1、長沙理工大學碩士學位論文基于改進重復控制的有源電力濾波器研究姓名：馬迎召申請學位級別：碩士專業：控制理論與控制工程指導教師：唐欣;李茂軍20100401摘要隨著電力電子技術的不斷發展，大量的非線性負載接入電網，使電網電流電壓發生畸變，嚴重影響電網的電能質量。畸變電流電壓中含有的大量諧波，使電能的生產、傳輸和利用效率降低，嚴重危害電氣設備的正常使用，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生。“治理諧波污染，營造綠色電網已成為當前電力科技工作者所必須解決的問題。有源電力濾波器作為一種能動態、有效治理諧波的裝置，已成為近年來的研究熱點。其中，如何提高補償電流對參考電流的跟蹤精度、減小跟蹤誤差，是改善有源

2、電力濾波器補償效果的關鍵。補償電流對參考電流的跟蹤誤差是周期性的諧波信號，采用常規的控制，其控制效果不夠理想，且增益過大容易引起系統不穩定。重復控制器由于內模中包含描述跟蹤誤差信號的數學模型，在誤差信號的基波頻率及其整數倍頻率處能夠完全消除系統的穩態誤差，并在內模中引入低通濾波器以保證系統的穩定性。本文通過對傳統重復控制器穩定性和穩態性能的分析，發現低通濾波器的引入影響了系統的穩態性能，增大低通濾波器的轉折頻率可以提高系統的穩態控制精度，但過大的轉折頻率會引起系統不穩定。針對以上問題，本文設計了一種改進型重復控制器，給出了低通濾波器轉折頻率的選擇標準，推導出閉環系統無穩態誤差時重復控制器內模延

3、時乃、低通濾波器截止頻率皺和電網周期之間的關系，給出了改進重復控制器參數的設計步驟。仿真結果表明，本文提出的改進重復控制算法在保證系統穩定的同時，有效地提高了系統的穩態控制精度，比常規控制和傳統重復控制方法優越。最后，本文以為控制核心，采用作為功率單元，研制了單相有源電力濾波器實驗裝置，對系統的硬件部分和軟件部分的設計分別做了介紹，給出了控制算法的實現過程并畫出了流程圖。實驗結果表明，本文設計的基于改進型重復控制的有源電力濾波器能有效補償電網諧波和系統無功功率。關鍵詞：諧波；有源電力濾波器；雙閉環控制；改進重復控制；穩態誤差，。啪，“”，陽，：；長沙理工大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈

4、交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名：召鯉呂日期：糾。年廠月可日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權長沙理工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。本學位論文屬于、保

5、密口，在、不保密。年解密后適用本授權書。（請在以上相應方框內打“）作者簽名：馬餾舀日期年廠月訂刷醛輒懈字日期：叫拜可同）與目、第一章諧波治理的意義緒論理想電力系統中的電源是以單一恒定頻率（或）的正弦變化方式向電網供電，電網中各點的電流、電壓都是以單一恒定的供電頻率隨時間按正弦規律變化的量。但隨著電力電子技術的發展，各種電力電子裝置得到了廣泛應用，在帶來大量經濟效益的同時，也給電力系統造成極大的影響，其直接表現為電力系統中的電流和電壓波形發生畸變乜。發生畸變的電流和電壓的波形中不僅包含與電源同頻率的正弦量（稱為基波分量），還包括一系列頻率為基波頻率整倍數的正弦分量（稱為高次諧波分量），這一系列正

6、弦分量統稱為電力諧波口。在標準中諧波定義為“諧波為一個周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍”。諧波電流和諧波電壓嚴重污染了公用電網，使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的通信系統和公用電網以外的設備造成危害【】。諧波的危害主要表現在以下幾個方面心曲：（）增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線的壽命。諧波電流的存在，使輸電線路上產生諧波壓降，同時，也增加了輸電線路上的電流有效值，因而引起附加輸電損耗。當使用電纜輸電時，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強了介質的電場強度，嚴重影響了電纜的使用壽命。據相關資料介紹，由于諧波的影響，電纜的平均使用壽命將下降大約。（）對旋轉電機產生危害。諧波會在

7、電機的定子繞組、轉子回路、定子和轉子鐵芯中引起附加損耗和過熱。另外，諧波還會增大電機的噪聲、產生脈動轉矩、引起諧波過電壓。（）增加變壓器的損耗。諧波電流增加了變壓器的銅損耗和鐵損耗。變壓器在高次諧波電壓作用下還會產生集膚效應或鄰近效應，在繞組中引起附加銅耗，同時也使鐵耗相應增加。諧波電流還會引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件的發熱，并有可能引起變壓器局部嚴重過熱。另外，諧波還會引起變壓器噪聲增大。（）電力電容器引起諧振和諧波電流放大。在工頻頻率下，電容器的容抗比系統的感抗大得多，不會產生諧振。但對于諧波頻率而言，系統感抗大大增加而容抗大大減小，就有可能產生并聯諧振或串聯諧振。這種諧振會使諧

8、波電流放大幾倍到幾十倍，會對系統，特別是對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，常常使電容器和電抗器燒毀。（）造成繼電保護和自動裝置的誤動作。當電源電壓、電流發生諧波畸變時，依靠采樣數據或過零工作的數字繼電器容易產生誤差，這與繼電器的設計特點及原理密切相關，即諧波能夠改變繼電保護裝置的動作特性。另外，諧波還會使過電流、欠電壓、距離和周波等繼電器產生拒動和誤動，從而造成保護裝置的失靈和動作不穩定。（）引起電力測量的誤差。電氣測量儀表通常是按工頻正弦波設計的，當有諧波時，將會產生測量誤差。儀表的原理和結構不同，產生的誤差也不相同。比如，感應式電能表對設計參數以外的頻率的響應不靈敏，頻率越高，誤差

9、越大，而且為負誤差，當頻率約為時，電度表將會停止轉動。（）干擾通信系統。諧波的干擾會引起通信系統的噪聲，降低通話的清晰度。干擾嚴重時還會引起信號的丟失，在諧波和基波的共同作用下引起設備誤動作，甚至會危及設備和人身安全。比如電力載波通信、遠動裝置信號以及與架空線平行的通訊線路，諧波的影響都很大。（）對其它設備的影響，包括會導致功率開關器件控制裝置誤動作、影響互感器的測量精度和使熔斷器在沒有超過額定值時就熔斷等方面的影響。為保障電力系統的安全、穩定、經濟運行，使用電設備安全、正常的工作，諧波問題應得到人們的高度重視。因此，怎樣有效的治理諧波并將諧波控制在允許的范圍內，具有非常重要的現實意義。諧波治

10、理的措施制定限制諧波的標準是解決電力系統諧波危害和影響的重要措施。為了保證電網和用電設備的安全、穩定、經濟運行，目前許多國家都制定了限制諧波的國家標準或全國性規定，其中較有影響的是們和。我國水利電力部早在年就頒發了電力系統諧波管理暫行規定引，到年，國家標準電能質量公用電網諧波釘正式頒布。盡管各國都制定了不同的諧波標準，但它們都有相似之處，且所有標準的都是基于以下三個目的：（）將電力系統中電流和電壓波形的畸變控制在系統及其所接設備能夠允許的范圍；（）以符合用戶需要的電壓波形向用戶供電；（）不干擾其它系統（如通訊系統）的正常工作。治理諧波污染的基本方法有兩個：一是主動治理，即對其諧波源本身進行改造

11、，使其不產生諧波或降低諧波源產生的諧波；二是被動治理，即裝設諧波補償裝置，阻礙諧波源產生的諧波注入電網，或是阻礙電力系統的諧波流入負載端。采用主動治理方式，可有效限制諧波的產生，但由于諧波源的多樣性，要完全消除諧波是不可能的。因此，裝設諧波補償裝置對電網諧波進行有效的補償是諧波治理的一個重要研究方向。無源濾波裝設諧波補償裝置的傳統方法是采用無源濾波器（）。利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小流向電網的諧波電流，同時還可以補償無功功率。它具有結構簡單、成本低和維護方便的優點。但由于其結構原理上的缺點，在應用中存在以下難以克服的缺點川：（）濾波特性容易受電網阻抗和

12、運行狀態影響。電網的阻抗和諧波頻率會隨電力系統的運行工況而隨時改變，從而影響濾波效果。（）容易和系統發生并聯諧振。可能與系統發生并聯諧振，從而使裝置無法運行，進而導致諧波放大，引起過載甚至燒毀。（）只能補償固定頻率的諧波。當濾波器投入運行之后，若是諧波的頻率和大小發生了變化，便會影響濾波效果。還需要根據高次諧波次數的多少來設置多個濾波電路。（）濾波器參數影響濾波性能。由于諧振頻率依賴于元件參數，單調諧濾波器只能消除特定次數的諧波，高通濾波器只能消除截止頻率以上的諧波。另外，由于調諧偏移和殘余電阻的存在，調諧濾波器的阻抗等于零的理想條件是不可能出現的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果。參數的漂移將導

13、致濾波特性改變，使濾波性能不穩定。（）隨著電源側諧波源的增加，可能會引起濾波器的過載，電網中的某次諧波電壓可能在網絡中產生很大的諧波電流。有源濾波目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器（）。也是一種電力電子裝置，其基本工作原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，注入電網，從而使電網電流只含基波成分。與相比，具有以下優點陽：（）能跟蹤電網頻率的變化，故補償特性不受電網頻率變化的影響；（）受電網阻抗的影響不大，不容易與電網阻抗發生串聯或并聯諧振，電網結構的變化不會影響補償效果；（）實現了動態治理，可對頻率和幅值都變化的諧波以及無功功率

14、進行補償，對補償對象的變化有極快的響應；（）裝置本身能完成輸出限制，即使補償對象電流過大，有源電力濾波器也不會發生過載，并能正常發揮補償作用；（）具備多種補償功能。可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續調節；（）補償諧波時所需貯能元件容量不大；（）補償無功功率時不需要貯能元件；（）即可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償。隨著電力電子技術和控制技術的不斷發展，有源電力濾波器逐漸成為研究的熱點之一引。基于瞬時無功功率理論的諧波和無功檢測方法的提出和不斷完善，以及微機控制技術和數字信號處理技術的不斷進步，極大地促進了有源電力濾波器的發展。目前，有源電力

15、濾波器以成為能夠代替無源濾波裝置、改善電能質量的有效工具引。有源電力濾波器的發展現狀有源電力濾波器的發展最早可以追述到世紀年代末。年和發表的論文中心引，描述了通過向電網注入三次諧波電流來減少電源電流中的諧波成分，從而改善電源電流波形的新方法。年，等首次完整地描述了有源電力濾波器的基本原理¨，但由于當時是采用線性放大的方法產小補償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實驗室研究，未能在工業中實用。年，等人提出了采用控制變流器構成的有源電力濾波器心引，確立了有源電力濾波器的概念，提出了有源電力濾波器主電路的基本拓撲結構和控制方法。從原理上看，變流器是一種理想的補償電流發生電路，但是由于當時電力

16、電子技術的發展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，因而有源電力濾波器仍局限于實驗研究。進入世紀年代，隨著電力電子技術以及控制技術的發展，對的研究也逐漸活躍起來，是電力電子技術領域研究的熱點之一。年赤木泰文等人提出了“三相電路瞬時無功功率理論”他引，以該理論為基礎的諧波和無功電流檢測方法在中得到了成功的應用，極大地促進了的發展。最早使用的為單獨使用的并聯型有源電力濾波器心們，發展至今，其主電路拓撲結構和控制原理都發生了變化，現有的一些拓撲結構如圖所示。根據有源電力濾波器和電網的連接方式，可以分為并聯型和串聯型兩大類。單獨使用的并聯型主電路結構簡單，但由于變流器直接承受基波電壓，所以其成本高且不

17、適合高電壓系統的補償。為降低成本、減小變流器的容量和適應高電壓的要求，年等人提出用并聯型和并聯的混合型有源電力濾波器心引。該方式利用無源部分濾除了大部分的諧波，因此其有源部分的諧波容量較小，且能夠提供一定的無功功率，但逆變器仍然直接承受了基波電壓，所以功率開關器件的耐壓等級并沒有降低。年等人提出將與串聯后再與電網并聯的混合型心引。該方式利用承受了大部分的基波電壓，所以變流器承受的基波電壓小，適合于高電壓系統的應用。但由于流過無源部分的基波電流都流入變流器，所以不能利用提供大容量的無功功率。根據無源元件的串、并聯諧振特性，人們提出了注入式的結構。對于有源部分的注入電路，采用串聯諧振電路能夠大大降

18、低承受的基波電壓和容量，同時還可以為系統提供無功功率，但是，其諧波容量相對較大且所能提供的無功容量也有限。還可以將并聯諧振電路作為注入電路，這種結構同樣能夠大大降低承受的基波電壓和容量，但其諧波容量也相對較大，而且不能利用無源元件提供無功功率：墮引竺并聯型注入型并聯諧振式隔磊磊有源濾波器的拓撲結構與蕘喜覆蒂器卜十一低頻高頻逆變混合使用”。多重化逆變器嘲逆變器單獨使用方式串聯型與混合使用圖有源電力濾波器的拓撲分類隨著電力電子技術的發展，全控型功率開關器件的電壓和電流額定值不斷提高，成本不斷降低。年，等提出一種將串聯型和并聯型進行混合的方式，也稱為統一電能質量調節器（）他引。雖然可以抑制電壓閃變、

19、電壓波動、不對稱和諧波，卻存在控制復雜和成本高的缺點，這是因為采用了雙逆變器的原因。此外，還有許多雙逆變器的拓撲結構，如由低頻逆變器和高頻逆變器并聯構成的結構，他們都存在控制復雜和初期投入大的缺點。與電網串聯連接的有源濾波器稱為串聯型。串聯型單獨使用方式是基本的串聯型形式心引，其優點是能有效濾除電網的諧波電壓，有源裝置容量小和運行效率高；但也存在諸多缺點，如絕緣強度高，難以適應線路故障條件，不能進行無功功率動態補償等。另外，負載的基波電流全都流過連接用的變壓器，使其工程實用性受到了限制。近年來，為適應不同的工業應用要求，諸多串聯型混合型結構在串聯型單獨使用方式的基礎上發展起來¨，它們

20、也都同樣存在絕緣強度高和難以適應線路故障的缺點。由的工作原理可知，一般情況下，首先通過檢測電路獲取控制所需的參考信號，再通過電流跟蹤控制電路產生控制信號去控制變流器，產生期望的補償諧波。因此，檢測電路和電流跟蹤控制電路的性能直接影響到的補償精度和補償速度，是有源電力濾波器的關鍵環節。最早的諧波電流檢測方法口¨¨是采用模擬濾波器來實現，即采用陷波器將基波電流分量濾除，讓諧波分量通過，或采用帶通濾波器得到基波分量，再與被檢測電流相減得到諧波分量。這種方法存在難以設計、誤差大、對電網頻率波動和電路元件參數十分敏感等缺點，因而已很少使用。隨著計算機和微電子技術的發展，開始采用傅里葉

21、分析的方法來檢測諧波和無功電流。這種方法根據采集到的一個電源周期的電流值進行計算，最終得到所需的諧波和無功電流。其缺點是需要一定時間的電流值，且需要兩次變換，計算量大，恤花費的時間較多，從而使得檢測方法具有較長的延時，檢測結果的實時性不好。基于瞬時無功功率理論的方法，在只檢測無功電流時，可以完全無延時地得到檢測結果，而在檢測諧波電流時，因被檢測對象電流中諧波的構成和采用濾波器的不同，會有不超過一個電源周期的延時。電流跟蹤控制電路的作用是根據檢測所獲得的參考信號，產生期望的諧波補償電流。目前，電流跟蹤控制的方法主要有滯環控制、滑模控制、無差拍控制、線性電流控制方法等。（）滯環控制陽以參考信號為基

22、準，設計一個滯環寬度，令實際的補償電流跟蹤這個滯環寬度，使其圍繞參考值上下波動。這種方法具有控制電路簡單、響應速度快的優點。但滯環寬度通常是固定的，由此可能導致主電路中開關器件的開關頻率過高，造成開關器件的損壞。另外，由于補償電流的跟蹤誤差是不固定的，導致補償電流出現很多忽大忽小的毛刺。（）滑模控制口通過判斷電流跟蹤誤差在切換曲面兩側中的哪一側，直接選取相應的開關模式，控制率簡單，系統響應迅速，而且，由于滑動模具有不變性使得系統的魯棒性較強。但由于逆變器開關頻率是不固定的，開關諧波的頻率分布較廣而不容易被濾除，這與滯環控制方法的缺點相同。（）無差拍控制陽方法是一種采用數字技術實現的預測控制方案

23、，它以控制電流誤差等于零為目標，根據第時刻的補償電流參考值和實際值，計算時刻的電流參考值及各種開關狀態下變流器的電流輸出值，選擇使電流誤差最小的開關模式作為時刻的開關狀態。該方法能快速響應電流的突然變化，特別適合快速暫態控制，但計算復雜，對系統的參數依賴較大。（）線性電流控制方法是將電流的參考值和實際值之間的偏差通過一個比例積分調節器校正后與三角波進行調制，產生脈寬調制信號。由于傳統的控制只能實現對直流信號（或變化緩慢的信號）的無差調節，而控制中的給定參考信號是由多個不同頻率的諧波疊加而成的周期量，直接應用傳統控制將很難消除系統穩態誤差。（）基于同步旋轉由坐標的控制陽引和基于靜止坐標的廣義積分

24、器控制陽引。前者通過同步旋轉由坐標變換，將電流誤差信號分解成多個直流信號，再對每個直流信號進行調節，得到相應的直流控制量后，再通過由反變換得到坐標系下的控制量，可見，該方法的計算量相當大。后者將多個針對不同頻率諧波的廣義積分器并聯使用，再加上比例環節，構成廣義積分控制器，該方法相對于同步旋轉由坐標變換來說計算簡單一些，但總的計算量還是很大。綜上所述，研究可以適應不同工業應用場合的各類型有源電力濾波器拓撲結構、控制方法和理論，以提高有源電力濾波器的補償性能，對推動有源電力濾波器的廣泛應用、治理電網諧波和提高電能質量具有重要的理論和工程實踐意義。本文所作的主要工作（）確定本文設計的基于改進型有源電

25、力濾波器的整體控制方案。（）研究了傳統重復控制系統的穩態性能和穩定性能。對于純延時的內模，傳統重復控制能保證系統在誤差信號基波及其整數倍基波頻率處輸出信號對輸入信號的無差跟蹤，但系統穩定性較差。對于引入低通濾波器的內模，傳統重復控制提高了系統的穩定性，卻很難消除系統穩態誤差。低通濾波器轉折頻率的選擇對系統的穩定性能和穩態性能造成很大的影響。轉折頻率小，系統穩定性好，穩態誤差增大；轉折頻率過大，系統穩態誤差變小，穩定性變差。（）在已有研究成果的基礎上，本文提出了一種改進型重復控制算法。首先，提出了低通濾波器轉折頻率的選擇標準，確定了轉折頻率的可選范圍。其次，基于實現系統在誤差信號基波及其整數倍基

26、波頻率處的無差性能，推導出改進重復控制內模延時乃與轉折頻率和電網周期的關系。最后總結了改進型重復控制器參數的設計步驟。（）利用進行了單相有源電力濾波器的仿真實驗，結果表明了本文提出的改進型重復控制算法的優越性。（）研制了一臺有源電力濾波器的實驗裝置，通過實驗，驗證了本文設計的基于改進型重復控制的有源電力濾波器的補償效果。第二章并聯型有源電力濾波器控制策略研究在很多情況下，并聯型有源電力濾波器主要用于補償可以看作電流源的諧波源，如直流側為阻感負載的整流電路，此時，有源電力濾波器向電網注入補償電流，抵消諧波源產生的諧波，使電源電流成為正弦波。這種情況下，并聯型有源電力濾波器本身表現出電流源的特性。

27、而串聯型有源電力濾波器與并聯型有源電力濾波器不同，主要用于補償可看作電壓源的諧波源們。并聯型有源電力濾波器是目前應用最多的一種，只要采用合適的控制方法，就可以達到多種補償目的，它可以實現的功能也最為豐富。另一方面，電網中的諧波大部分是電流型諧波源引，因此本文以并聯型有源電力濾波器作為研究對象。本章首先介紹了有源電力濾波器的基本工作原理，研究了幾種常用的控制策略，最后確定了本文的控制方案。有源電力濾波器基本原理圖為傳統的并聯型有源電力濾波器系統的原理圖。圖中為電網電流，非線性負載為諧波源，為負載電流。有源電力濾波器系統由兩部分構成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路（由電流跟蹤控制電路、驅動電

28、路和主電路三部分組成）。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功電流分量，因此有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，產生實際的補償電流。圖并聯型有源電力濾波器系統構成圖所示并聯型有源電力濾波器的基本工作原理是：檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算電路計算得到補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路，得到補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波和無功電流相抵消，使電源電流中只含有基波電流，最終達到抑制諧波的目的。上述補償原理可用如下的一組公式來描述：屯工，肪（）（）（）（）一朋。上，式中，為負載電流中

29、的基波分量。如果要求有源電力濾波器在補償諧波的同時，補償負載的無功功率，只要在補償電流的指令信號中增加與負載電流的基波無功分量反極性的成分即可。這樣，補償電流與負載電流中的諧波及無功成分相抵消，電源電流等于負載電流的基波無功分量。有源電力濾波器的主電路目前均采用變流器。作為主電路的變流器，在產生補償電流時，主要作為逆變器工作，因此有文獻稱其為逆變器。但它不僅僅是作為逆變器而工作的，如在電網向有源電力濾波器直流側貯能元件充電時，它就作為整流器工作。也就是說，它即工作于逆變狀態，也工作于整流狀態，且兩種狀態無法嚴格區分。因此，本文稱其為變流器。采用單個變流器的有源電力濾波器的主電路，根據其直流側貯

30、能元件的不同可分為電壓型和電流型兩種。圖和圖分別給出了可用于三相三線制系統的兩種主電路。圖三相電壓型變流器圖三相電流型變流器如圖和圖，電壓型變流器的直流側并聯一個大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變，可看作電壓源。電流型變流器直流側接有大電感，正常工作時其電流基本不變，可看作電流源。與電壓型變流器相比，電流型變流器不會因為主電路開關器件的直通而發生故障。但是由于電流型變流器直流側大電感上始終有電流流過，該電流將在大電感的內祖上產生較大的損耗，因此，目前基本很少用。大部分都采用電壓型變流器作為系統的主電路。有源電力濾波器控制策略由節有源電力濾波器基本原理可知，系統由指令電流運算電路和補償電流

31、發生電路組成。傳統的指令電流獲取方式有傅里葉分析檢測方法、基于瞬時無功功率的。、。檢測方法、采用人工神經網絡的檢測方法等，以上幾種方式都是基于檢測負載電流諧波的控制方式，本文緒論部分已對它們的缺點做了介紹。本節首先研究了常用的控制策略，然后確定了本文的控制方案。現有的控制策略從有源電力濾波器的總體控制方式來看，控制策略可以分為開環控制和閉環控制兩大類，閉環控制又可以分為單閉環控制和雙閉環控制。開環控制由于實現簡單，在的發展初期多采用這種策略¨。這種方法能夠消除大部分的負載諧波電流，其補償性能一般。單閉環控制一般采用整流電路單獨給主電路直流側電容供電，同時采取一定的穩壓措施，使其電壓玩

32、保持穩定，而無需外部控制，僅需實現電流閉環控制。這種方式需要附加電源，從而增加濾波裝置的成本和損耗，而且附加電源的整流電路又成為新的諧波源，使的適應性和穩定性較差。雙閉環控制增加了直流側電壓的控制，避免了以上缺陷，同時可以實時反映系統有功和無功功率的變化。傳統的電流環控制方式為直接電流控制（檢測負載電流控制）方式引，即節基本原理討論所用的方法。在這種方式中，補償電流能夠較好地跟蹤指令電流。但是，在主電路開關器件高頻通斷過程中，會產生其工作頻率附近的一些高次諧波，通常需要設置由電感、電阻和電容組成的高通濾波器（）來消除這些高次諧波。考慮負載電流和有源電力濾波器電流，把它們之和屯，看作電流源，則反

33、映于電源內阻和內感尺。、厶關系的單相等效電路如圖所示。則以。為輸入、以。為輸出時的傳遞函數：）為，）：墮；生蘭（）式中鏟去。籌嗎嘗蘭魯，去，去，。圖單相等效電路圖為單相等效電路傳遞函數的幅頻特性，從圖中可以看出，高次諧波可以很好地被濾除，但在角頻率處卻發生了諧振，造成負載中頻率在附近的諧波被放大后流入電網，從而使有源電力濾波器補償性能變差。圖是直接電流控制原理結構圖，其中，（）是指令電流運算電路的傳函，。（）是變流器數學模型傳函。從圖中可以看出，直接電流控制方式需要在線檢測負載電流，并實時計算出指令信號：，這對電流檢測電路和指令電路運算電路提出了很高的要求，而且，由于指令信號：中含有諧波成分，

34、電流跟蹤的難度較大且控制復雜。從圖中還可以看出，對期望的電源電流。來說，系統是開環的。因此，對于補償電流構成的閉環，即使對給定指令信號：的跟蹤非常準確，補償效果也會受到影響。國圖：）的幅頻特性圖亙矮電流控制原理圖由于本身是非線性的，它可以被看成一個有功率開關器件組成的脈沖電壓功率放大電路，輸出通過交流側電感與電網相連，因此，的輸出電流（補償電流）中包含開關電流誤差越。直接電流控制方式就是設計一個控制器，使輸出電流能夠準確跟蹤指令信號：，其最終目的是維持電源電流為正弦波。實際上，補償后的電源電流并非是標準的正弦波，還存在一定的誤差。考慮補償后理想的電源電流為，它與補償后實際的電源電流存在關系，由

35、式（），）：，：一上。（）（）又存在關系式（）聯立以上三式，可以得到，（）式（）說明，可以通過控制電源電流與電源指令電流之間的誤差，達到間接控制輸出電流，以補償電網諧波的目的，因此，本文稱該方法為間接電流控制（電源電流控制）¨。圖是間接電流控制方法下的電流環控制結構圖。在間接電流控制方式下，由于電流環控制器的輸入用。取代了越。，因此，不需要檢測負載電流的諧波分量，使指令電流的計算量大大減小。同時，指令電流的產生也大大簡化，也無需對輸出的補償電流進行跟蹤，使電流環控制器的設計簡化，并且有利于提高控制系統的性能。圖間接電流控制原理圖電源電流控制方式的關鍵是指令電流：的計算引。考慮指令電流

36、的形式為射緲）（）其中，：是幅值信息，缸緲）是相位信息。是跟電網電壓蠔同頻同相的單位幅值正弦信號。利用直流側電容電壓的閉環控制作用，可直接得到電源有功電流分量的幅值：，即指令電流的幅值信息。可以從系統有功能量平衡理論來分析該結論。考慮電源電流為時電網輸出有功功率只、有源濾波器輸入功率尼和負載消耗的有功功率最之間的關系為兄一尼，只寫為（）在穩態時，負載消耗的有功功率等于電網提供的有功功率，。上式可以改兄一尼一尼璣億，）由式（）和（），得（），缸（）蛾還可用下式表示蛾枷（出（）一，通過變換，上式可化簡為（）竺樊：一上蛾），（）由式（）和（）可以看出，當直流側電容電壓高于參考值吃時，電壓環調節器輸出

37、有功分量減小，指令電流也相應減小，電流環控制器控制電源電流跟蹤，使輸出補償電流中的有功分量減小，導致直流側電容放電，電壓降低。當吃低于吃時，上述過程相反。本文的控制方案圖本文控制方案原理圖本文考慮采用雙閉環間接電流控制方案，控制方案如圖所示。圖中，”。為電網電壓，。為電網電流，為負載電流，為有源電力濾波器補償電流，為有源電力濾波器直流側電容電壓，吃為直流側電容參考電壓，。表示與電網電壓。同頻同相的單位幅值正弦信號，：表示指令電流的幅值。有源電力濾波器的雙閉環控制包括外環和內環。外環為電壓環，用于產生指令電流；內環為電流環，保證電源電流實時跟蹤指令電流。研究表明，直流側電壓誤差為緩慢變化的直流信

38、號【引，因此，選擇常規的控制器對電壓誤差進行比例積分控制是一種簡單有效的方式。控制器的形式為伍，加）。電流環控制器的性能極大影響最終的補償效果，其關鍵是使電源電流實時、準確地跟蹤指令電流。控制器的輸入是電源電流跟蹤誤差址，越。包含大量疊加的諧波分量。采用常規的控制，雖然可以獲得固定的開關頻率，但其控制效果不夠理想，系統穩態誤差不能完全消除，且閉環增益過大容易引起系統不穩定。采用滑模控制可以獲得良好的動態性能，但由于抖振的不可消除性，頻繁的開關頻率改變導致輸出電流波形產生大量毛刺¨。射。本文考慮采用重復控制設計電流環控制器，這也是本文的主要工作之一。設計電流環控制器的目的是構造一個無差

39、系統，使電源電流無差的跟蹤指令電流。對于一個無差系統，當輸入趨近于零時，如何持續輸入適當的控制信號，以維持合適的控制作用，是保證系統性能的關鍵。當誤差為零時，此時的系統輸出與輸入無關，如果控制器中包含反映外部指令信號或干擾信號的模型，那么含有此內模的系統可以持續不斷地輸出合適的控制信號。重復控制就是基于內模原理一種控制思想。本文將重復控制應用于有源電力濾波器，利用重復控制能對周期性的指令電流達到無差跟蹤或對周期性的諧波干擾信號進行有效抑制的特點來提高有源電力濾波器的穩態性能畸。本章小結（）首先介紹了并聯型有源電力濾波器的基本原理和常用的主電路拓撲結構。（）分析了傳統的有源電力濾波器控制策略。在

40、研究有源電力濾波器雙閉環控制策略的基礎上，主要分析了傳統電流環控制方法的特點，得出“對于期望的電源電流，系統是開環的這一結論。研究了間接電流控制策略，通過系統有功能量平衡推導出指令電流幅值變化等效于系統有功分量的變化。（）給出了本文的整體控制方案。采用雙閉環間接電流控制策略，電壓環用來計算指令電流，控制器采用常規的控制方法；電流環采用重復控制，以保證電源電流無差跟蹤指令電流。第三章有源電力濾波器改進重復控制算法傳統重復控制重復控制基本思想重復控制是世紀年代由日本學者中野道雄等人提出的一種新型控制系統設計理論，其基本思想是在控制系統中引入一種學習機制，使系統通過自身的學習來改善跟蹤精度，最終實現

41、無穩態無差地跟蹤任意周期目標的輸入信號或對周期干擾信號進行有效的抑制拍劓。重復控制是基于內模原理的一種控制思想。內模原理的本質是把系統外部信號的動態模型植入控制器以構成高精度的反饋控制系統。該原理指出【】【】：若要求一個反饋控制系統具有良好的跟蹤指令以及抵消擾動影響的能力（即穩態時誤差趨于零），并且這種對誤差的調節過程是結構穩定的，則在反饋控制環路內部必須包含一個描述外部輸入信號（含指令信號和擾動信號）動力學特性的數學模型。如果內模中的數學模型描述的是周期性的信號，閉環控制系統就能夠實現對輸入的無差跟蹤。當系統的給定或擾動為單一頻率的正弦信號時，只需在控制器內植入與給定同頻的模型（）緲彩），就

42、可以實現系統的無差跟蹤。但是對于系統，輸入量是包含多種頻率的諧波電流，此時若要實現系統無穩態誤差，只能針對不同頻率的信號設置不同的內模，導致內模數量很大。因此，這種方法構造的內模從應用的角度而言不太合理，工程上也不易實現飾。考慮閉環傳遞函數為（）（一）的內模，其中乃為輸入信號的周期，如圖所示。對于這個周期性延時的正反饋環節，不論何種形式的輸入，只要重復出現，而且頻率是基波的整數倍，那么該內模的輸出就是對輸入信號的逐周期累加。當輸入信號衰減為零，該內模依然會不斷的逐周期輸出與上周期相同的信號，其作用類似于積分環節，區別僅在于它是逐周期的累加，文獻提出的比例遞推積分控制與上述思想類似。采用包含這種

43、內模的重復控制器構成的閉環控制系統被稱為重復控制系統。圖傳統重復控制器示意圖傳統重復控制無差特性將圖圖基于傳統重復控制的電流環控制結構圖圖中）為傳統重復控制器閉環傳遞函數，表達式如下：）專控制對象表示為：），）去其中，）表示逆變器模型的傳遞函數，）可系統的閉環傳遞函數為：）硼一再；麗）毫一）、其頻率特性方程為：國）嘲易一毋國）（，彩）了二：萬，國）緲）由歐拉公式口一乃緲一矗這里乃，為電網周期。于是式（）可以轉化為：焉若面的控制框圖。（）（）（）（）（）（），令緲：，代入式（），則（）（）上式說明閉環系統在電網工頻及其整數倍頻率處的幅值等于、相位移等于。也就是說，傳統重復控制器可以保證閉環控制系統輸出電流無差跟蹤參考電流。系統的穩定性通過節式（）一（）的推導，分析了引入傳統重復控制算法的控制系統的無差特性。本節將對系統的穩定性能展開分析。由式（）的特征方程。，令，將式（）代入，國、，（）、，。由此可見，閉環傳遞函數膨（）有無限多個極點分布在虛軸上，如圖所示。圖為肘（）的開環幅相曲線，開環幅相曲線穿過臨界點（，），系統處于臨界震蕩狀態，系統的穩定性較差，當被控對象參數稍有變化或有外部干擾時，整個閉環系統很可能不穩定。（、，一入一、國蛀圖極點分布圖幅相特性為了提高系統的穩定性，在圖所示的重復控制系統中引入了一個低通濾波器。），此時，）轉化成：詹）。南（