现代控制理论作业.docx

现代控制理论在电气工程中的应用 -电能质量的控制 徐彪（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008）摘要：随着现代控制理论和电力电子技术的快速发展，现代控制理论的各种控制方法在电能质量控制中得到了广泛的应用，尤其是用于消除电网谐波的有源滤波器（APF）。本文我们拿常用的并联型有源滤波器为例子，详细论述了自适应控制、变结构控制、反馈线性化解耦控制、鲁棒控制、无源性控制以及重复控制在并联型有源滤波器中的应用，比较了了各种控制算法的优点及不足。针对有源滤波器含有较多不确定因素及其补偿对象复杂多变的特点，提出应用鲁棒性较好，对模型依赖性不强的控制方法和将不同的控制策略相互结合，充分发挥各种控制策略优越性的解决思路。关键词：现代控制理论；有源滤波器；谐波Abstract: With modern control theory and the rapid development of power electronics technology, modern control theory, various control methods in power quality control has been widely applied, especially for the elimination of active harmonic filters (APF) . In this paper we take the commonly used shunt active filter as an example, discusses in detail the adaptive control, variable structure control, feedback linearization decoupling control, robust control, passive control and repetitive control of shunt active filter in Application, compare the various advantages and disadvantages of the control algorithm. For the active filter compensation with many factors of uncertainty and the characteristics of complex objects, proposes the application is robust, the model dependence is not strong control methods and the different control strategies combined with each other, give full play to the Kinds of control strategies to solve the superiority of ideas.Key words: modern control theory; active filter; harmonics引言电能是现代文明的物质基础之一，随着各种非线性负载（如电力电子器件、电弧炉等）的使用造成的谐波污染和无功需求量得增加不仅导致功率因数偏低，也会降低系统的效率，产生电压波形畸变，增加输配电线路的线损和造成对周边通信线路的干扰1。因此，消除谐波的污染以及补偿系统的无功缺额成为电能质量控制研究中的热点问题之一。传统的解决方法是采用无源滤波器（PF）进行滤波和提高功率因数。但是PF的滤波特性固定，且易与线路阻抗发生串/并联谐振等缺点，限制了它的广泛应用。近年来，有源滤波器（APF）已经成为消除谐波、补偿负序、无功电流的有效手段，在低压电网中应经有相应的产品出现。与PF相比，APF变得比PF更有效，更有商业价值，它具有以下优点：能够抑制很宽的谐波频率带、不会对网络产生额外的谐波频率。根据APF接入电网的方式，将其系统构成分为两大类，即并联型APF和串联型APF。并联型APF主要用来补偿系统的谐波和无功电流，而串联型APF则用来抑制系统的谐波电压。目前，电力系统中的谐波源大多数为谐波电流源，它们在运行过程中产生大量的谐波电流，因此研制并联型APF直接对系统的谐波和无功电流进行补偿是一种行之有效的方法，也是目前研究的重点。并联型APF系统的基本结构主要由补偿电流信号产生电路（指令电流运算电路）和补偿发生电路（包括直流跟踪控制电路、PWM逆变器驱动电路和主电路）两部分组成。它的基本工作原理是检测补偿对象的电流和电压，经过指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号。该信号经补偿补偿电流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流与负载中的谐波、无功及负序电流抵消，最终得到期望的系统电流，因此，APF系统的控制可以被看作是一个典型的跟踪控制问题。由于获得的指令电流信号是一个时变而且具有多次谐波的复杂信号，所以电流跟踪控制策略是决定APF稳态和动态性能的一个关键因素。此外，由于PWM逆变器是一个强非线性系统，其电感、电容以及IGBT的各种参数具有分散性，同时其中还存在PWM驱动电路等无法进行准确数学建模的部分，在运行中由于由于杂散电感等不确定因素的影响，使在实际中PWM逆变器的工作特性更难以达到理想化，这一切都给APF系统控制策略的设计增加了难度2。近30年来，随着电力电子技术和微型计算机的不断进步，各种先进的控制技术被应用于APF的控制过程中，在各种国际会议、学术期刊上发表了一些论文，取得了一批有价值的研究成果。这些先进的控制方法为综合解决APF系统信号跟踪、干扰抑制以及参数摄动这三个主要问题提供了新的思路。本文将综述这些现代控制方法的基本原理及其在APF中应用的优缺点，对现代控制技术在APF系统中的应用前景作了展望。下面详细介绍多种现代控制技术在有源滤波器中的应用：1自适应控制在APF中的应用自适应控制的目标使控制系统对参数的变化，以及对未建模部分的动态过程不敏感。当过程动态变化时，自适应系统试图感受这一变化并实时的调节控制器的参数或控制策略。自适应控制系统主要有两类，而模型参考自适应系统（MRAC）和自校正控制系统（STR）。在APF的跟踪控制中，STR应用较为广泛，文献基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源研究中为了减小电流的跟踪误差，在电流指令信号后加一个自适应滤波器APF，并利用自校正控制中的最小方差算法，在线调整滤波参数，使输入和输出的误差最小，但是这种方法使软件的工作量增大，影响APF工作的实时性，还有的文献提到将STR和PI控制器联合使用，构成自校正PI控制，在线调整P、I的值，改善APF的补偿性能，实现对VSC直流侧电容电压的稳定控制。总之，自适应控制能够应付缓慢变化的结构性干扰和参数摄动所引起的动态品质的恶化，但是难以抑制非结构性干扰对控制效果的影响；在某些情形下，自适应控制率的收敛速度也难以控制。2滑模变结构控制在APF中的应用滑模控制（SMC）的本质是一种开关性控制，他要求频繁、快速的切换系统的控制状态，由于APF中有开关器件的存在，其本身就是一个变结构的系统，所以引入SMC到APF控制中有其本质上的互通性，因此滑模结构控制在确定APF的开关模式，改善电流闭环跟踪控制性能和提高系统的鲁棒性都有比较好的应用。但是SMC本身也存在一些缺陷，如高频抖振，这可能导致逆变器的开关频率变化过大，开关毛刺的频率分布范围较广，补偿后电源电流含有较大的高次谐波，而且谐波电流频谱随即分布，不易进行滤波，给APF在工程实际中的应用带来困难。为了克服抖振对补偿效果的影响，准滑动模态滑模控制和基于趋近律滑模控制相继被采用。准滑动模态滑模控制的基本思想是采用饱和函数来代替切换函数，即在边界层之外采用正常滑模控制，在边界层内为连续状态的反馈控制；基于趋近律滑模控制通过调整趋近律的相关参数，既可以保证滑动模态到达过程的动态品质，又可以减弱控制信号的抖振，改善APF的补偿效果3。3反馈线性化解耦在APF中的应用微积分理论引入非线性系统研究，使非线性系统的控制得到了突破性的进展，而且提供了系统的结构化的设计方法。对于耦合多变量非线性系统，在实现线性化的同时，还能实现解耦。反馈线性化解耦在APF中的应用主要体现在电流跟踪控制方面。由于APF是一个多输入多输出的非线性系统，而且存在强耦合作用：三相电流以及直流侧电压都存在耦合关系，而且由于三相逆变桥的开关器件，所以系统具有本质非线性。利用反馈线性化方法能够实现APF的解耦、精确线性化和非线性综合，获得PWM的调制信号电流的给定信号。反馈线性化方法存在可处理的非线性系统类别比较局限和计算复杂的缺陷，是基于非线性的精确对消，要求全部状态可观以及参数可知。然而在实际中的物理模型是受不确定因素影响而变化的，常常不能精确知道，同时该方法不能保证系统的全局稳定性，所以还必须从控制系统的鲁棒性和稳定性出发，进一步研究该问题。4鲁棒控制在APF 中的应用鲁棒控制不仅具有处理多变量问题的能力，还可以解决具有建模误差、参数不确定和干扰未知系统的控制问题，并直接解决鲁棒稳定性问题，具有较好的直观性及严格的数学基础。在鲁棒控制的应用中，目前主要是线性系统及仿射非线性系统4。鲁棒控制在电力电子学中的应用刚刚开始。在APF中的应用，据相关资料所知，目前这方面的研究成果还很少。这主要是由于鲁棒控制器中权函数的选取比较复杂，需要考虑模型摄动和动态摄动。但是还应看到设计好的鲁棒控制器经较简单的运算便可使系统具有良好的性能，因此具有较好的实时性。此外，最近几年鲁棒控制又取得了新的发展，特别是引入u综合以及采用自适应控制对鲁棒控制进行修正，去得了较好的效果并简化了权函数的选择过程。由于APF的数学模型中包含不确定因素，而鲁棒控制适用于存在建模误差和未建模部分的系统，因此利用鲁棒控制原理设计APF控制系统具有良好的应用前景。5无源性控制在APF中的应用无源性理论是一种能量“整形”方法，通过重新分配系统的能量和注入非线性阻尼，使系统在满足无源性的条件下达到要求的性能。这种方法从系统结构和能量的角度出发，避免了反馈性控制中的坐标变换和非线性反馈，使控制器的设计得到一定的简化，在确保闭环系统稳定的同时提高了系统的鲁棒性。APF作为电力电子装置的一种，本身就具有电力电子线路的无源性特点。因此，无源性控制在APF电流跟踪控制中的应用有其得天独厚的条件。目前，利用无源性理论获得APF的调制信号主要是基于APF系统的平均化模型，将系统的开关函数用一个连续变量Y表示的开关占空比等效表示，而后即可获得形式比较简单，跟踪精度较高，在线执行方便的无源性控制律。随着无源性理论在电力电子学领域应用的不断深入，特别是三相 PWM逆变器系统和端口受控哈密顿系统模型的建立，为利用无源性理论对 APF系统进行鲁棒稳定性设计提供了新的思路 但是由于开关器件的存在，所以在模型的建立和能量函数的确定仍需要进一步的研究5。6重复控制在APF中的应用重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理在重复信号发生器作用下，控制器实际上进行着一种逐周期的积分控制，通过对波形误差的逐周期补偿，稳态时可以实现无静差控制效果 由于APF的指令电流信号是包含多次谐波的周期性信号，因此重复控制是APF 外层控制策略中研究较多的方法之一6。重复控制的优点是具有非常好的稳态性能，可以实现无静差控制，其主要缺点是无法实现短于一个周波的动态响应，另一个缺点是存储单元消耗大，控制器需要记忆一个基波周期的误差信息，更重要的是它的控制器的设计是针对有源电力滤波器的特性而设置的，对模型的依赖性很强 同时，现有的研究成果表明：重复控制存在鲁棒性与跟踪精度之间的矛盾；当系统中存在高频分量时，随着时间的推移，采用重复控制策略对 APF 系统进行控制将能会导致系统不稳定；而忽略这些高频分量又将会使APF的跟踪程度受到影响 作者认为将滑模变结构控制（SMC ）与重复控制相结合，可能会取得更好的效果。结论本文对应用于 APF 系统中的现代控制技术的一些方法进行了综述，并根据自己查阅很多文献，对各种控制方法进行了评述 除了上述方法之外，还有一些研究将模糊控制 人工神经网络应用于 APF控制中，但是一般还局限于实验阶段，没有成功的应用实例 由于 APF 系统本身具有强非线性和参数的不确定性，同时也因为 APF的补偿对象是复杂多变的，具有不同的谐波特性，因此作者认为应采用鲁棒性较强的控制算法，如 鲁棒性控制和无源性控制方法等；另外，将传统的控制策略（如空间矢量控制PI 控制等）与现代控制技术的各种方法相结合或将不同的现代控制技术的方法相结合，充分发挥各种控制策略的优势，也是一种很好的研究思路。参考文献1 王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿M. 北京: 机械工业出版社, 1998, 92 张振环, 雷晰. 现代控制技术在并联型有源滤波器中的应用J. 科技信息, 2009,:11-12ZHANG Zhen-huan, LI Xi. The application of modern control technology in the shunt active power filterJ. Technology Information, 2009, 11-123 曾江, 刁勤华, 倪以信, 陈寿孙, 张宝霖. 基于最优电压矢量的有源滤波器电流控制新方法J. 电力系统自动化, 2000,q24(6):25-31ZENG Jiang, DIAO Qin-hua, NI Yi-xin, CHEN Shou-sun, ZHANG Bao-lin. The new current control meth