PID控制在并聯型有源電力濾波器中的有效性研究

◎吳 萍

技術與應用

PID控制在并聯型有源電力濾波器中的有效性研究

◎吳 萍

（三門峽職業技術學院 電氣工程學院，河南 三門峽 472000）

對比分析了PI及PID控制器各自的特點及幅頻特性。利用PSCAD仿真軟件，對PID控制器在APF中的應用進行了仿真試驗，得到了其在電流源負載情況下的濾波效果。試驗結果表明：通過合理調節PID控制器比例系數、積分常數和微分常數，可使系統獲得較高的穩態性能和較好的動態特性，但同時也發現它在濾除特定頻次諧波的同時放大了其他頻次的諧波電流。

PID控制；有源電力濾波器；諧波抑制

為保障電網的安全、經濟、穩定運行，確保設備正常工作，必須進行諧波治理。諧波污染主要源于非線性用電設備和電力電子設備的廣泛采用產生的大量諧波電流和無功電流[1-2]。有源電力濾波器APF(Active Power Filter)是抑制諧波、補償無功、補償負序電流和零序電流、提高電能質量的有力措施之一，與傳統的無源電力濾波器PPF(Passive Power Filter)相比，它能實時跟蹤電網諧波電流與頻率的變化，實施動態、準確的補償，且結構輕巧，運行靈活，具有很好的經濟效益與應用前景。國外一些國家已將APF作為改善電能質量的關鍵技術和措施運用于工業生產，但APF在國內的工業應用尚不成熟，還有許多關鍵的技術問題需要進一步研究與解決。

控制策略是APF正常運行的重要保障，它直接影響APF的補償精度與動態特性。PI控制器能較好地改善系統的穩態性能，但不宜應用于有較大慣性滯后的控制系統。通過合理調節PID控制器比例系數、積分常數和微分常數，可使系統獲得較高的穩態性能和較好的動態特性。

1 并聯型APF的基本構成

由文獻[3、4]可知，APF的基本構成主要包括主電路、諧波檢測、控制系統、耦合變壓器等。其主電路由VSI以及輸出濾波器組成。APF主電路中的變流器既可以工作于逆變狀態，產生補償電流；也可以工作于整流狀態，通過電網向APF直流側充電儲能，為便于研究和保證通用性，這里統稱其為電壓源逆變器(Voltage Source Inverter，VSI)。VSI主要由兩部分組成[3]，即電力電子開關器件IGBT和直流側電容器C，IGBT組成的三相六臂逆變橋的作用是將電容器上的直流電壓逆變為具有一定頻率和幅值的交流電壓。輸出濾波器OF環節負責將VSI與電網耦合在一起，同時可以濾除VSI輸出電流中的高次諧波電流。

（1）諧波檢測環節

諧波檢測主要由CT、預處理環節、PT、采樣保持與A/D轉換等部分構成。

（2）控制系統

控制系統主要包括電網電壓和負載電流信號的檢測、參考電流計算、控制方法實現和PWM調制幾個環節[3]，如圖2所示。

由控制算法對電壓電流檢測環節輸出的數字信號進行計算，按照檢測結果用一定控制方法產生觸發脈沖，之后，APF的變流器經主開關驅動電路控制產生相應的補償電流。APF的控制系統有模擬控制、數字控制、模擬數字混合控制三種類型。近年來，隨著單片機和DSP技術日趨發展，APF由模擬控制逐步向模數混合控制以及純數字控制轉換。

（3）主電路

APF的主電路按照結構不同，一般可分為三相三線制和三相四線制兩種，同時這兩種結構中又包含許多其他的結構[4]，應用時，可結合系統實際情況以及不同結構特點，靈活選用。

（4）耦合變壓器

對10kV及以上電力系統，受現有開關器件電壓與電流容量的限制，逆變器的電壓和電流一般經耦合變壓器接入電力系統中，而非直接接入。耦合變壓器可使電網與APF絕緣隔離，還可以充分利用開關器件的容量，靈活改變逆變器的輸出電流和電壓；但同時，它也有諸如工作頻帶較寬、鐵芯結構特殊、繞組接法復雜、漏抗要求較高等缺點。

圖1 APF的諧波檢測環節原理

圖2 APF的控制系統原理

2 PI、PID控制的原理分析

2.1 有源電力濾波器系統結構圖

據此可得APF電流跟蹤控制系統 （如圖4）所示。

圖4中，G1（s）可以是上述PI或PID環節。G2（s）表示PWM變換器的等效控制框圖，因PWM開關頻率比較高，忽略采樣延遲以便于分析，如此一來，PWM變換器用簡單的增益環節等效，即G2（s）=KPWM。圖中，L表示PWM輸出電感，R表示L的等效內阻。在計算中，取R=0.01Ω，L=0.4mH。APF電流跟蹤控制系統的開環傳遞函數為：

圖3 有源電力濾波器系統結構

圖4 APF電流跟蹤控制系統

在下面的計算中令G2(s)=KPWM=1。

同時可得APF電流跟蹤控制系統的單位負反饋的閉環傳遞函數GAPFc為：

2.2 開環特性分析

采用 PI環節時，G1（s）=Gpi（s）=Kp+Ki/s=0.1+1/（0.000008s），

G1（s）=GPID（s）=GPI（s）*GPD（s），GAPF（s）=1用MATLAB仿真得到兩者相應的Bode圖如圖5所示，其中gapf曲線為PI環節，gapf1為PID環節。

圖5 采用PI和PID環節時的開環傳函Bode

對比可知：PI控制的相角裕量接近0度，PID控制的相角裕量約39度，因此PID控制的相角裕量更大，穩定性更好；PI控制對參考電流的增益最大可至130，PID控制對參考電流的增益最大可達150，它們在濾除特定頻次諧波的同時放大了其他頻次的諧波電流，這是濾波控制中不希望出現的結果。

2.3 閉環特性分析

由圖4可得APF電流跟蹤控制器的單位負反饋的閉環傳遞函數GAPFc為：

下表給出了圖4所示的APF中分別采用PI、PID控制的閉環傳函暫態特性仿真試驗結果。

對比可知：采用PI控制時，系統的暫態過程持續時間為0.598s，暫態到穩態之間的過渡時間為0.052s，暫態過程中電流曲線上升陡度較大。采用PID控制時，系統的暫態過程持續時間為0.576s，暫態到穩態之間的過渡時間為0.029s，暫態過程的持續時間以及暫態到穩態之間的過渡時間都比PI控制更短，其暫態性能優于PI控制，但暫態過程中電流曲線上升陡度仍然較大。

PI、PID控制的閉環傳函暫態特性參數表

3 PI、PID控制在APF中的應用仿真

假設APF的非線性負載為一個理想電流源，電流源是幅值為定值的5次諧波電流。此時APF的電路原理圖如圖6所示，其傳遞函數原理框圖如圖7。

圖 7 中，G1（s）可以是 PI或 PID 控制環節，下面對各環節濾除幅值為300A的5次諧波電流的效果分別進行仿真。

下圖8、圖9分別為PI和PID控制時的濾波效果。

PI控制下的5次諧波電流幅值為13.5537A，圖中參考電流波形曲線Iref2a與APF輸出電流波形曲線Iapf重合度較低，即輸出電流不能較好地跟蹤參考電流的變化，諧波吸收率較低。

PID控制下的5次諧波電流幅值為13.1107A，圖中參考電流波形曲線Iref1a與APF輸出電流波形曲線Iapf重合度相對也較低，諧波電流的補償效果優于PI控制，但也不夠理想。

圖6 電流源負載的APF結構原理

圖7 電流源負載的APF原理

圖8 PI控制的濾波效果

圖9 PID控制的濾波效果

4 結論

試驗結果表明，通過合理調節PID控制器比例系數、積分常數和微分常數，可使系統獲得較高的穩態性能和較好的動態特性，是APF中可行的控制策略。但同時也發現它在濾除特定頻次諧波的同時放大了其他頻次的諧波電流，這在濾波中是不希望出現的，我們將進一步試驗調節PID控制器的各項參數、或嘗試其他的控制方式，以進一步提高其控制精度，得到更加理想的濾波效果。

[1]蒲如蘭.論衡量供電系統電壓質量的指標[J].電力系統及其自動化學報，2002，14(3):67-69.

[2]Rice DE.A detailed analysis of six-Pulse converter harmonic currents[J].IEEE Transactions on In dustry Application,1994,30(2):294-304.

[3]于晶榮.低壓配電網有源電力濾波器關鍵技術研究[D].湖南大學，2009.

[4]王寶良，解大，李維成.并行結構的電力有源濾波器設計[J].東北電力技術,2006，27（1）：4-8.

[5]孫揚聲.自動控制理論（第二版）[M].北京:中國電力出版社，1993：182-217.

TM712

B

1671-9123（2017）03-0133-04

2017-06-26

河南省高等學校重點科研項目（15B470005）

吳萍（1982-），女，河南商丘人，三門峽職業技術學院電氣工程學院講師。

（責任編輯 卞建寧）