PI‑PCI控制器作用于四桥臂有源电力滤波器的电流控制方法与流程

本发明属于电能质量治理技术领域，涉及pi-pci控制器作用于四桥臂有源电力滤波器的电流控制方法。

背景技术：

在三相四线制低压配电系统中，由于非线性电力电子装置以及不平衡负荷的大量应用，使电网谐波污染、无功不足及三相电流不平衡等问题日益严重，并已经成为相关行业用户高效使用电能的障碍。四桥臂有源电力滤波器是治理谐波、补偿无功及解决三相不平衡问题的有效措施之一，以其较强的输出能力和灵活的补偿能力受到了广泛的关注和研究。为了保证四桥臂有源电力滤波器的正常工作，电流控制需要做到零稳态误差。

目前，常用的电流控制方式有无差拍控制、pi控制、pr控制等。其中无差拍控制理论上具有无限带宽和较高的动态响应速度，但其对于被控对象数学模型的参数依赖较大，导致控制不稳定。pi控制器在进行电流控制前需要进行复杂的坐标变换，将abc坐标系下的电流信号转换到dq0坐标系下，然后经过解耦和pi控制得到需要的电压矢量。pi在控制直流信号时可以做到无稳态误差，而有源电力滤波器输出的谐波电流含有多次谐波，pi控制器难以准确跟踪交流信号。同时，pi控制器的带宽较窄，无法适应电网频率的变化。

pr控制器在控制交流信号方面得到了广泛应用。与pi控制器不同之处在于，pr控制器在控制交流信号时可以做无稳态误差控制。根据pr控制器在谐振处增益无穷大，可以做到对特定频率信号的无静差跟踪控制。但是，pr控制也有一定的不足，参数设计具有一定的难度；同时，其结构较复杂，较难实现离散化过程，并且动态响应速度较慢。

近年来，有学者提出了pci控制器，其实现结构简单，可以避免大量的坐标变换，使得计算量大大降低。将pci控制器应用到并网逆变器中，可以实现特定频率信号的无静差控制，且动态响应快。但是对于电网频率波动和不平衡负载问题时，该控制器无法对电流进行精确控制。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种pi并联融合的改进pci控制器进行电流控制方法。该方法对传统的pci控制器进行改进，并将其与pi控制器进行并联融合，弥补了传统pci控制器的缺陷，并给出了控制器参数的设定方法。实现对补偿电流的精确跟踪，提高四桥臂有源电力滤波器的电能治理质量，有效解决三相负载不平衡问题，同时快速适应负载突变和电网频率波动带来的影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

pi-pci控制器作用于四桥臂有源电力滤波器的电流控制方法，包括以下步骤：

s1：对传统的pci控制器进行改进，并增大其带宽；

s2：针对跟踪电流中含有多种谐波的情况，设置6种频率的pci控制器；

s3：将s2中的6组pci控制器与pi控制器进行并联融合，构成pi-pci控制器；

s4：根据pi-pci控制器特点进行参数设定和稳定性分析，计算得到pi-pci控制器参数。

进一步，所述s1具体为：对传统pci控制器进行改进，使其适应电网频率的波动，改进后的pci控制器的传递函数g'(s)为

式中，kp、ki分别表示改进pci控制器的比例和积分系数，ωc表示截止频率，ω0为基波频率，s、j是复频域下的变量，s为复频率，j为复数单位。

进一步，所述s2具体为：针对跟踪电流中含有多种频率的谐波电流，设置基波和3^th，5^th，7^th，9^th，11^th次谐波的pci控制器为

式中，kph、kih分别表示改进pci控制器的比例和积分系数，ωc表示截止频率，ω0为基波频率，h代表谐波次数，s、j是复频域下的变量，s为复频率，j为复数单位。

进一步，所述s3具体为：根据pi控制器和改进pci控制器的特点，将其并联融合，构成pi-pci电流控制器，其表达式为：

式中，kpl和kil分别是pi控制的比例和积分系数，ωc表示截止频率，ω0为基波频率，h代表谐波次数，s、j是复频域下的变量，s为复频率，j为复数单位。

进一步，所述s4具体包括以下步骤：

s401：在pi控制器参数的设定时，将系统传递函数降为二阶进行参数设计，得到pi控制器的比例和积分系数分别为kpl＝8，kil＝800；

s402：在pci控制器参数设计中，采用控制变量法分析kih、kph、ωc对控制器性能的影响，得到pci的参数具体数值；

1)令h＝1，根据积分系数kih变化时改进pci控制器的频率特性，选择参数ki1＝100；

2)令h＝1，根据截止频率ωc变化时改进pci控制器的频率特性，取kp1＝0，将s＝jω代入公式得：

式(1)中，kpl和kil分别是pi控制的比例和积分系数，ωc表示截止频率，ω0为基波频率；

根据带宽的定义，改进pci控制器满足：

|g(jω)|＝0.707ki(2)

对式(2)进行求解得到：

根据式(3)得到改进pci控制器的带宽为d＝ω0/2π(ω0/ωc)＝ωc/2π；电网频率最大波动范围是-0.5hz～+0.5hz，则改进pci控制器的带宽d＝1.0hz，截止频率ωc＝6.28rad/s；

3)针对3次谐波的改进pci控制器进行积分系数kp3的设定，设改进pci控制器传递函数为：

根据四桥臂有源电力滤波器电流控制模型可知，当系统采用pi-pci控制器时，io到ir的闭环传递函数为：

其中g0(s)为四桥臂逆变器的传递函数，g0(s)＝1/ls+r；gpwm(s)是svpwm的传递函数，gpwm(s)＝1/1.5ts+1；

将gpci-3(s)代入式(5)，得到电流控制的开环方程为：

在设定改进pci控制器的比例参数kp3时，将积分系数ki3设为0，代入式(6)得：

基于二价最优理论，当阻尼比ξ＝0.707时，超调量σ＝4.32％，此时开环增益为：

将l＝2mh，t＝0.0001s代入式(8)，得到改进pci控制器比例系数kp3＝6.66；

同理计算获得其它频率的改进pci控制器参数；

所述6组改进pci控制器的积分和比例系数设置不限，截止频率ωc根据允许的频率偏差进行计算。

本发明的有益效果在于：本发明采用了pi-pci控制器作用于四桥臂有源电力滤波器的电流控制方法，该方法通过分析四桥臂有源电力滤波器补偿电流的特点，在传统pci控制器的基础上进行改进，使得改进后的pci控制器不仅可以控制多种频率组合的补偿电流，还可以适应电网频率波动给控制器带来的影响。同时，结合pi控制器和改进pci控制器各自的控制特点，提出将pi控制器和pci控制器结合起来组成pi-pci控制器，该控制器在控制各次谐波电流时起到了良好的效果。因此，本发明不但可以有效解决三相负载不平衡问题，还能对负载突变和电网频率波动具有良好的鲁棒性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为改进前后的pci控制器的频率特性；

图3为γ轴pi-pci控制器模型图；

图4为控制器参数对改进pci控制器的频率特性影响；

图5为四桥臂有源电力滤波器电流控制模型；

图6为3种工况下pi-pci电流控制器的仿真结果；

图7为pi-pci电流控制器的实验结果。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的算法流程图，如图所示，本发明提供pi-pci控制器作用于四桥臂有源电力滤波器的电流控制方法，包括以下步骤：

步骤s1：对传统的pci控制器进行改进，增大其带宽，以增强对电网频率波动的鲁棒性。图2给出了改进前后的pci控制器的频率特性。具体方法如下：

将电流信号由abc坐标系下转换到αβγ坐标系下，然后经过pci控制得到需要的电压矢量。其中，传统pci控制器的传递函数g(s)

公式(1)中kp、ki分别表示pci控制器的比例和积分系数，s，j是复频域下的变量，s称为复频率，j表示复数单位。

对传统pci控制器进行改进，使其适应电网频率的波动，改进后的pci控制器的传递函数g'(s)，

公式(2)中ωc表示截止频率，ω0为基波频率。

步骤s2：针对控制电流中含有多种频率的谐波电流，设置基波和3^th，5^th，7^th，9^th和11^th的pci控制器。

公式(3)中的kph、kih分别表示改进pci控制器的比例和积分系数，h代表谐波次数，s，j是复频域下的变量，s称为复频率，j表示复数单位。

步骤s3：根据pi控制器和改进pci控制器各自的特点，将其并联起来，即pi-pci电流控制方法。pi-pci电流控制器的表达式为：

公式(4)中kpl和kil分别是pi控制的比例和积分系数。图3是γ轴上的pi-pci控制器模型图。

步骤s4中，根据pi-pci控制器特点进行参数设定和稳定性分析，得到pi-pci控制器参数，具体包括：

s41：在pi控制器参数的设定时，将系统传递函数降为二阶进行参数设计，可得pi控制器的比例和积分系数分别为kpl＝8，kil＝800。

s42：在pci控制器参数设计中，采用控制变量法分析kih、kph、ωc对控制器性能的影响，可以得到pci的参数具体数值。

1)令h＝1，图4(a)为当积分系数ki1变化时改进pci控制器的频率特性。由图可知：随着积分系数ki1增大，改进pci控制器对输入信号的幅频增益会随之增大，通过分析，可以选择参数ki1＝100，既保证了系统在特有频率处有足够的增益，同时又使其它频率的谐波分量得到了衰减。

2)令h＝1，图4(b)为当截止频率ωc变化时改进pci控制器的频率特性，可知当ωc增大时，改进pci控制器的带宽会增大，而在谐振频率处的增益则保持不变。

令kp1＝0，将s＝jω代入式(2)得：

根据带宽的定义，改进pci控制器应满足：

|g(jω)|＝0.707ki(6)

对式(6)进行求解可以得到：

根据式(7)可知改进pci控制器的带宽为d＝ω0/2π(ω0/ωc)＝ωc/2π。电网频率最大波动范围是-0.5hz～+0.5hz，则改进pci控制器的带宽d＝1.0hz，截止频率ωc＝6.28rad/s。

3)令h＝1，图4(c)为当比例系数kp1变化时改进pci控制器的频率特性，为了定量分析其对系统的影响，针对3次谐波的改进pci控制器进行积分系数kp3的设定，设改进pci控制器传递函数为：

根据图5可知，当系统采用pi-pci控制器时，io到ir的闭环传递函数如公式(9)所示。

其中g0(s)为四桥臂逆变器的传递函数，g0(s)＝1/ls+r；gpwm(s)是svpwm的传递函数，gpwm(s)＝1/1.5ts+1。

将gpci-3(s)代入式(9)，可得电流控制的开环方程为：

在设定改进pci控制器的比例参数kp3时，将积分系数ki3设为0，代入式(10)可得

基于二价最优理论，当阻尼比ξ＝0.707时，超调量σ＝4.32％，此时开环增益为：

将l＝2mh，t＝0.0001s代入式(12)，可得改进pci控制器比例系数kp3＝6.66。

同理可设置其它频率的改进pci控制器参数，由以上分析可得，6组改进pci控制器的积分和比例系数可以设置相同，而截止频率ωc可以根据允许的频率偏差进行计算。

为了验证本发明的有效性，在本实施例中，通过simulink建立仿真模型进行仿真，进而分析改进pi-pci电流控制器对电流控制的效果。谐波检测环节采用基于广义积分器的正负序分离理论，pwm产生环节采用空间三维矢量控制(3d-svpwm)。仿真参数如表1所示：

表1apf系统的仿真参数

图6给出了3种工况下pi-pci电流控制器的仿真结果。表2给出了3种工况下的补偿效果。由图6可以看出在这3种工况下，本文所提方法可以快速精确地进行电流跟踪，从而进行谐波电流补偿。从表2可以看出在这三种工况下补偿后的电源电流谐波畸变率均在4.0％以下。在解决三相四线制系统负载电流三相不平衡方面，本文发明算法则可以将其降低到5.0％以下，即该算法能够较好地解决三相不平衡问题。本文发明算法在负载突变和频率波动时还具有较小的动态响应时间(20ms)，能快速地应对系统中出现的各种干扰，更适合应用在对实时性要求较高的四桥臂有源电力滤波器中。

表23种工况下的补偿效果

图7给出了pi-pci电流控制器的实验结果，图7(a)给出了补偿后三相电源电流波形。由图7(a)可知，采用pi-pci控制器，电源电流thd降低为3.02％、2.95％、3.25％。实验证明pi-pci控制器对谐波电流有很好的补偿效果。由图7(b)可以看出，突加负载后，经过0.02s系统就能够稳定，且电源电流波形较好，谐波畸变率约为3.18％、3.03％、3.55％。可以证明该控制器具有较好的动态性能，可以很好适应负载的突变。通过实验可以证明，采用前述参数设计方法设计的改进pi-pci控制器在电流控制方面不仅能够解决三相不平衡问题，降低中线电流；还能在负载突变时具有较快的响应速度，动态响应时间小于一个周期(0.02s)。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。