科研動(dòng)態(tài)
一種用于并聯(lián)有源電力濾波器電流環(huán)的復(fù)合控制技術(shù)
中文題目：一種用于并聯(lián)有源電力濾波器電流環(huán)的復(fù)合控制技術(shù)
論文題目：A Compound Control Technology for The Current Loop of Shunt Active Power Filters
錄用期刊/會(huì)議： 2024 IEEE 4th International Conference on Digital Twins and Parallel Intelligence (DTPI) （EI國(guó)際會(huì)議）
原文DOI：10.1109/DTPI61353.2024.10778678
原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10778678
錄用/見(jiàn)刊時(shí)間：2024.10.20
作者列表：
1） 曹旭東 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
2） 張若谷 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 新一代電子信息技術(shù) 研究生
3） 魏學(xué)良 中國(guó)石油大學(xué)（北京）人工智能學(xué)院 電子信息工程系教師
4） 余 蜜 武漢中為高科新能源有限公司
摘要:
由于電動(dòng)汽車(chē)充電站會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流，降低了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，有源電力濾波器憑借其穩(wěn)態(tài)誤差小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施中被廣泛用于抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功電流。本文主要研究三相三線(xiàn)制并聯(lián)型有源電力濾波器（SAPF）電流環(huán)的數(shù)字控制策略。
數(shù)字控制憑借其設(shè)計(jì)靈活性高、易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜智能控制方法等諸多優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域正逐漸取代模擬控制。與此同時(shí)，傳統(tǒng)控制方法在數(shù)字控制中仍發(fā)揮著重要作用。因此，將先進(jìn)的數(shù)字控制算法與傳統(tǒng)控制方法相結(jié)合是主流策略。為改善單獨(dú)使用數(shù)字比例 - 積分（PI）控制器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)性能不佳的問(wèn)題，本文提出了一種基于數(shù)字PI控制器和數(shù)字重復(fù)控制器的復(fù)合控制方法，其中重復(fù)控制器可增強(qiáng)穩(wěn)態(tài)性能，PI控制器可改善動(dòng)態(tài)性能。文中詳細(xì)分析和推導(dǎo)了兩種控制器的設(shè)計(jì)方法、復(fù)合控制方法的補(bǔ)償性能以及穩(wěn)定性判斷。此外，還分析了系統(tǒng)參數(shù)大幅變化時(shí)復(fù)合控制方法的魯棒性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該復(fù)合控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)低穩(wěn)態(tài)誤差和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
背景與動(dòng)機(jī):
隨著電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的電動(dòng)汽車(chē)充電站已投入建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。由于電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備中非線(xiàn)性負(fù)載的影響，在充電過(guò)程中會(huì)有諧波電流注入電源，這導(dǎo)致電能質(zhì)量下降且損耗增加。并聯(lián)型有源電力濾波器（SAPF）作為一種能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置，已成為充電站諧波治理的新途徑，并逐漸進(jìn)入工業(yè)實(shí)際應(yīng)用階段。本文針對(duì)SAPF中的重復(fù)控制，分析其難以消除周期性穩(wěn)態(tài)誤差的問(wèn)題，提出了一種基于數(shù)字比例積分（PI）控制和數(shù)字重復(fù)控制的復(fù)合控制策略。詳細(xì)分析和推導(dǎo)了復(fù)合控制中兩種控制器的設(shè)計(jì)方法、補(bǔ)償性能、穩(wěn)定性判斷，以及并聯(lián)型有源電力濾波器復(fù)合控制系統(tǒng)在系統(tǒng)參數(shù)大幅變化時(shí)的魯棒性。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn):
通過(guò)分析圖1所示的有源電力濾波器
圖1 有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)了如圖2所示的復(fù)合控制方法
圖2 復(fù)合控制方法結(jié)構(gòu)圖
通過(guò)穩(wěn)態(tài)分析得到此時(shí)復(fù)合結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)為：
通過(guò)動(dòng)態(tài)分析或者跟蹤誤差突然變大的情況下，得到此時(shí)的復(fù)合結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)為：
通過(guò)假設(shè)Q(z) = 1且r(z)是完全可重復(fù)的，就可以得到穩(wěn)態(tài)誤差的結(jié)果。
由此可見(jiàn)，由于該系統(tǒng)包含重復(fù)控制，在理想情況下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差可以達(dá)到零。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析:
仿真分析：通過(guò)搭建仿真平臺(tái)并于離散域進(jìn)行仿真。
穩(wěn)態(tài)下加入了采用提出復(fù)合控制方法的SAPF前后的電流波形圖和系統(tǒng)測(cè)電流總諧波失真值（THD）分別為圖3和圖4所示。
圖3 補(bǔ)償前的系統(tǒng)側(cè)電流波形和總諧波失真（THD）
圖4 補(bǔ)償后的系統(tǒng)側(cè)電流波形和總諧波失真（THD）
動(dòng)態(tài)情況下的系統(tǒng)測(cè)電流如圖5所示，該結(jié)果證明了該方法對(duì)于動(dòng)態(tài)過(guò)程中能夠有效提出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能
圖4 復(fù)合控制系統(tǒng)在負(fù)載突然加載和卸載時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
實(shí)驗(yàn)分析：通過(guò)在66kVA的有源電力濾波器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
穩(wěn)態(tài)情況下，當(dāng)并聯(lián)型有源電力濾波器開(kāi)啟時(shí)，負(fù)載側(cè)電流波形(
)和系統(tǒng)側(cè)電流波形(
)分別如圖6所示。系統(tǒng)側(cè)電流頻譜如圖7所示。觀(guān)察到加入SAPF后諧波基本被抑制并且諧波降低到2.79%。
圖6 負(fù)載側(cè)電流波形()和系統(tǒng)側(cè)電流波形
圖7 系統(tǒng)側(cè)電流頻譜
結(jié)論:
本文提出了一種基于數(shù)字比例積分（PI）控制和數(shù)字重復(fù)控制的復(fù)合控制策略。利用重復(fù)控制提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能，利用數(shù)字 PI 控制改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。并詳細(xì)分析推導(dǎo)了復(fù)合控制中兩種控制器的設(shè)計(jì)方法、補(bǔ)償性能以及穩(wěn)定性判斷。分析了系統(tǒng)參數(shù)大幅變化時(shí)有源電力濾波器復(fù)合控制系統(tǒng)的魯棒性。對(duì)所提出的復(fù)合控制進(jìn)行的仿真和實(shí)驗(yàn)研究證明，所提出的基于數(shù)字 PI 控制和數(shù)字重復(fù)控制的有源電力濾波器新控制策略能夠很好地兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。
作者簡(jiǎn)介:
曹旭東，副教授，碩導(dǎo)，中國(guó)計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制技術(shù)協(xié)會(huì)會(huì)員。主要從事DSP、FPGA、ARM等嵌入式微處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)，石油測(cè)井儀器微弱信號(hào)采集及井下通信技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)。完成了國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)、中國(guó)石油集團(tuán)公司以及油田企業(yè)的縱橫向項(xiàng)目20多項(xiàng)。主要科研項(xiàng)目：智能監(jiān)測(cè)、物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)類(lèi)項(xiàng)目：基于IPv6的自動(dòng)化前端設(shè)備在高寒地區(qū)應(yīng)用的研究（國(guó)家發(fā)改委項(xiàng)目）；警用摩托車(chē)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；智能燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；石油測(cè)井儀器研制開(kāi)發(fā)項(xiàng)目：過(guò)套管電阻率測(cè)井儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)校正解釋軟件研發(fā)；雙三維地球物理模型定位采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)（國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目）；井地電位成像系統(tǒng)研制；地震物理模擬方法研究項(xiàng)目:多波地震勘探及裂縫儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)、地震物理模型可控震源研制、物探新方法新技術(shù)研究。發(fā)表論文四十余篇, 編寫(xiě)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》和《DSP芯片原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》教材2部。獲得中國(guó)石油大學(xué)校級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)2次，二等獎(jiǎng)多次。指導(dǎo)大學(xué)生獲北京市電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，北京市大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽優(yōu)秀指導(dǎo)教師。聯(lián)系方式：[email protected]