有源電力濾波器逆系統(tǒng)解耦控制

李博 戚松岐

摘 要：APF（Active Power Filter，有源電力濾波器）是一種抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，它可對大小和頻率都變化的諧波和無功進行補償。現(xiàn)在很多微機控制中都加入了濾波環(huán)節(jié)，但在三相abc靜止坐標系下APF的三相電流之間的強耦合，高度非線性關系使得實際補償信號與指令信號產(chǎn)生巨大誤差，嚴重影響APF的補償精度，所以本文引入逆系統(tǒng)法實現(xiàn)APF解耦。

關鍵詞：解耦控制、逆系統(tǒng)、APF

1、前言

近年來，隨著人們生活質量需求的提升，眾多電力電子器件已經(jīng)廣泛應用于各個行業(yè)，這些裝置的有著高度非線性、強耦合性和不平衡用電性等特點，將產(chǎn)生大量的諧波和無功功率，這些諧波和無功作為污染源將會注入電網(wǎng)中，對電能質量產(chǎn)生巨大影響。APF是一種新型諧波抑制和無功補償裝置，APF有對諧波、無功電流實現(xiàn)精確補償，可以補償各次諧波且不會和電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的優(yōu)點。因此，用APF來抑制和補償諧波，提高電能質量已經(jīng)成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的迫切要求。

2、 有源電力濾波器逆系統(tǒng)解耦控制

2.1 有源電力濾波器數(shù)學模型

APF是一種用于動態(tài)抑制諧波，補償無功的電力電子裝置，APF系統(tǒng)由指令電流運算電路，電流跟蹤控制電路，驅動電路和主電路幾大部分組成。三相三線APF的結構如圖一所示，其中，vsj（j=a，b，c）代表三相理想電網(wǎng)電壓，Ls為電網(wǎng)等效電感，Cj（j=a，b，c）為PPF的電容，vcj（j=a，b，c）是無源濾波器兩端的電壓，vLj（j=a，b，c）為公共連接點（point of common coupling， PCC）處的電壓，Cde，vde為直流側電容和其兩端的電壓，設電網(wǎng)電流為iSj（j=a，b，c），電網(wǎng)電壓uSj（j=a，b，c），APF流過的電流為iFj（j=a，b，c），iLj（j=a，b，c）為負載電流，S1-S6為6個開關器件IGBT。

圖一：電氣拓撲圖

2.2 逆系統(tǒng)法解耦

逆系統(tǒng)法是非線性反饋線性化法中最為經(jīng)典的一種解耦策略。逆系統(tǒng)法是一種可以于實際密切聯(lián)系的方法，在各行各業(yè)的非線性系統(tǒng)控制中都有應用，尤其在航天系統(tǒng)操控、機器人訓練、化學工業(yè)制造等領域更是起著不可替代的作用?？紤]多變量非線性模型，獲得原系統(tǒng)的逆系統(tǒng)需要以下幾步：首先，分析被控對象，判斷其是否存在逆系統(tǒng)，若存在，然后把計算得到的原系統(tǒng)與逆系統(tǒng)串聯(lián)組成復合系統(tǒng)，復合系統(tǒng)可以等效為多個線性子系統(tǒng)，完成輸入輸出的解耦，最后用線性理論對解耦系統(tǒng)進行控制，解決像系統(tǒng)的二次型尋優(yōu)、極點配置、魯棒性分析等問題。

2.3 有源電力濾波器逆系統(tǒng)解耦

APF數(shù)學模型是一個2輸入2輸出的耦合系統(tǒng)。每個輸出量受多個輸入量的影響，這將對輸出量的控制造成極大不便，所以需要采用解耦策略將這個耦合系統(tǒng)解耦。構造逆系統(tǒng)的方法是在原系統(tǒng)的左側，即輸入端前施加一個特定系統(tǒng)（又稱右逆系統(tǒng)），與原系統(tǒng)組成復合系統(tǒng)，右逆系統(tǒng)的輸入為復合系統(tǒng)的新輸入，原系統(tǒng)的輸入變?yōu)闋顟B(tài)變量，然后對這個復合系統(tǒng)進行性能分析，實際上引入右逆系統(tǒng)是為完成對輸出的精確控制。有源電力濾波器逆系統(tǒng)解耦實現(xiàn)如圖二所示。

圖二：APF的逆系統(tǒng)反饋線性化解耦

圖二中，φ1，φ2為新構造的逆系統(tǒng)的輸入量，y1，y2為新系統(tǒng)的輸出量，ud，uq為新系統(tǒng)的狀態(tài)變量。將逆系統(tǒng)串聯(lián)到APF原系統(tǒng)之前， 就會得到一個新的解耦的復合系統(tǒng)。這個復合系統(tǒng)系統(tǒng)由APF廣義逆系統(tǒng)和APF系統(tǒng)復合而成。這樣，兩輸入兩輸出的強耦合非線性系統(tǒng)被解耦成兩個單輸入單輸出的線性子系統(tǒng)，單輸入單輸出的系統(tǒng)的控制將變得十分容易。

2.4直流側電壓及解耦控制器的設計

為保證APF達到預期的補償效果，必須對直流側電壓進行穩(wěn)壓控制。直流側電壓產(chǎn)生波動的主要原因有：濾波器與電網(wǎng)之間的大容量的無功交換及負序電流與系統(tǒng)電壓在直流側的能量脈動而導致的波動，所以為解決這一問題，本研究采用PI控制器以達到穩(wěn)壓處理。即將指令電壓與實際直流側電壓進行PI控制使直流側電壓基本穩(wěn)定。

3、 結束語

通過仿真驗證可知：在不進行解耦控制時，電網(wǎng)側發(fā)生嚴重畸變，導致電網(wǎng)電流發(fā)生嚴重畸變，所以引入有源電力濾波器逆解耦控制是十分有必要的。加入APF并完成其逆解耦控制后，電網(wǎng)的諧波畸變率明顯降低。因此，將逆系統(tǒng)法引入APF的解耦是有效的。

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