有源电力滤波器重复控制设计及调试

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４２卷第７期　电力电子技术　Ｖｏ１．４２．Ｎｏ．７　２ｏ０８年７月　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｊｕｌｖ．２ｏ０８　有源电力滤波器重复控制设计及调试　宋　７中，仇志凌，陈国柱　（浙江大学，浙江杭州３１００２７）　摘要：介绍了有源电力滤波器的主电路结构及其重复控制设计。在程序调试时，把控制对象离散化编入到ＤＳＰ程序　中进行实时闭环运算，降低了控制算法的调试难度，提高了系统开发效率。将该调试方法应用到重复控制有源电力　滤波器程序的调试中。实验结果验证了这种实时调试方法的有效性。　关键词：滤波器；数字控制／有源电力滤波器；重复控制；实时调试　中圈分类号：ＴＭ７１３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０７－－００１７－０２　Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｉｎ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　ＳＯＮＧ　Ｃｈｏｎｇ，ＱＩＵ　Ｚｈｉ—ｌｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｇｕｏ—ｚｈｕ　（Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２７　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｍｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｎｔｍｌ　ｏｂｊｅｃｔ　ｄｉｓｃｒｅｔｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｄｉｎｇ　ｉｎ　ＤＳＰ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｃｌｏｓｅ・ｌｏｏｐ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｉｔ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｅａｓｉｅｒ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｍｏｔｅｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ，ｆｉｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｃｏｎｆｉｒｍ　ｉｔｓ　ｖａｌｉｄｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｆｌｔｅｒ；ｄｉｇｉｔｌａ　ｃｏｎｔｒｏｌ／ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｉｆｌｔｅｒ　ｄｉｇｉｔｌａ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅａｌ・ｔｉｍｅ　ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔ　ｂｙ　ＮＣＥＴ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ（Ｎｏ．０６０５　１　２）　ｌ　引　言　恒值，而传统ＰＩ控制效果是极其有限的，对谐波电流　随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负载　指令无法实现无静差跟踪，因此对ＡＰＦ采用了重复　接入电力系统，使其谐波电流注入到电网中，造成电　控制。重复控制器原理上可对无数次谐波提供无穷大　力系统的谐波污染［１］。早在８０年代末９０年代初，重复　的开环增益．做到真正的无静差１４］，其结构框图如图２　控制已用于ＵＰｓ逆变器控制中．并取得了良好的控　所示。该框图通常用于系统的理论分析和设计。根据　制效果。有源电力滤波器（ＡＰＦ）使用了重复控制后，　系统的性能要求。求得适合控制算法的离散传递函　大大提高了其输出波形的稳态精度回。目前，大功率电　数，从而得到重复控制器各个环节的参数。重复控制　力电子装置首选的数字控制芯片是ＤＳＰ控制器１３１。在　器包括一个积分控制器内模。一个基波周期延迟环节　其应用中传统的程序调试一般采用在线联机调试方　和一个补偿器Ｃ（ｚ）。其内模的传递函数为：　式。调试中不仅需要检查和控制程序自身出现的问　Ｇ　ｚ）＝Ｈ。ｚ）／ｕ　ｚ）＝１／［１一Ｑ（ｚ）　（１）　题，还要克服主电路出现的问题。为此，提出一种新颖　式中：Ｑ（ｚ）ｎ－ｆｆ以是一个低通滤波器，也可以简单地取一个略　小于１的常数，以减弱积分效果，这里取Ｑ（ｚ）－ｏ．９８。　电力电子数字控制系统实时调试方法，即采用ＤＳＰ　模拟整个控制环的闭环工作．这样即可避免调试控制　算法过程中主电路的影响，也可大大降低调试难度。　２重复控制在有源电力滤波器的应用　Ｐ（　）为控制对象离散化后的传递函数　有源电力滤波器主电路结构如图１所示。　图２重复控制框图　ＲＬ　把式（１）写成差分方程形式为：　ｕｏ（ｋ）＝　（　）＋０．９８ｕ。（　一Ｎ）　（２）　（　式（２）表明每隔一个周期（Ⅳ步），输出量获得一　次累加，但该累加是先将输出量上周期的值削弱　图１　ＡＰＦ主电路结构图　２％，然后加上输入量的当前值。显然，当输入量即误　除了保证主电路结构有良好的设计外。控制算　差低至输出量的２％时。上述累加过程也就相当于　法的稳态精度对实现良好补偿效果也很关键。在　停止了。因此，内模相当于一个谐波准积分器。与用　ＡＰＦ应用中，由于输出为周期性谐波信号，不是一个　于直流信号的ＰＩ控制器相似。可使周期性谐波信号　基金项目：教育部新世纪人才资助项目（０６０５１２）　实现稳态情况下的零误差【５］。前向通道上串接的周期　定稿日期：２００８—０４—１０　延迟环节　可使控制动作延迟一个周期进行。即　作者简介：宋　冲（１９８３一），男，安徽蚌埠人，硕士生，研　本周期检测到的误差信息在下一周期才开始影响控　究方向为电力电子应用与电能质量控制。　制量。由于假定指令和扰动都是重复性的。因此为超　１７　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４２卷第７期　２００８年７月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４２．ＮＯ．７　Ｊｕｌｙ，２００８　前环节的使用创造了条件，可做到等效超前。Ｃ（ｚ）　的作用是补偿控制对象Ｐ（ｚ）的幅值和相位．对系统　出了时序上的要求。控制对象离散化后的形式为：　的闭环稳定性及稳态精度都有很大的影响　在获知　＼　／　ｉ　∑　／０　ｆ　（∑　）　＝ｉ＝０　。　（７）　上一周期误差信息后到下一周期该如何给出合适的　采用零阶保持法时，式（７）中的分子系数ｂｍ＝Ｏ。　控制量．则是Ｃ（ｚ）要解决的任务　Ｃ（ｚ）作为控制对象的输入。式（７）不可直接运用到　在要求２．５　ｋＨｚ带宽以下进行补偿时，将Ｃ（ｚ）・　ＤＳＰ程序中，需要把式子变成Ｚ的负次幂形式。因为　Ｐ（ｚ）补偿校正到幅值为０　ｄＢ和相移为０。，以保证获　输入Ｃ（ｚ）不可能做到超前，即分子不应包含Ｚ的一　得足够的稳定裕度和稳态精度。在高频段．极大的相　次项．所以在实现程序时．分子和分母应同除以分子　位滞后很难被校正到０。。为了保证稳定性，补偿器　的最高阶数；要得到下一拍的输出，应满足式（６）。分　需提供较大的高频衰减。实际的控制对象Ｐ（ｚ）为ＬＣＬ　母上必须有Ｚ的一次项　分子分母同除以分子的最　滤波器，其在低频段与Ｌ滤波器的频率特性相似，因　高阶数后所得传递函数形式为：　此可以采用带有惯性的微分环节来校正Ｐ（ｚ）的相位　＝滞后，惯性微分环节的传递函数为：　孙　耘　㈣　Ｇｏ（ｚ）＝Ｋｓ／（＂ｒｓ＋１）　（３）　式（８）写成差分方程的形式为：　式中：Ｋ为总的滤波电感值。　，ｎ—ｌ　ｒｌｌ－ｌ　不带惯性环节时，因Ｇ。ｚ）的离散化过程，在，＝／２　ｙ（ｋ＋１）＝　ｑ　ｃ（ｋ－ｉ）一　Ｐ　ｙ（ｋ－ｉ）　（９）　＝０　：０　￣ｓ＝３Ｏ　ｋＨｚ）处有很高的增益，很有可能破坏系统的　运算式（９）后得到下一拍输出，就可进行下一拍　稳定性，所以这里选择带有惯性环节的Ｇ。ｚ）。为了　的误差运算。即：　抑制控制对象的谐振峰．采用了零相移特性的陷波　ｅ（ｋ＋１）＝ｒ（　＋１）Ｉｙ（Ｉｊ｝＋１）　（１０）　器，其传递函数为：　满足了式（６）的闭环控制成立条件，即可保证控　ｚ）＝（ｚ　＋　＋１）／２ｚ　（４）　制环的正常工作　双线性变换法又称为频率响应不　陷波器虽然抑制了控制对象的谐振峰，但缺乏　变法，通常用来对模拟控制器进行离散化。若采用该　抑制高频噪声的能力。系统需要的高频衰减由另外　方法对控制对象离散化，则式（７）中的ｂ　≠０，分子　的二阶滤波器　（ｚ）提供。为了补偿由Ｐ（ｚ），Ｇ　ｚ）和　分母阶数相同．所以在分子分母同除以分子最高阶　（　）引起的相位滞后，引入了一个三拍超前环节，　数时，分母得不到　的一次项，不能满足式（６）。可　这样补偿器可表示为：　见，控制对象的零阶保持法离散化反映了物理系统　Ｃ（ｚ）＝Ｇ。ｚ）Ｆ，（　）　ｚ）　（５）　的时序上特性。当控制对象离散化后，在ＤＳＰ中实　在通频带低于２．５　ｋＨｚ时，Ｃ（ｚ）Ｐ（ｚ）的幅值基本为　现时，应注意数值精度问题。在Ｍａｔｌａｂ中，数值精度　０　ｄＢ．相位基本为０。，这便保证了很小的稳态误差。　很高，接近于实际系统。但在ＤＳＰ中，因字长有限，　在２．５～１５　ｋＨｚ高频段，幅值的衰减非常厉害，保证　需要在保证数值运算结果不溢出的情况下，尽可能　了系统的稳定性。　提高数值精度，以期与实际模拟系统相接近。　３程序调试　在控制环调试过程中，监测中间节点波形是有　传统控制系统的程序调试方法是将若干个数据　效的方法。如图２所示，将控制环中间节点处的计算　点代入编好的程序中，以进行简单的离线验算。该方　结果装进ＤＳＰ事件管理器全比较单元的比较寄存　式无法对程序进行闭环，有些还需要迭代算法，因而　器ＣＭＰＲ中，ＤＳＰ引脚输出的ＰＷＭ波经过ＲＣ滤波　无法进行正确性的验证。为实现闭环调试，需要联入　后，可观测到各点的波形，程序实现非常简单。且　主电路，因而难度大，风险高。针对传统方法的不足，　ＰＷＭ口资源丰富，可同时观测很多路信号，在不要　提出一种新颖的数字控制实时调试方法，即把控制　求精确度的情况下．是一种很实用的程序调试方法。　对象离散化，写成差分方程形式，在ＤＳＰ中实现，这　４实验结果　样就可对整个系统进行闭环调试。该调试方法避免　基于重复控制的ＡＰＦ运行条件为：　＝８００　Ｖ，　了主电路的影响，大大简化了系统调试难度，节省了　开关频率　＝１５　ｋＨｚ，采样频率＝３０　ｋＨｚ，Ｌ，＝　．　开发时间，是一种简单有效的方法。在图２所示的控　０．１５　ｍＨ，Ｌ２＝０．０５　ｍＨ，Ｌ　＝０．０３　ｍＨ，Ｃｆ＝８　Ｆ，Ｒｄ＝　制系统中，闭环控制成立的条件是：　０．１　Ｑ，／．ｔｓ＝３８０　Ｖ　。Ｌ０＝５　Ｈ，ＲＬ＝１．６　Ｑ，补偿容量Ｓｃ＝　ｅ（ｋ）＝ｒ（　）一ｙ（ｋ）　（６）　５０　ｋＶＡ。把控制对象离散化到程序中，进行闭环调　按数字控制系统时序计算下一拍误差ｅ（ｋ＋１）时　试．由ＤＳＰ的ＰＷＭ引脚观察输出结果。图３ａ为负载　需用到ｙ（ｋ＋１），这就要求在当前拍的运算中能得到下　电流　，和补偿电流ｉ　波形；图３ｂ为图２重复控制器　一拍的控制对象输出ｙ（ｋ＋１），这对离散化控制对象提　的输出电压／．Ｌ　波形，将其施加到ＬＣＬ（下转第４８页）　１　８　维普资讯 http://www.cqvip.com 第４２卷第７期　电力电子技术　２００８年７月　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　可以对输出电压和转换为矩形波的输出电流进行零　在一起，构成了基于ＰＩ．ＤＰＬＬ复合控制的新颖频率　跳变检测，并通过中断方式获取由通用定时器产生　跟踪控制模式，使整个超声波电源系统具有跟踪速　的计数值，并经计算折算为频率信号。图６示出其工　度快、锁相精度高、几乎没有失锁现象等优点．具有　作流程。系统中偏差设定值　＝１０％参考值，当　≥　良好的工程应用前景。　１０％的参考值时，采用ＰＩ调节，否则采用ＤＰＬＬ控制。　ｊｆ　ｌ　　Ｉｌ　Ｉ　瑟Ｉ　　鲢　麟　＿ｌｌ　ｌ坝定　０　，　图７　ｆ．＝２２．８　ｋＨｚ时．逆变器输出电压跟踪谐振电流锁相　参考文献　［１］　车保ＪＩｌ，屈百达．基于７４ＨＣ４０４６新型的频率跟踪电路　图６　ＰＩ—ＤＰＬＬ控制的软件流　的研究［Ｊ］．现代电子技术，２００８，３（１）：１８８—１９０．　４实验结果和结论　［２】　孙小明，刘涤尘，黄勇，等．一种基于电源周期平均模　基于上述理论进行了试验．取超声波换能器谐　型的单相ＰＷＭ逆变器准ＰＩＤ控制器［Ｊ】．中国电机工程　振频率为２０—２４ｋＨｚ．采用提出的ＰＩ．ＤＰＬＬ控制电路　学报，２００６，２６（２４）：５１－５４．　方案．频率跟踪范　稳定在１５　３５ｋＨｚ．并且　测电路　［３］　苏凤岐，汪建新，孙建平．基于ＰＷＭ大功率超声波电源　的设计［Ｊ］．电源技术，２００６，（３）：１２２—１２４．　中的电流基本上为正弦波．频率跟踪效果　。当负　【４］　惠　晶，臧小惠，蔡爱军．基于ＤＰＬＬ的高频逆变电源建　载波动时，ＰＩ．ＤＰＬＬ控制的频率能迅速跟踪负载频　模与研究【Ｊ１．电力电子技术，２００５，３９（５）：１１５—１１７．　率的变化，且没有失锁现象。图７是，＝＿＝２２．８　ｋＨｚ时　［５］　臧小惠．基于ＰＩ—ＤＰＬＬ的高频逆变电源频率跟踪系统的　的　ｇｏ波形。实验表明，将ＰＩ与ＤＰＬＬ有效地结合　研究［Ｄ　Ｊ．无锡：江南大学，２００６．　（上接第１８页）滤波器上，产生补偿电流；图３ｃ为补偿　可以验证控制算法的正确性，并且可以监测控制环　后的电网电流ｉ　。可见，采用重复控制的ＡＰＦ系统具　任意节点的波形，方便程序调试。该调试方法避免了　有良好的谐波补偿效果。实验结果验证了在线调试　主电路的影响．降低了控制算法的调试难度和风险．　方法的有效性，以及实现数字控制器程序的正确性。　减少了装置的开发时间．是一种实用的数字控制系　Ｔ●　　统调试方法。　辫　；　。　．～　重．　ｒｆ－～１Ｉ　Ｌ一．～，’　’Ｌ一＿Ｔ．ｌ．　Ｊ一　　Ｌ＿．－Ｔ．　ＰＪ＿　Ｌ一．　参考文献　：　…１　林海雪，孙树勤．电力网中的谐波【Ｍ】．ｊ匕京：中国电力出　ｍｓ／格）　版社．１９９８．　’（＝）输出波形　【２］　高军，黎辉，杨旭，等．基于ＰＩＤ控制和重复控制　的正弦波逆变电源研究【Ｊ］．电工电能新技术，２００２，２１（１）：　１—４．　［３】　谭国俊，王思建，蒯松言．基于ＤＳＰ的大功率ＳＲＭ全数　字控制系统【Ｊ］．电气传动，２００７，（８）：１５—１９．　／ｔ（１０　ｍｓ／ｉ￣）　《ｃ１补偿后也　电流波形　【４】　张凯，康勇，熊健，等．基于状态反馈控制和重复　图３实验结果　控制的逆变电源研究【Ｊ］．中国电机工程学报，２００６（１０）：　９－１１．　５结　论　［５　５］Ｐ　Ｍａｔｔａｖｅｌｌｉ，Ｆ　Ｐ　Ｍａｒａｆ．Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ—ｂａｓｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｓｅｌｅｃ—　设计了ＡＰＦ的主电路结构．介绍了重复控制系　ｔｉｖｅ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒｓ［Ｊ］．　统的设计方法。将控制对象通过零阶保持法离散化　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００４，５１（５）：１０１８－　后。在ＤＳＰ中与控制算法一起进行实时闭环运算，　１０２４　４８