改进重复控制的有源电力滤波器研究_图文

1、长沙理工大学硕士学位论文基于改进重复控制的有源电力滤波器研究姓名：马迎召申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：唐欣;李茂军20100401摘要随着电力电子技术的不断发展，大量的非线性负载接入电网，使电网电流电压发生畸变，严重影响电网的电能质量。畸变电流电压中含有的大量谐波，使电能的生产、传输和利用效率降低，严重危害电气设备的正常使用，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。“治理谐波污染，营造绿色电网已成为当前电力科技工作者所必须解决的问题。有源电力滤波器作为一种能动态、有效治理谐波的装置，已成为近年来的研究热点。其中，如何提高补偿电流对参考电流的跟踪精度、减小跟踪误差，是改善有源

2、电力滤波器补偿效果的关键。补偿电流对参考电流的跟踪误差是周期性的谐波信号，采用常规的控制，其控制效果不够理想，且增益过大容易引起系统不稳定。重复控制器由于内模中包含描述跟踪误差信号的数学模型，在误差信号的基波频率及其整数倍频率处能够完全消除系统的稳态误差，并在内模中引入低通滤波器以保证系统的稳定性。本文通过对传统重复控制器稳定性和稳态性能的分析，发现低通滤波器的引入影响了系统的稳态性能，增大低通滤波器的转折频率可以提高系统的稳态控制精度，但过大的转折频率会引起系统不稳定。针对以上问题，本文设计了一种改进型重复控制器，给出了低通滤波器转折频率的选择标准，推导出闭环系统无稳态误差时重复控制器内模延

3、时乃、低通滤波器截止频率皱和电网周期之间的关系，给出了改进重复控制器参数的设计步骤。仿真结果表明，本文提出的改进重复控制算法在保证系统稳定的同时，有效地提高了系统的稳态控制精度，比常规控制和传统重复控制方法优越。最后，本文以为控制核心，采用作为功率单元，研制了单相有源电力滤波器实验装置，对系统的硬件部分和软件部分的设计分别做了介绍，给出了控制算法的实现过程并画出了流程图。实验结果表明，本文设计的基于改进型重复控制的有源电力滤波器能有效补偿电网谐波和系统无功功率。关键词：谐波；有源电力滤波器；双闭环控制；改进重复控制；稳态误差，。啪，“”，阳，：；长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈

4、交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：召鲤吕日期：纠。年厂月可日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于、保

5、密口，在、不保密。年解密后适用本授权书。（请在以上相应方框内打“）作者签名：马馏舀日期年厂月订刷醛辄懈字日期：叫拜可同）与目、第一章谐波治理的意义绪论理想电力系统中的电源是以单一恒定频率（或）的正弦变化方式向电网供电，电网中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。但随着电力电子技术的发展，各种电力电子装置得到了广泛应用，在带来大量经济效益的同时，也给电力系统造成极大的影响，其直接表现为电力系统中的电流和电压波形发生畸变乜。发生畸变的电流和电压的波形中不仅包含与电源同频率的正弦量（称为基波分量），还包括一系列频率为基波频率整倍数的正弦分量（称为高次谐波分量），这一系列正

6、弦分量统称为电力谐波口。在标准中谐波定义为“谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。谐波电流和谐波电压严重污染了公用电网，使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备造成危害【】。谐波的危害主要表现在以下几个方面心曲：（）增加了输电线路的损耗，缩短了输电线的寿命。谐波电流的存在，使输电线路上产生谐波压降，同时，也增加了输电线路上的电流有效值，因而引起附加输电损耗。当使用电缆输电时，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，严重影响了电缆的使用寿命。据相关资料介绍，由于谐波的影响，电缆的平均使用寿命将下降大约。（）对旋转电机产生危害。谐波会在

7、电机的定子绕组、转子回路、定子和转子铁芯中引起附加损耗和过热。另外，谐波还会增大电机的噪声、产生脉动转矩、引起谐波过电压。（）增加变压器的损耗。谐波电流增加了变压器的铜损耗和铁损耗。变压器在高次谐波电压作用下还会产生集肤效应或邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件的发热，并有可能引起变压器局部严重过热。另外，谐波还会引起变压器噪声增大。（）电力电容器引起谐振和谐波电流放大。在工频频率下，电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对于谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就有可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐

8、波电流放大几倍到几十倍，会对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。（）造成继电保护和自动装置的误动作。当电源电压、电流发生谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差，这与继电器的设计特点及原理密切相关，即谐波能够改变继电保护装置的动作特性。另外，谐波还会使过电流、欠电压、距离和周波等继电器产生拒动和误动，从而造成保护装置的失灵和动作不稳定。（）引起电力测量的误差。电气测量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。仪表的原理和结构不同，产生的误差也不相同。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差

9、越大，而且为负误差，当频率约为时，电度表将会停止转动。（）干扰通信系统。谐波的干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时还会引起信号的丢失，在谐波和基波的共同作用下引起设备误动作，甚至会危及设备和人身安全。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，谐波的影响都很大。（）对其它设备的影响，包括会导致功率开关器件控制装置误动作、影响互感器的测量精度和使熔断器在没有超过额定值时就熔断等方面的影响。为保障电力系统的安全、稳定、经济运行，使用电设备安全、正常的工作，谐波问题应得到人们的高度重视。因此，怎样有效的治理谐波并将谐波控制在允许的范围内，具有非常重要的现实意义。谐波治

10、理的措施制定限制谐波的标准是解决电力系统谐波危害和影响的重要措施。为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多国家都制定了限制谐波的国家标准或全国性规定，其中较有影响的是们和。我国水利电力部早在年就颁发了电力系统谐波管理暂行规定引，到年，国家标准电能质量公用电网谐波钉正式颁布。尽管各国都制定了不同的谐波标准，但它们都有相似之处，且所有标准的都是基于以下三个目的：（）将电力系统中电流和电压波形的畸变控制在系统及其所接设备能够允许的范围；（）以符合用户需要的电压波形向用户供电；（）不干扰其它系统（如通讯系统）的正常工作。治理谐波污染的基本方法有两个：一是主动治理，即对其谐波源本身进行改造

11、，使其不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；二是被动治理，即装设谐波补偿装置，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或是阻碍电力系统的谐波流入负载端。采用主动治理方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样性，要完全消除谐波是不可能的。因此，装设谐波补偿装置对电网谐波进行有效的补偿是谐波治理的一个重要研究方向。无源滤波装设谐波补偿装置的传统方法是采用无源滤波器（）。利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流，同时还可以补偿无功功率。它具有结构简单、成本低和维护方便的优点。但由于其结构原理上的缺点，在应用中存在以下难以克服的缺点川：（）滤波特性容易受电网阻抗和

12、运行状态影响。电网的阻抗和谐波频率会随电力系统的运行工况而随时改变，从而影响滤波效果。（）容易和系统发生并联谐振。可能与系统发生并联谐振，从而使装置无法运行，进而导致谐波放大，引起过载甚至烧毁。（）只能补偿固定频率的谐波。当滤波器投入运行之后，若是谐波的频率和大小发生了变化，便会影响滤波效果。还需要根据高次谐波次数的多少来设置多个滤波电路。（）滤波器参数影响滤波性能。由于谐振频率依赖于元件参数，单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。另外，由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。参数的漂移将导

13、致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。（）随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在网络中产生很大的谐波电流。有源滤波目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（）。也是一种电力电子装置，其基本工作原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，注入电网，从而使电网电流只含基波成分。与相比，具有以下优点阳：（）能跟踪电网频率的变化，故补偿特性不受电网频率变化的影响；（）受电网阻抗的影响不大，不容易与电网阻抗发生串联或并联谐振，电网结构的变化不会影响补偿效果；（）实现了动态治理，可对频率和幅值都变化的谐波以及无功功率

14、进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；（）装置本身能完成输出限制，即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；（）具备多种补偿功能。可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；（）补偿谐波时所需贮能元件容量不大；（）补偿无功功率时不需要贮能元件；（）即可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。随着电力电子技术和控制技术的不断发展，有源电力滤波器逐渐成为研究的热点之一引。基于瞬时无功功率理论的谐波和无功检测方法的提出和不断完善，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，极大地促进了有源电力滤波器的发展。目前，有源电力

15、滤波器以成为能够代替无源滤波装置、改善电能质量的有效工具引。有源电力滤波器的发展现状有源电力滤波器的发展最早可以追述到世纪年代末。年和发表的论文中心引，描述了通过向电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。年，等首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理¨，但由于当时是采用线性放大的方法产小补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。年，等人提出了采用控制变流器构成的有源电力滤波器心引，确立了有源电力滤波器的概念，提出了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力

16、电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器仍局限于实验研究。进入世纪年代，随着电力电子技术以及控制技术的发展，对的研究也逐渐活跃起来，是电力电子技术领域研究的热点之一。年赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”他引，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在中得到了成功的应用，极大地促进了的发展。最早使用的为单独使用的并联型有源电力滤波器心们，发展至今，其主电路拓扑结构和控制原理都发生了变化，现有的一些拓扑结构如图所示。根据有源电力滤波器和电网的连接方式，可以分为并联型和串联型两大类。单独使用的并联型主电路结构简单，但由于变流器直接承受基波电压，所以其成本高且不

17、适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小变流器的容量和适应高电压的要求，年等人提出用并联型和并联的混合型有源电力滤波器心引。该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，因此其有源部分的谐波容量较小，且能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以功率开关器件的耐压等级并没有降低。年等人提出将与串联后再与电网并联的混合型心引。该方式利用承受了大部分的基波电压，所以变流器承受的基波电压小，适合于高电压系统的应用。但由于流过无源部分的基波电流都流入变流器，所以不能利用提供大容量的无功功率。根据无源元件的串、并联谐振特性，人们提出了注入式的结构。对于有源部分的注入电路，采用串联谐振电路能够大大降

18、低承受的基波电压和容量，同时还可以为系统提供无功功率，但是，其谐波容量相对较大且所能提供的无功容量也有限。还可以将并联谐振电路作为注入电路，这种结构同样能够大大降低承受的基波电压和容量，但其谐波容量也相对较大，而且不能利用无源元件提供无功功率：堕引竺并联型注入型并联谐振式隔磊磊有源滤波器的拓扑结构与荛喜覆蒂器卜十一低频高频逆变混合使用”。多重化逆变器嘲逆变器单独使用方式串联型与混合使用图有源电力滤波器的拓扑分类随着电力电子技术的发展，全控型功率开关器件的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低。年，等提出一种将串联型和并联型进行混合的方式，也称为统一电能质量调节器（）他引。虽然可以抑制电压闪变、

19、电压波动、不对称和谐波，却存在控制复杂和成本高的缺点，这是因为采用了双逆变器的原因。此外，还有许多双逆变器的拓扑结构，如由低频逆变器和高频逆变器并联构成的结构，他们都存在控制复杂和初期投入大的缺点。与电网串联连接的有源滤波器称为串联型。串联型单独使用方式是基本的串联型形式心引，其优点是能有效滤除电网的谐波电压，有源装置容量小和运行效率高；但也存在诸多缺点，如绝缘强度高，难以适应线路故障条件，不能进行无功功率动态补偿等。另外，负载的基波电流全都流过连接用的变压器，使其工程实用性受到了限制。近年来，为适应不同的工业应用要求，诸多串联型混合型结构在串联型单独使用方式的基础上发展起来¨，它们

20、也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点。由的工作原理可知，一般情况下，首先通过检测电路获取控制所需的参考信号，再通过电流跟踪控制电路产生控制信号去控制变流器，产生期望的补偿谐波。因此，检测电路和电流跟踪控制电路的性能直接影响到的补偿精度和补偿速度，是有源电力滤波器的关键环节。最早的谐波电流检测方法口¨¨是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波电流分量滤除，让谐波分量通过，或采用带通滤波器得到基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。这种方法存在难以设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等缺点，因而已很少使用。随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅里叶

21、分析的方法来检测谐波和无功电流。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得到所需的谐波和无功电流。其缺点是需要一定时间的电流值，且需要两次变换，计算量大，恤花费的时间较多，从而使得检测方法具有较长的延时，检测结果的实时性不好。基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得到检测结果，而在检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不超过一个电源周期的延时。电流跟踪控制电路的作用是根据检测所获得的参考信号，产生期望的谐波补偿电流。目前，电流跟踪控制的方法主要有滞环控制、滑模控制、无差拍控制、线性电流控制方法等。（）滞环控制阳以参考信号为基

22、准，设计一个滞环宽度，令实际的补偿电流跟踪这个滞环宽度，使其围绕参考值上下波动。这种方法具有控制电路简单、响应速度快的优点。但滞环宽度通常是固定的，由此可能导致主电路中开关器件的开关频率过高，造成开关器件的损坏。另外，由于补偿电流的跟踪误差是不固定的，导致补偿电流出现很多忽大忽小的毛刺。（）滑模控制口通过判断电流跟踪误差在切换曲面两侧中的哪一侧，直接选取相应的开关模式，控制率简单，系统响应迅速，而且，由于滑动模具有不变性使得系统的鲁棒性较强。但由于逆变器开关频率是不固定的，开关谐波的频率分布较广而不容易被滤除，这与滞环控制方法的缺点相同。（）无差拍控制阳方法是一种采用数字技术实现的预测控制方案

23、，它以控制电流误差等于零为目标，根据第时刻的补偿电流参考值和实际值，计算时刻的电流参考值及各种开关状态下变流器的电流输出值，选择使电流误差最小的开关模式作为时刻的开关状态。该方法能快速响应电流的突然变化，特别适合快速暂态控制，但计算复杂，对系统的参数依赖较大。（）线性电流控制方法是将电流的参考值和实际值之间的偏差通过一个比例积分调节器校正后与三角波进行调制，产生脉宽调制信号。由于传统的控制只能实现对直流信号（或变化缓慢的信号）的无差调节，而控制中的给定参考信号是由多个不同频率的谐波叠加而成的周期量，直接应用传统控制将很难消除系统稳态误差。（）基于同步旋转由坐标的控制阳引和基于静止坐标的广义积分

24、器控制阳引。前者通过同步旋转由坐标变换，将电流误差信号分解成多个直流信号，再对每个直流信号进行调节，得到相应的直流控制量后，再通过由反变换得到坐标系下的控制量，可见，该方法的计算量相当大。后者将多个针对不同频率谐波的广义积分器并联使用，再加上比例环节，构成广义积分控制器，该方法相对于同步旋转由坐标变换来说计算简单一些，但总的计算量还是很大。综上所述，研究可以适应不同工业应用场合的各类型有源电力滤波器拓扑结构、控制方法和理论，以提高有源电力滤波器的补偿性能，对推动有源电力滤波器的广泛应用、治理电网谐波和提高电能质量具有重要的理论和工程实践意义。本文所作的主要工作（）确定本文设计的基于改进型有源电

25、力滤波器的整体控制方案。（）研究了传统重复控制系统的稳态性能和稳定性能。对于纯延时的内模，传统重复控制能保证系统在误差信号基波及其整数倍基波频率处输出信号对输入信号的无差跟踪，但系统稳定性较差。对于引入低通滤波器的内模，传统重复控制提高了系统的稳定性，却很难消除系统稳态误差。低通滤波器转折频率的选择对系统的稳定性能和稳态性能造成很大的影响。转折频率小，系统稳定性好，稳态误差增大；转折频率过大，系统稳态误差变小，稳定性变差。（）在已有研究成果的基础上，本文提出了一种改进型重复控制算法。首先，提出了低通滤波器转折频率的选择标准，确定了转折频率的可选范围。其次，基于实现系统在误差信号基波及其整数倍基

26、波频率处的无差性能，推导出改进重复控制内模延时乃与转折频率和电网周期的关系。最后总结了改进型重复控制器参数的设计步骤。（）利用进行了单相有源电力滤波器的仿真实验，结果表明了本文提出的改进型重复控制算法的优越性。（）研制了一台有源电力滤波器的实验装置，通过实验，验证了本文设计的基于改进型重复控制的有源电力滤波器的补偿效果。第二章并联型有源电力滤波器控制策略研究在很多情况下，并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路，此时，有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。这种情况下，并联型有源电力滤波器本身表现出电流源的特性。

27、而串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可看作电压源的谐波源们。并联型有源电力滤波器是目前应用最多的一种，只要采用合适的控制方法，就可以达到多种补偿目的，它可以实现的功能也最为丰富。另一方面，电网中的谐波大部分是电流型谐波源引，因此本文以并联型有源电力滤波器作为研究对象。本章首先介绍了有源电力滤波器的基本工作原理，研究了几种常用的控制策略，最后确定了本文的控制方案。有源电力滤波器基本原理图为传统的并联型有源电力滤波器系统的原理图。图中为电网电流，非线性负载为谐波源，为负载电流。有源电力滤波器系统由两部分构成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电

28、路和主电路三部分组成）。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。图并联型有源电力滤波器系统构成图所示并联型有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得到补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路，得到补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功电流相抵消，使电源电流中只含有基波电流，最终达到抑制谐波的目的。上述补偿原理可用如下的一组公式来描述：屯工，肪（）（）（）（）一朋。上，式中，为负载电流中

29、的基波分量。如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波无功分量。有源电力滤波器的主电路目前均采用变流器。作为主电路的变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此有文献称其为逆变器。但它不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它即工作于逆变状态，也工作于整流状态，且两种状态无法严格区分。因此，本文称其为变流器。采用单个变流器的有源电力滤波器的主电路，根据其直流侧贮

30、能元件的不同可分为电压型和电流型两种。图和图分别给出了可用于三相三线制系统的两种主电路。图三相电压型变流器图三相电流型变流器如图和图，电压型变流器的直流侧并联一个大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源。电流型变流器直流侧接有大电感，正常工作时其电流基本不变，可看作电流源。与电压型变流器相比，电流型变流器不会因为主电路开关器件的直通而发生故障。但是由于电流型变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内祖上产生较大的损耗，因此，目前基本很少用。大部分都采用电压型变流器作为系统的主电路。有源电力滤波器控制策略由节有源电力滤波器基本原理可知，系统由指令电流运算电路和补偿电流

31、发生电路组成。传统的指令电流获取方式有傅里叶分析检测方法、基于瞬时无功功率的。、。检测方法、采用人工神经网络的检测方法等，以上几种方式都是基于检测负载电流谐波的控制方式，本文绪论部分已对它们的缺点做了介绍。本节首先研究了常用的控制策略，然后确定了本文的控制方案。现有的控制策略从有源电力滤波器的总体控制方式来看，控制策略可以分为开环控制和闭环控制两大类，闭环控制又可以分为单闭环控制和双闭环控制。开环控制由于实现简单，在的发展初期多采用这种策略¨。这种方法能够消除大部分的负载谐波电流，其补偿性能一般。单闭环控制一般采用整流电路单独给主电路直流侧电容供电，同时采取一定的稳压措施，使其电压玩

32、保持稳定，而无需外部控制，仅需实现电流闭环控制。这种方式需要附加电源，从而增加滤波装置的成本和损耗，而且附加电源的整流电路又成为新的谐波源，使的适应性和稳定性较差。双闭环控制增加了直流侧电压的控制，避免了以上缺陷，同时可以实时反映系统有功和无功功率的变化。传统的电流环控制方式为直接电流控制（检测负载电流控制）方式引，即节基本原理讨论所用的方法。在这种方式中，补偿电流能够较好地跟踪指令电流。但是，在主电路开关器件高频通断过程中，会产生其工作频率附近的一些高次谐波，通常需要设置由电感、电阻和电容组成的高通滤波器（）来消除这些高次谐波。考虑负载电流和有源电力滤波器电流，把它们之和屯，看作电流源，则反

33、映于电源内阻和内感尺。、厶关系的单相等效电路如图所示。则以。为输入、以。为输出时的传递函数：）为，）：堕；生兰（）式中铲去。筹吗尝兰鲁，去，去，。图单相等效电路图为单相等效电路传递函数的幅频特性，从图中可以看出，高次谐波可以很好地被滤除，但在角频率处却发生了谐振，造成负载中频率在附近的谐波被放大后流入电网，从而使有源电力滤波器补偿性能变差。图是直接电流控制原理结构图，其中，（）是指令电流运算电路的传函，。（）是变流器数学模型传函。从图中可以看出，直接电流控制方式需要在线检测负载电流，并实时计算出指令信号：，这对电流检测电路和指令电路运算电路提出了很高的要求，而且，由于指令信号：中含有谐波成分，

34、电流跟踪的难度较大且控制复杂。从图中还可以看出，对期望的电源电流。来说，系统是开环的。因此，对于补偿电流构成的闭环，即使对给定指令信号：的跟踪非常准确，补偿效果也会受到影响。国图：）的幅频特性图亘矮电流控制原理图由于本身是非线性的，它可以被看成一个有功率开关器件组成的脉冲电压功率放大电路，输出通过交流侧电感与电网相连，因此，的输出电流（补偿电流）中包含开关电流误差越。直接电流控制方式就是设计一个控制器，使输出电流能够准确跟踪指令信号：，其最终目的是维持电源电流为正弦波。实际上，补偿后的电源电流并非是标准的正弦波，还存在一定的误差。考虑补偿后理想的电源电流为，它与补偿后实际的电源电流存在关系，由

35、式（），）：，：一上。（）（）又存在关系式（）联立以上三式，可以得到，（）式（）说明，可以通过控制电源电流与电源指令电流之间的误差，达到间接控制输出电流，以补偿电网谐波的目的，因此，本文称该方法为间接电流控制（电源电流控制）¨。图是间接电流控制方法下的电流环控制结构图。在间接电流控制方式下，由于电流环控制器的输入用。取代了越。，因此，不需要检测负载电流的谐波分量，使指令电流的计算量大大减小。同时，指令电流的产生也大大简化，也无需对输出的补偿电流进行跟踪，使电流环控制器的设计简化，并且有利于提高控制系统的性能。图间接电流控制原理图电源电流控制方式的关键是指令电流：的计算引。考虑指令电流

36、的形式为射缈）（）其中，：是幅值信息，缸缈）是相位信息。是跟电网电压蚝同频同相的单位幅值正弦信号。利用直流侧电容电压的闭环控制作用，可直接得到电源有功电流分量的幅值：，即指令电流的幅值信息。可以从系统有功能量平衡理论来分析该结论。考虑电源电流为时电网输出有功功率只、有源滤波器输入功率尼和负载消耗的有功功率最之间的关系为兄一尼，只写为（）在稳态时，负载消耗的有功功率等于电网提供的有功功率，。上式可以改兄一尼一尼玑亿，）由式（）和（），得（），缸（）蛾还可用下式表示蛾枷（出（）一，通过变换，上式可化简为（）竺樊：一上蛾），（）由式（）和（）可以看出，当直流侧电容电压高于参考值吃时，电压环调节器输出

37、有功分量减小，指令电流也相应减小，电流环控制器控制电源电流跟踪，使输出补偿电流中的有功分量减小，导致直流侧电容放电，电压降低。当吃低于吃时，上述过程相反。本文的控制方案图本文控制方案原理图本文考虑采用双闭环间接电流控制方案，控制方案如图所示。图中，”。为电网电压，。为电网电流，为负载电流，为有源电力滤波器补偿电流，为有源电力滤波器直流侧电容电压，吃为直流侧电容参考电压，。表示与电网电压。同频同相的单位幅值正弦信号，：表示指令电流的幅值。有源电力滤波器的双闭环控制包括外环和内环。外环为电压环，用于产生指令电流；内环为电流环，保证电源电流实时跟踪指令电流。研究表明，直流侧电压误差为缓慢变化的直流信

38、号【引，因此，选择常规的控制器对电压误差进行比例积分控制是一种简单有效的方式。控制器的形式为伍，加）。电流环控制器的性能极大影响最终的补偿效果，其关键是使电源电流实时、准确地跟踪指令电流。控制器的输入是电源电流跟踪误差址，越。包含大量叠加的谐波分量。采用常规的控制，虽然可以获得固定的开关频率，但其控制效果不够理想，系统稳态误差不能完全消除，且闭环增益过大容易引起系统不稳定。采用滑模控制可以获得良好的动态性能，但由于抖振的不可消除性，频繁的开关频率改变导致输出电流波形产生大量毛刺¨。射。本文考虑采用重复控制设计电流环控制器，这也是本文的主要工作之一。设计电流环控制器的目的是构造一个无差

39、系统，使电源电流无差的跟踪指令电流。对于一个无差系统，当输入趋近于零时，如何持续输入适当的控制信号，以维持合适的控制作用，是保证系统性能的关键。当误差为零时，此时的系统输出与输入无关，如果控制器中包含反映外部指令信号或干扰信号的模型，那么含有此内模的系统可以持续不断地输出合适的控制信号。重复控制就是基于内模原理一种控制思想。本文将重复控制应用于有源电力滤波器，利用重复控制能对周期性的指令电流达到无差跟踪或对周期性的谐波干扰信号进行有效抑制的特点来提高有源电力滤波器的稳态性能畸。本章小结（）首先介绍了并联型有源电力滤波器的基本原理和常用的主电路拓扑结构。（）分析了传统的有源电力滤波器控制策略。在

40、研究有源电力滤波器双闭环控制策略的基础上，主要分析了传统电流环控制方法的特点，得出“对于期望的电源电流，系统是开环的这一结论。研究了间接电流控制策略，通过系统有功能量平衡推导出指令电流幅值变化等效于系统有功分量的变化。（）给出了本文的整体控制方案。采用双闭环间接电流控制策略，电压环用来计算指令电流，控制器采用常规的控制方法；电流环采用重复控制，以保证电源电流无差跟踪指令电流。第三章有源电力滤波器改进重复控制算法传统重复控制重复控制基本思想重复控制是世纪年代由日本学者中野道雄等人提出的一种新型控制系统设计理论，其基本思想是在控制系统中引入一种学习机制，使系统通过自身的学习来改善跟踪精度，最终实现

41、无稳态无差地跟踪任意周期目标的输入信号或对周期干扰信号进行有效的抑制拍劓。重复控制是基于内模原理的一种控制思想。内模原理的本质是把系统外部信号的动态模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。该原理指出【】【】：若要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力（即稳态时误差趋于零），并且这种对误差的调节过程是结构稳定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号（含指令信号和扰动信号）动力学特性的数学模型。如果内模中的数学模型描述的是周期性的信号，闭环控制系统就能够实现对输入的无差跟踪。当系统的给定或扰动为单一频率的正弦信号时，只需在控制器内植入与给定同频的模型（）缈彩），就

42、可以实现系统的无差跟踪。但是对于系统，输入量是包含多种频率的谐波电流，此时若要实现系统无稳态误差，只能针对不同频率的信号设置不同的内模，导致内模数量很大。因此，这种方法构造的内模从应用的角度而言不太合理，工程上也不易实现饰。考虑闭环传递函数为（）（一）的内模，其中乃为输入信号的周期，如图所示。对于这个周期性延时的正反馈环节，不论何种形式的输入，只要重复出现，而且频率是基波的整数倍，那么该内模的输出就是对输入信号的逐周期累加。当输入信号衰减为零，该内模依然会不断的逐周期输出与上周期相同的信号，其作用类似于积分环节，区别仅在于它是逐周期的累加，文献提出的比例递推积分控制与上述思想类似。采用包含这种

43、内模的重复控制器构成的闭环控制系统被称为重复控制系统。图传统重复控制器示意图传统重复控制无差特性将图图基于传统重复控制的电流环控制结构图图中）为传统重复控制器闭环传递函数，表达式如下：）专控制对象表示为：），）去其中，）表示逆变器模型的传递函数，）可系统的闭环传递函数为：）硼一再；丽）毫一）、其频率特性方程为：国）嘲易一毋国）（，彩）了二：万，国）缈）由欧拉公式口一乃缈一矗这里乃，为电网周期。于是式（）可以转化为：焉若面的控制框图。（）（）（）（）（）（），令缈：，代入式（），则（）（）上式说明闭环系统在电网工频及其整数倍频率处的幅值等于、相位移等于。也就是说，传统重复控制器可以保证闭环控制系统输出电流无差跟踪参考电流。系统的稳定性通过节式（）一（）的推导，分析了引入传统重复控制算法的控制系统的无差特性。本节将对系统的稳定性能展开分析。由式（）的特征方程。，令，将式（）代入，国、，（）、，。由此可见，闭环传递函数膨（）有无限多个极点分布在虚轴上，如图所示。图为肘（）的开环幅相曲线，开环幅相曲线穿过临界点（，），系统处于临界震荡状态，系统的稳定性较差，当被控对象参数稍有变化或有外部干扰时，整个闭环系统很可能不稳定。（、，一入一、国蛀图极点分布图幅相特性为了提高系统的稳定性，在图所示的重复控制系统中引入了一个低通滤波器。），此时，）转化成：詹）。南（