探究有源電力濾波器中的重復(fù)控制

李金元

（三峽大學(xué)，湖北宜昌 443002）

引言

對于整個電網(wǎng)而言，當(dāng)非線性電力用戶負荷出現(xiàn)后會產(chǎn)生諧波電流，電網(wǎng)電壓發(fā)生畸形的幾率較高，嚴重影響了同線路相關(guān)用戶的電力質(zhì)量。長時間以來，在電力系統(tǒng)中諧波治理問題都是一項十分關(guān)鍵的任務(wù)。傳統(tǒng)諧波治理處理方式，主要是采用以LC無源元件為核心的諧振裝置，將其進行并聯(lián)，利用無源支路完全吸收低阻特性的諧波。諧振條件對線路阻抗的影響較為深刻，很容易因為失諧致使濾波效果差強人意。隨著PWM技術(shù)、全控性電力半導(dǎo)體器件的日益成熟，各種新型電力諧波治理裝置不斷涌現(xiàn)，其中具有代表性的是有源濾波器（APF）。重復(fù)控制這種控制算法主要是以內(nèi)模原理為基礎(chǔ)，其可以精準跟蹤周期性的參考信號，具有實現(xiàn)難度小、結(jié)構(gòu)簡單的特點，因此積極運用于有源電力濾波器中。

1 重復(fù)控制的基本思想

重復(fù)控制屬于一種控制思想，其主要以內(nèi)模原理為基礎(chǔ)。內(nèi)模是處于穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中囊括外部輸入信號的數(shù)學(xué)模型。內(nèi)模原理對于一個控制系統(tǒng)來說，若是對其進行控制的反饋從被調(diào)節(jié)的信號中而來，這時內(nèi)控外部信號動態(tài)模型已經(jīng)包含在反饋回路中，整個系統(tǒng)均具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[1]。內(nèi)模原理則是將系統(tǒng)外部信號相關(guān)動力學(xué)模型引入到控制器中，組成精度更高的反饋控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)可以對輸入信號進行無靜差的跟蹤。就全部的無靜差系統(tǒng)來說，均有此問題存在，也就是當(dāng)輸入信號接近0時，怎樣確?？刂菩盘柲軌蚶^續(xù)輸出，使適宜的控制作用得到有效維持。這時候盡管反饋、給定信號依然存在，然而誤差信號則是零，那么系統(tǒng)信號通道則完全斷開，輸出和輸入沒有關(guān)系。面對這一情況，控制器應(yīng)將外部干擾或指令的模型納入其中，對信號輸出進行積極控制。從此角度而言，內(nèi)模作用于信號發(fā)生器較為相似，控制信號時禁止引入外部變量。

2 重復(fù)控制的優(yōu)化

重復(fù)控制器擁有簡潔的結(jié)構(gòu)，具有極好的穩(wěn)態(tài)性，主要運用于周期輸入、擾動控制及跟蹤環(huán)節(jié)中。在重復(fù)控制中，內(nèi)模占據(jù)著極為重要的位置，其可以促進控制性能有效提升[2]。對于全部諧波頻率而言，經(jīng)典內(nèi)模效果突出，可以對各次諧波進行補償。但其也具有延時性的問題，通過一個基波周期后，重復(fù)控制器才啟動，幾個周期后才能看到效果，而在此時間段，不能合理解決電網(wǎng)質(zhì)量。所以，需要對傳統(tǒng)重復(fù)控制予以健全。

2.1 選擇性重復(fù)內(nèi)模

為減少延遲時間，預(yù)防無諧波頻段測量產(chǎn)生較大噪聲，通過優(yōu)化后出現(xiàn)了“選擇性重復(fù)控制內(nèi)?！?，其可以補償部分次諧波。對特定次諧波進行補償?shù)膬?nèi)模，如圖1所示，為了有選擇性地進行補償，在前饋路徑上恰當(dāng)位置安裝DFT濾波器裝，超前相位則可以在設(shè)計階段借助Na展開調(diào)整。雖然存在寬帶的制約情況，然而這種控制方式能夠完全將選定的波次進行補償。

圖1 對特定次諧波進行補償?shù)膬?nèi)模

三相系統(tǒng)具有對稱性，所以只存在奇次諧波[3]。就此情況，可對奇次諧波內(nèi)模進行有效補充，如圖2所示，可嵌入重復(fù)控制器，在離散域中跟蹤奇次諧波電流。對于不必要的頻率，這方法不會產(chǎn)生高增益，所以魯棒性也得到了優(yōu)化，同時延遲時間縮短到二分之一各基波周期。立足于此，將遺忘因子Kf引入，借助增加阻尼可以提升控制器的魯棒性。

圖2 對奇次諧波進行補償?shù)膬?nèi)模

對于反饋環(huán)節(jié)而言，積極引入修正，選擇在每兩個極點處設(shè)定一個零點，以此在整體上提高系統(tǒng)的選擇特性，促進增益以及提升靈敏度。就三相整流電路形成的6k-1的負序量以及6k+1的正序量此特點，將dq坐標(biāo)系下的選擇性內(nèi)模提出，在運用上述諧波補償中，這種內(nèi)核結(jié)構(gòu)十分單一，更容易設(shè)計，且能夠?qū)ρ訒r時間補償予以有效控制，可以快速作出響應(yīng)。補償nk±m(xù)次諧波的內(nèi)模，相較于傳統(tǒng)內(nèi)模，可以選擇性地補償諧波，同時占用的數(shù)據(jù)存儲更小，可以快速收斂誤差，但內(nèi)模結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性。

2.2 非整數(shù)延時內(nèi)模

出于對數(shù)據(jù)存儲的考慮，在數(shù)字重復(fù)控制系統(tǒng)中，采樣頻率、參考信號基波周期頻率的比例應(yīng)該是一個整數(shù)。而實際上，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生改變，但采樣頻率沒有變化的時候，容易導(dǎo)致比值不是整數(shù)，即便是取整，也難以保障重復(fù)控制的穩(wěn)定性保障。

補償6k±1次諧波的內(nèi)模，如圖3所示，當(dāng)內(nèi)模的N/6拍延時不是整數(shù)的情況下，在全部延遲環(huán)節(jié)中設(shè)定一個分數(shù)延時濾波器（FIR-FD），采用拉格朗日插值法高效率、精準地計算出濾波器相關(guān)參數(shù)，然而這些數(shù)據(jù)會對內(nèi)模性能造成嚴重影響，魯棒性較差。所以，可以在內(nèi)模中引入濾波器，且以拉格朗日插值法為主，以確保系統(tǒng)可以精準跟蹤，促使THD降低。

圖3 對補償6k±1次諧波內(nèi)模的改進

2.3 負反饋內(nèi)模

對于重復(fù)控制這問題，剛開始主要使用正反饋內(nèi)模形式，然而在補償奇、偶次諧波方面均有所缺陷：可能會使相移發(fā)生改變，這就需要采用其他的濾波器，進而在一定程度上增多了設(shè)計成本。所以，可采取帶負反饋結(jié)構(gòu)的重復(fù)控制方式，積極補償諧波。在電力系統(tǒng)中，補償奇次諧波的實用性較強。正、負反饋的對比見圖4，通過圖4可知，因為負反饋將奇數(shù)次諧波視為一種指令信號，延時短、儲存空間少等優(yōu)勢明顯，節(jié)省了成本。

圖4 正負反饋及奇點對比圖

2.4 模擬形式內(nèi)模

現(xiàn)階段，相關(guān)學(xué)者重點分析了重復(fù)控制內(nèi)模，研究范圍不再僅限于數(shù)字方式，模擬方式也得到了較好發(fā)展。例如，用于實現(xiàn)延遲的模擬集成電路（IC），其主要由電感器與電容器構(gòu)成。以此構(gòu)成的電路還被稱之為低噪聲斗鏈式延遲（BDD）電路，能夠順利轉(zhuǎn)變?yōu)榫珳恃訒r電路，具有較高的信噪比，延時時也不會影響精度。

3 復(fù)合控制

要想確保重復(fù)控制展現(xiàn)出最佳效果，需與其他控制方式關(guān)聯(lián)，然后應(yīng)用到有源電力濾波器中。其一，與無差拍控制相結(jié)合，對無差拍形成的控制偏差進行修正，進而順利獲取到下一拍的輸出電壓，采取滯環(huán)、雙滯環(huán)控制方式，有效解決重復(fù)控制動態(tài)性能不足的情況；其二，與帶積分狀態(tài)反饋結(jié)合，然后設(shè)計輸出電壓控制方案，可確保動態(tài)特性、精確度；其三，與有源阻尼結(jié)合形成的控制方式，能夠在確保系統(tǒng)穩(wěn)定以及穩(wěn)態(tài)精度的基礎(chǔ)上，制定科學(xué)合理的設(shè)計方案；其四，與PI控制并聯(lián)，且巧妙地使用到有源電力濾波器中。如果指令電流突然出現(xiàn)變化，PI控制會第一時間做出響應(yīng)，跟蹤指令，并重復(fù)控制，以此來有效避免穩(wěn)態(tài)誤差的出現(xiàn)，這樣除了能夠展現(xiàn)出重復(fù)控制穩(wěn)態(tài)精度高的特點之外，還能夠彰顯出PI控制動態(tài)速度迅速的特征[4]。這一種復(fù)合控制方法值得廣泛推廣。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段社會能源缺口逐漸加重，進而對高效清潔能源提出了更多的需求。在此背景下，能源生產(chǎn)與運用極其關(guān)鍵，電力電子技術(shù)是一種典型的清潔能源技術(shù)，發(fā)揮著重要作用，但電力電子會形成諧波，不利于其發(fā)展。所以，需加強對諧波的治理。在有源電力濾波器中運用重復(fù)控制可實現(xiàn)對諧波的有效治理。通過分析有源電力濾波器中的重復(fù)控制，以此來確保電力行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。