◎吳 萍
技術(shù)與應(yīng)用
PID控制在并聯(lián)型有源電力濾波器中的有效性研究
◎吳 萍
(三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,河南 三門(mén)峽 472000)
對(duì)比分析了PI及PID控制器各自的特點(diǎn)及幅頻特性。利用PSCAD仿真軟件,對(duì)PID控制器在APF中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真試驗(yàn),得到了其在電流源負(fù)載情況下的濾波效果。試驗(yàn)結(jié)果表明:通過(guò)合理調(diào)節(jié)PID控制器比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù),可使系統(tǒng)獲得較高的穩(wěn)態(tài)性能和較好的動(dòng)態(tài)特性,但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)它在濾除特定頻次諧波的同時(shí)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(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行,確保設(shè)備正常工作,必須進(jìn)行諧波治理。諧波污染主要源于非線性用電設(shè)備和電力電子設(shè)備的廣泛采用產(chǎn)生的大量諧波電流和無(wú)功電流[1-2]。有源電力濾波器APF(Active Power Filter)是抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功、補(bǔ)償負(fù)序電流和零序電流、提高電能質(zhì)量的有力措施之一,與傳統(tǒng)的無(wú)源電力濾波器PPF(Passive Power Filter)相比,它能實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)諧波電流與頻率的變化,實(shí)施動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的補(bǔ)償,且結(jié)構(gòu)輕巧,運(yùn)行靈活,具有很好的經(jīng)濟(jì)效益與應(yīng)用前景。國(guó)外一些國(guó)家已將APF作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)和措施運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn),但APF在國(guó)內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用尚不成熟,還有許多關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究與解決。
控制策略是APF正常運(yùn)行的重要保障,它直接影響APF的補(bǔ)償精度與動(dòng)態(tài)特性。PI控制器能較好地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,但不宜應(yīng)用于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)。通過(guò)合理調(diào)節(jié)PID控制器比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù),可使系統(tǒng)獲得較高的穩(wěn)態(tài)性能和較好的動(dòng)態(tài)特性。
由文獻(xiàn)[3、4]可知,APF的基本構(gòu)成主要包括主電路、諧波檢測(cè)、控制系統(tǒng)、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(tài),產(chǎn)生補(bǔ)償電流;也可以工作于整流狀態(tài),通過(guò)電網(wǎng)向APF直流側(cè)充電儲(chǔ)能,為便于研究和保證通用性,這里統(tǒng)稱(chēng)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(kāi)關(guān)器件IGBT和直流側(cè)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?yōu)榫哂幸欢l率和幅值的交流電壓。輸出濾波器OF環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)將VSI與電網(wǎng)耦合在一起,同時(shí)可以濾除VSI輸出電流中的高次諧波電流。
(1)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)
諧波檢測(cè)主要由CT、預(yù)處理環(huán)節(jié)、PT、采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換等部分構(gòu)成。
(2)控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)主要包括電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流信號(hào)的檢測(cè)、參考電流計(jì)算、控制方法實(shí)現(xiàn)和PWM調(diào)制幾個(gè)環(huán)節(jié)[3],如圖2所示。
由控制算法對(duì)電壓電流檢測(cè)環(huán)節(jié)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算,按照檢測(cè)結(jié)果用一定控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖,之后,APF的變流器經(jīng)主開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路控制產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。APF的控制系統(tǒng)有模擬控制、數(shù)字控制、模擬數(shù)字混合控制三種類(lèi)型。近年來(lái),隨著單片機(jī)和DSP技術(shù)日趨發(fā)展,APF由模擬控制逐步向模數(shù)混合控制以及純數(shù)字控制轉(zhuǎn)換。
(3)主電路
APF的主電路按照結(jié)構(gòu)不同,一般可分為三相三線制和三相四線制兩種,同時(shí)這兩種結(jié)構(gòu)中又包含許多其他的結(jié)構(gòu)[4],應(yīng)用時(shí),可結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際情況以及不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn),靈活選用。
(4)耦合變壓器
對(duì)10kV及以上電力系統(tǒng),受現(xiàn)有開(kāi)關(guān)器件電壓與電流容量的限制,逆變器的電壓和電流一般經(jīng)耦合變壓器接入電力系統(tǒng)中,而非直接接入。耦合變壓器可使電網(wǎng)與APF絕緣隔離,還可以充分利用開(kāi)關(guān)器件的容量,靈活改變逆變器的輸出電流和電壓;但同時(shí),它也有諸如工作頻帶較寬、鐵芯結(jié)構(gòu)特殊、繞組接法復(fù)雜、漏抗要求較高等缺點(diǎn)。
圖1 APF的諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)原理
圖2 APF的控制系統(tǒng)原理
2.1 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
據(jù)此可得APF電流跟蹤控制系統(tǒng) (如圖4)所示。
圖4中,G1(s)可以是上述PI或PID環(huán)節(jié)。G2(s)表示PWM變換器的等效控制框圖,因PWM開(kāi)關(guān)頻率比較高,忽略采樣延遲以便于分析,如此一來(lái),PWM變換器用簡(jiǎn)單的增益環(huán)節(jié)等效,即G2(s)=KPWM。圖中,L表示PWM輸出電感,R表示L的等效內(nèi)阻。在計(jì)算中,取R=0.01Ω,L=0.4mH。APF電流跟蹤控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:
圖3 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖4 APF電流跟蹤控制系統(tǒng)
在下面的計(jì)算中令G2(s)=KPWM=1。
同時(shí)可得APF電流跟蹤控制系統(tǒng)的單位負(fù)反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)GAPFc為:
2.2 開(kāi)環(huán)特性分析
采用 PI環(huán)節(jié)時(shí),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(yīng)的Bode圖如圖5所示,其中g(shù)apf曲線為PI環(huán)節(jié),gapf1為PID環(huán)節(jié)。
圖5 采用PI和PID環(huán)節(jié)時(shí)的開(kāi)環(huán)傳函Bode
對(duì)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(wěn)定性更好;PI控制對(duì)參考電流的增益最大可至130,PID控制對(duì)參考電流的增益最大可達(dá)150,它們?cè)跒V除特定頻次諧波的同時(shí)放大了其他頻次的諧波電流,這是濾波控制中不希望出現(xiàn)的結(jié)果。
2.3 閉環(huán)特性分析
由圖4可得APF電流跟蹤控制器的單位負(fù)反饋的閉環(huán)傳遞函數(shù)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(huán)傳函暫態(tài)特性仿真試驗(yàn)結(jié)果。
對(duì)比可知:采用PI控制時(shí),系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為0.598s,暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡時(shí)間為0.052s,暫態(tài)過(guò)程中電流曲線上升陡度較大。采用PID控制時(shí),系統(tǒng)的暫態(tài)過(guò)程持續(xù)時(shí)間為0.576s,暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡時(shí)間為0.029s,暫態(tài)過(guò)程的持續(xù)時(shí)間以及暫態(tài)到穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡時(shí)間都比PI控制更短,其暫態(tài)性能優(yōu)于PI控制,但暫態(tài)過(guò)程中電流曲線上升陡度仍然較大。
PI、PID控制的閉環(huán)傳函暫態(tài)特性參數(shù)表
假設(shè)APF的非線性負(fù)載為一個(gè)理想電流源,電流源是幅值為定值的5次諧波電流。此時(shí)APF的電路原理圖如圖6所示,其傳遞函數(shù)原理框圖如圖7。
圖 7 中,G1(s)可以是 PI或 PID 控制環(huán)節(jié),下面對(duì)各環(huán)節(jié)濾除幅值為300A的5次諧波電流的效果分別進(jìn)行仿真。
下圖8、圖9分別為PI和PID控制時(shí)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(duì)也較低,諧波電流的補(bǔ)償效果優(yōu)于PI控制,但也不夠理想。
圖6 電流源負(fù)載的APF結(jié)構(gòu)原理
圖7 電流源負(fù)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
試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)合理調(diào)節(jié)PID控制器比例系數(shù)、積分常數(shù)和微分常數(shù),可使系統(tǒng)獲得較高的穩(wěn)態(tài)性能和較好的動(dòng)態(tài)特性,是APF中可行的控制策略。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)它在濾除特定頻次諧波的同時(shí)放大了其他頻次的諧波電流,這在濾波中是不希望出現(xiàn)的,我們將進(jìn)一步試驗(yàn)調(diào)節(jié)PID控制器的各項(xiàng)參數(shù)、或嘗試其他的控制方式,以進(jìn)一步提高其控制精度,得到更加理想的濾波效果。
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TM712
B
1671-9123(2017)03-0133-04
2017-06-26
河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15B470005)
吳萍(1982-),女,河南商丘人,三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院講師。
(責(zé)任編輯 卞建寧)
三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2017年3期