中文题目：一种用于并联有源电力滤波器电流环的复合控制技术

论文题目：A Compound Control Technology for The Current Loop of Shunt Active Power Filters

录用期刊/会议： 2024 IEEE 4th International Conference on Digital Twins and Parallel Intelligence (DTPI)  （EI国际会议）

原文DOI：10.1109/DTPI61353.2024.10778678

原文链接：http://ieeexplore.ieee.org/document/10778678

录用/见刊时间：2024.10.20

作者列表：

1） 曹旭东 中国免费靠逼视频（北京）人工智能学院 电子信息工程系教师

2） 张若谷 中国免费靠逼视频（北京）人工智能学院 新一代电子信息技术 研究生

3） 魏学良 中国免费靠逼视频（北京）人工智能学院 电子信息工程系教师

4） 余   蜜   武汉中为高科新能源有限公司

摘要:

由于电动汽车充电站会产生大量谐波电流，降低了电力系统的电能质量，有源电力滤波器凭借其稳态误差小、动态响应快等优势，在电动汽车充电设施中被广泛用于抑制谐波和补偿无功电流。本文主要研究三相三线制并联型有源电力滤波器（SAPF）电流环的数字控制策略。

数字控制凭借其设计灵活性高、易于实现复杂智能控制方法等诸多优点，在许多领域正逐渐取代模拟控制。与此同时，传统控制方法在数字控制中仍发挥着重要作用。因此，将先进的数字控制算法与传统控制方法相结合是主流策略。为改善单独使用数字比例 - 积分（PI）控制器进行补偿时性能不佳的问题，本文提出了一种基于数字PI控制器和数字重复控制器的复合控制方法，其中重复控制器可增强稳态性能，PI控制器可改善动态性能。文中详细分析和推导了两种控制器的设计方法、复合控制方法的补偿性能以及稳定性判断。此外，还分析了系统参数大幅变化时复合控制方法的鲁棒性。仿真和实验结果验证了该复合控制方法能够实现低稳态误差和快速动态响应。

背景与动机:

随着电动汽车产业的迅猛发展，大量的电动汽车充电站已投入建设和运营。由于电动汽车充电设备中非线性负载的影响，在充电过程中会有谐波电流注入电源，这导致电能质量下降且损耗增加。并联型有源电力滤波器（SAPF）作为一种能够动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，已成为充电站谐波治理的新途径，并逐渐进入工业实际应用阶段。本文针对SAPF中的重复控制，分析其难以消除周期性稳态误差的问题，提出了一种基于数字比例积分（PI）控制和数字重复控制的复合控制策略。详细分析和推导了复合控制中两种控制器的设计方法、补偿性能、稳定性判断，以及并联型有源电力滤波器复合控制系统在系统参数大幅变化时的鲁棒性。

设计与实现:

通过分析图1所示的有源电力滤波器

 

图1 有源电力滤波器拓扑结构

设计了如图2所示的复合控制方法

 

图2 复合控制方法结构图

通过稳态分析得到此时复合结构的传递函数为：

通过动态分析或者跟踪误差突然变大的情况下，得到此时的复合结构传递函数为：

通过假设Q(z) = 1且r(z)是完全可重复的，就可以得到稳态误差的结果。

由此可见，由于该系统包含重复控制，在理想情况下，系统的稳态误差可以达到零。

实验结果及分析:

仿真分析：通过搭建仿真平台并于离散域进行仿真。

稳态下加入了采用提出复合控制方法的SAPF前后的电流波形图和系统测电流总谐波失真值（THD）分别为图3和图4所示。

 

图3 补偿前的系统侧电流波形和总谐波失真（THD）

 

图4 补偿后的系统侧电流波形和总谐波失真（THD）

动态情况下的系统测电流如图5所示，该结果证明了该方法对于动态过程中能够有效提出系统的稳态性能

 

图4 复合控制系统在负载突然加载和卸载时的动态响应

实验分析：通过在66kVA的有源电力滤波器进行实验。

稳态情况下，当并联型有源电力滤波器开启时，负载侧电流波形()和系统侧电流波形()分别如图6所示。系统侧电流频谱如图7所示。观察到加入SAPF后谐波基本被抑制并且谐波降低到2.79%。

图6 负载侧电流波形()和系统侧电流波形

  图7 系统侧电流频谱

结论:

本文提出了一种基于数字比例积分（PI）控制和数字重复控制的复合控制策略。利用重复控制提高系统的稳态跟踪性能，利用数字 PI 控制改善系统的动态特性。并详细分析推导了复合控制中两种控制器的设计方法、补偿性能以及稳定性判断。分析了系统参数大幅变化时有源电力滤波器复合控制系统的鲁棒性。对所提出的复合控制进行的仿真和实验研究证明，所提出的基于数字 PI 控制和数字重复控制的有源电力滤波器新控制策略能够很好地兼顾系统的稳态和动态特性。

作者简介:

曹旭东，副教授，硕导，中国计算机自动测量与控制技术协会会员。主要从事DSP、FPGA、ARM等嵌入式微处理器系统设计、物联网云服务平台架构设计，石油测井仪器微弱信号采集及井下通信技术研究与实现。完成了国家重大专项、中国石油集团公司以及油田企业的纵横向项目20多项。主要科研项目：智能监测、物联网、云平台类项目：基于IPv6的自动化前端设备在高寒地区应用的研究（国家发改委项目）；警用摩托车智能监测系统；智能燃气管网监测系统设计；石油测井仪器研制开发项目：过套管电阻率测井仪系统设计及数据校正解释软件研发；双三维地球物理模型定位采集系统设计（国家重点实验室项目）；井地电位成像系统研制；地震物理模拟方法研究项目:多波地震勘探及裂缝储层预测技术、地震物理模型可控震源研制、物探新方法新技术研究。发表论文四十余篇, 编写《单片机原理及应用》和《DSP芯片原理及应用系统设计》教材2部。获得中国免费靠逼视频校级教学成果一等奖2次，二等奖多次。指导大学生获北京市电子设计竞赛一等奖，北京市大学生电子设计竞赛优秀指导教师。联系方式：caoxudong@dgqinyehang.com