基于VPI與模型預(yù)測(cè)電壓相結(jié)合的電流跟蹤控制策略研究

褚紅旭 彭沖 趙明

摘 要

四橋臂有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）電流跟蹤控制以矢量控制居多，該控制方式一般都是通過(guò)控制器與調(diào)制算法相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電流跟蹤性能的好壞主要受到控制器的影響。矢量比例積分（Vector proportional integral，VPI）控制器是比例諧振（Proportional Resonance，PR）控制器的改進(jìn)，能有效提高電流補(bǔ)償效果。而模型預(yù)測(cè)控制也在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括在電力電子領(lǐng)域等。將兩種控制策略結(jié)合在一起，使得系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)利用VPI矢量控制方式，在動(dòng)態(tài)時(shí)切換至模型預(yù)測(cè)電壓控制方式，充分發(fā)揮兩種控制策略各自的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞

四橋臂有源電力濾波器;VPI控制器;模型預(yù)測(cè)電壓控制

中圖分類號(hào)： TM761? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.19.032

Abstract

The current tracking control of four-leg APF is mostly based on vector control，which is usually realized by the combination of controller and modulation algorithm.The performance of current tracking is mainly affected by the controller.VPI controller is an improvement of PR controller，which can effectively improve the current compensation effect.Model predictive control has been widely used in various fields， including power electronics. The combination of the two control strategies makes the system use of VPI vector control in the steady state， switch to model predictive voltage control in the dynamic state，and give full play to the advantages of the two control strategies.

Key Words

Four-leg APF;VPI controller;Model predictive voltage

我國(guó)城鎮(zhèn)低壓配電網(wǎng)以三相四線制結(jié)構(gòu)為主，其線電壓等級(jí)為380V[1]，大量的小功率電器設(shè)備在這一電壓等級(jí)下使用，這些電器中含有的非線性元件，成了產(chǎn)生諧波的主力軍[2]，此外這些電器設(shè)備大都單相接入電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)用電規(guī)劃不合理時(shí)，低壓配電網(wǎng)中會(huì)存在大量諧波及三相不平衡電流[3-4]，給電力系統(tǒng)造成巨大的威脅。因此，針對(duì)三相四線制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾除諧波和不平衡電流的有源濾波設(shè)備具有很強(qiáng)的研究意義及應(yīng)用價(jià)值[5]。

為應(yīng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)狀態(tài)下存在的不同諧波，將兩種控制策略結(jié)合在一起，使得系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)利用VPI矢量控制方式，在動(dòng)態(tài)時(shí)切換至模型預(yù)測(cè)電壓控制方式，充分發(fā)揮兩種控制策略各自的優(yōu)勢(shì)。

1 基于VPI與模型預(yù)測(cè)的復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

矢量控制具有穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度受控制器帶寬所限;模型預(yù)測(cè)控制屬于有差控制，穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度比矢量控制要低，但是動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度較快。因此，在控制器中將矢量控制于模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，穩(wěn)態(tài)時(shí)采用矢量控制，保證補(bǔ)償精度;負(fù)載波動(dòng)時(shí)采用模型預(yù)測(cè)控制，可以獲得更高的跟蹤速度?；谶@一思想研究基于矢量與模型預(yù)測(cè)的復(fù)合控制器，其原理圖如圖1所示。

復(fù)合控制器的關(guān)鍵在于矢量控制與模型預(yù)測(cè)控制的切換機(jī)制，設(shè)計(jì)目標(biāo)是在系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)時(shí)在模型預(yù)測(cè)控制與矢量控制之間自動(dòng)切換，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)的判別。補(bǔ)償?shù)闹C波電流是由負(fù)載電流決定的，因此這里將負(fù)載電流的基波有功分量的變換率作為系統(tǒng)狀態(tài)的判據(jù)，若負(fù)載基波有功電流的變換率接近于零，可以認(rèn)為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，此時(shí)應(yīng)用“PI-VPI+SVPWM”的矢量控制方式;若基波有功電流具有較大的變化率，可以認(rèn)為系統(tǒng)處于暫態(tài)，此時(shí)應(yīng)使用模型電壓預(yù)測(cè)控制

可以根據(jù)實(shí)際工況對(duì)兩個(gè)閾值進(jìn)行設(shè)置，這里取TH+=20與TH=10。En為控制器的選擇信號(hào)，當(dāng)En=0時(shí)采用矢量控制，當(dāng)En=1時(shí)采用模型預(yù)測(cè)控制。

2 仿真設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證VPI與簡(jiǎn)化模型預(yù)測(cè)電壓控制兩者相結(jié)合的復(fù)合控制策略的正確性，利用MATLAB軟件搭建了其仿真模型，如圖2所示。圖中“TPVS”為三相電源，可以輸出頻率為50Hz，有效值為110V的三相電源電壓;“APF”代表的是三相四橋臂的主電路，其中主電路直流側(cè)的電容電壓設(shè)為360V，電容大小為4000F，APF的進(jìn)線電感為3mH;“Load2”表示的是負(fù)載模塊，該模塊為三相不控整流橋帶阻感性負(fù)載，其中負(fù)載電阻為30Ω，負(fù)載電感為0.1mH，交流側(cè)連接電感為3mH，在中性線與A相間接入電阻為30Ω;同時(shí)為驗(yàn)證所研究控制策略的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，設(shè)置在0.16s時(shí)突變負(fù)載，負(fù)載電阻為30Ω。

圖3是VPI與模型預(yù)測(cè)電壓控制復(fù)合控制算法仿真圖，當(dāng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)電流跟蹤控制策略采用的是VPI控制方法，而檢測(cè)到負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，并且變化超過(guò)所設(shè)定的閾值，則立刻切換為簡(jiǎn)化的模型電壓預(yù)測(cè)控制策略，這樣在電流跟蹤過(guò)程就充分地發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)。

3 仿真分析

圖4表示的是在兩種控制策略相結(jié)合的復(fù)合控制方法下的補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流波形，從圖中可以看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)采用的VPI控制，網(wǎng)側(cè)電流波形較為光滑，毛刺少，在動(dòng)態(tài)時(shí)采用的簡(jiǎn)化的模型預(yù)測(cè)電壓控制策略，響應(yīng)能力強(qiáng)，很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，再次切換為VPI控制，這充分的把兩種控制策略的優(yōu)點(diǎn)給結(jié)合在一起，從而也說(shuō)明本文研究這種復(fù)合控制策略的正確性與合理性。圖5是直流側(cè)電壓的控制波形，可以看出在超調(diào)很小，而且快速達(dá)到給定電壓值，并且在負(fù)載波動(dòng)時(shí)也能較快的恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)，說(shuō)明直流側(cè)電容電壓得到了較好的控制。

4 結(jié)論

針對(duì)VPI控制器與模塊預(yù)測(cè)控制器的不足，將兩者進(jìn)行結(jié)合，給出了穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)的判斷規(guī)則，根據(jù)仿真結(jié)果可以證明，該種復(fù)合方法能夠在穩(wěn)態(tài)時(shí)采用VPI控制，網(wǎng)側(cè)電流波形較為光滑，毛刺少，在動(dòng)態(tài)時(shí)采用模型預(yù)測(cè)電壓控制策略，響應(yīng)能力強(qiáng)，很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，再次切換為VPI控制，達(dá)到最佳治理效果。

參考文獻(xiàn)

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