)環(huán)特性分析

采用 PI環(huán)節(jié)時(shí)，G1（s）=Gpi（s）=Kp+Ki/s=0.1+1/（0.000008s），

G1（s）=GPID（s）=GPI（s）*GPD（s），GAPF（s）=1用MATLAB仿真得到兩者相應(yīng)的Bode圖如圖5所示，其中g(shù)apf曲線為PI環(huán)節(jié)，gapf1為PID環(huán)節(jié)。

圖5 采用PI和PID環(huán)節(jié)時(shí)的開(kāi)環(huán)傳函Bode

對(duì)比可知：PI控制的相角裕量接近0度，PID控制的相角裕量約39度，因此PID控制的相角裕量更大，穩(wěn)定性更好；PI控制對(duì)參考電流的增益最大可至130，PID控制對(duì)參考電流的增益最大可達(dá)150，它們?cè)跒V除特定頻次諧波的同時(shí)放大了其他頻次的諧波電流，這是濾波控制中不希望出現(xiàn)的結(jié)果。

2.3 閉環(huán)特性分析

由圖4可得APF電流跟蹤控制器的單位負(fù)反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)GAPFc為：

下表給出了圖4所示的APF中分別采用PI、PID控制的閉環(huán)傳函暫態(tài)特性仿真試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)比可知：采用PI控制時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為0.598s，暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡時(shí)間為0.052s，暫態(tài)過(guò)程中電流曲線上升陡度較大。采用PID控制時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為0.576s，暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡時(shí)間為0.029s，暫態(tài)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間以及暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡時(shí)間都比PI控制更短，其暫態(tài)性能優(yōu)于PI控制，但暫態(tài)過(guò)程中電流曲線上升陡度仍然較大。

PI、PID控制的閉環(huán)傳函暫態(tài)特性參數(shù)表

3 PI、PID控制在APF中的應(yīng)用仿真

假設(shè)APF的非線性負(fù)載為一個(gè)理想電流源，電流源是幅值為定值的5次諧波電流。此時(shí)APF的電路原理圖如圖6所示，其傳遞函數(shù)原理框圖如圖7。

圖 7 中，G1（s）可以是 PI或 PID 控制環(huán)節(jié)，下面對(duì)各環(huán)節(jié)濾除幅值為300A的5次諧波電流的效果分別進(jìn)行仿真。

下圖8、圖9分別為PI和PID控制時(shí)的濾波效果。

PI控制下的5次諧波電流幅值為13.5537A，圖中參考電流波形曲線Iref2a與APF輸出電流波形曲線Iapf重合度較低，即輸出電流不能較好地跟蹤參考電流的變化，諧波吸收率較低。

PID控制下的5次諧波電流幅值為13.1107A，圖中參考電流波形曲線Iref1a與APF輸出電流波形曲線Iapf重合度相對(duì)也較低，諧波電流的補(bǔ)償效果優(yōu)于PI控制，但也不夠理想。

圖6 電流源負(fù)載的APF結(jié)構(gòu)原理

圖7 電流源負(fù)載的APF原理

圖8 PI控制的濾波效果

圖9 PID控制的濾波效果

4 結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理調(diào)節(jié)PID控制器比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù)，可使系統(tǒng)獲得較高的穩(wěn)態(tài)性能和較好的動(dòng)態(tài)特性，是APF中可行的控制策略。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)它在濾除特定頻次諧波的同時(shí)放大了其他頻次的諧波電流，這在濾波中是不希望出現(xiàn)的，我們將進(jìn)一步試驗(yàn)調(diào)節(jié)PID控制器的各項(xiàng)參數(shù)、或嘗試其他的控制方式，以進(jìn)一步提高其控制精度，得到更加理想的濾波效果。

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TM712

B

1671-9123（2017）03-0133-04

2017-06-26

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15B470005）

吳萍（1982-），女，河南商丘人，三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院講師。

（責(zé)任編輯 卞建寧）