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越来越多的电力电子装置在工频电力系统、航空电力系统等领域得到应用,使得电网电流及电网的公共耦合点电压发生畸变,从而导致谐波问题严重,影响电网系统的供电可靠性与电能质量。由于有源电力滤波器(Active Power Filter, SAPF)不仅对系统阻抗变化不敏感,并且具有可控性与灵活性,因此得到了广泛的应用。APF应用于50Hz系统的研究已较为成熟,而航空系统的基波频率为400Hz,基波频率相比于民用电网频率更高,因此对SAPF的开关频率及其控制策略的快速性与谐波补偿准确性要求更高。本文选取开关频率为100kHz的高频SAPF作为研究对象,对PI、PI+传统重复、PI+六倍频快速重复以及分数阶快速重复控制策略进行了比较研究,分别对50Hz、400Hz系统的谐波补偿效果进行了理论分析、仿真与样机实验验证。
由于高频SAPF的开关频率为100kHz,若仅采用PI控制器,其电流环带宽能够满足50Hz系统的谐波补偿要求;而400Hz系统的谐波电流频率为工频电网的8倍,该SAPF的电流环带宽无法对50次以内的谐波进行控制,补偿效果不理想。
由于SAPF的指令电流为非线性负载中谐波电流分量,而传统重复控制根据内模原理能够跟踪该指令电流,因此PI+传统重复控制能够对50Hz系统与400Hz系统进行准确的谐波补偿,补偿后电网电流的THD均在3%以内。而传统重复控制需要利用上一个基波周期的指令信号来构建其内模环节,导致动态响应存在延时。为了提高SAPF的动态响应速度,将传统重复控制内模环节的控制频率提高为原来的6倍而得到六倍频快速重复控制;在dq坐标系下,高频SAPF的谐波电流次数为基波频率的6k倍,该控制策略的内模环节仅对6k次谐波电流进行控制,降低了内模环节的延时时间,从而可以提高SAPF的动态响应速度;但开关频率选取不当会导致内模的延时点数N(由开关频率与电网基波频率相除得到)不为整数,从而导致电流环对SAPF的指令电流跟踪不准确,补偿效果不理想。
为了克服六倍频快速重复控制存在延时点数不为整数、传统重复控制无法适应电网频率偏移的缺点,可以采用PI+分数阶快速重复控制策略。根据拉格朗日插值法,将重复控制延时环节的小数部分转化为有数个整数阶延时环节的并联,通过比较不同插值点与插值长度的拟合效果,对重复控制内模的延时点数不为整数以及电网存在频率偏移时的控制器参数进行优化设计。仿真结果表明,分数阶重复控制策略下的高频SAPF不仅具有良好的谐波补偿效果,同时还具有良好的动态响应速度,对电网的频率偏移也具有良好的适应性。本文的研究工作同样也适用于其他三相变换器。
由于高频SAPF的开关频率为100kHz,若仅采用PI控制器,其电流环带宽能够满足50Hz系统的谐波补偿要求;而400Hz系统的谐波电流频率为工频电网的8倍,该SAPF的电流环带宽无法对50次以内的谐波进行控制,补偿效果不理想。
由于SAPF的指令电流为非线性负载中谐波电流分量,而传统重复控制根据内模原理能够跟踪该指令电流,因此PI+传统重复控制能够对50Hz系统与400Hz系统进行准确的谐波补偿,补偿后电网电流的THD均在3%以内。而传统重复控制需要利用上一个基波周期的指令信号来构建其内模环节,导致动态响应存在延时。为了提高SAPF的动态响应速度,将传统重复控制内模环节的控制频率提高为原来的6倍而得到六倍频快速重复控制;在dq坐标系下,高频SAPF的谐波电流次数为基波频率的6k倍,该控制策略的内模环节仅对6k次谐波电流进行控制,降低了内模环节的延时时间,从而可以提高SAPF的动态响应速度;但开关频率选取不当会导致内模的延时点数N(由开关频率与电网基波频率相除得到)不为整数,从而导致电流环对SAPF的指令电流跟踪不准确,补偿效果不理想。
为了克服六倍频快速重复控制存在延时点数不为整数、传统重复控制无法适应电网频率偏移的缺点,可以采用PI+分数阶快速重复控制策略。根据拉格朗日插值法,将重复控制延时环节的小数部分转化为有数个整数阶延时环节的并联,通过比较不同插值点与插值长度的拟合效果,对重复控制内模的延时点数不为整数以及电网存在频率偏移时的控制器参数进行优化设计。仿真结果表明,分数阶重复控制策略下的高频SAPF不仅具有良好的谐波补偿效果,同时还具有良好的动态响应速度,对电网的频率偏移也具有良好的适应性。本文的研究工作同样也适用于其他三相变换器。