基于VPI与模型预测电压相结合的电流跟踪控制策略研究

褚红旭 彭冲 赵明

摘 要

四桥臂有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）电流跟踪控制以矢量控制居多，该控制方式一般都是通过控制器与调制算法相结合来实现的。电流跟踪性能的好坏主要受到控制器的影响。矢量比例积分（Vector proportional integral，VPI）控制器是比例谐振（Proportional Resonance，PR）控制器的改进，能有效提高电流补偿效果。而模型预测控制也在各个领域得到了广泛应用，包括在电力电子领域等。将两种控制策略结合在一起，使得系统在稳态时利用VPI矢量控制方式，在动态时切换至模型预测电压控制方式，充分发挥两种控制策略各自的优势。

关键词

四桥臂有源电力滤波器;VPI控制器;模型预测电压控制

中图分类号： TM761       文献标识码： 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

我国城镇低压配电网以三相四线制结构为主，其线电压等级为380V[1]，大量的小功率电器设备在这一电压等级下使用，这些电器中含有的非線性元件，成了产生谐波的主力军[2]，此外这些电器设备大都单相接入电网，当电网用电规划不合理时，低压配电网中会存在大量谐波及三相不平衡电流[3-4]，给电力系统造成巨大的威胁。因此，针对三相四线制网络进行滤除谐波和不平衡电流的有源滤波设备具有很强的研究意义及应用价值[5]。

为应对电网稳态与暂态状态下存在的不同谐波，将两种控制策略结合在一起，使得系统在稳态时利用VPI矢量控制方式，在动态时切换至模型预测电压控制方式，充分发挥两种控制策略各自的优势。

1 基于VPI与模型预测的复合控制器设计

矢量控制具有稳态补偿精度高的优点，但是动态响应速度受控制器带宽所限;模型预测控制属于有差控制，稳态补偿精度比矢量控制要低，但是动态调节速度较快。因此，在控制器中将矢量控制于模型预测控制相结合，稳态时采用矢量控制，保证补偿精度;负载波动时采用模型预测控制，可以获得更高的跟踪速度。基于这一思想研究基于矢量与模型预测的复合控制器，其原理图如图1所示。

复合控制器的关键在于矢量控制与模型预测控制的切换机制，设计目标是在系统处于动态与稳态时在模型预测控制与矢量控制之间自动切换，设计的关键是系统动态与稳态的判别。补偿的谐波电流是由负载电流决定的，因此这里将负载电流的基波有功分量的变换率作为系统状态的判据，若负载基波有功电流的变换率接近于零，可以认为系统处于稳态，此时应用“PI-VPI+SVPWM”的矢量控制方式;若基波有功电流具有较大的变化率，可以认为系统处于暂态，此时应使用模型电压预测控制

可以根据实际工况对两个阈值进行设置，这里取TH+=20与TH=10。En为控制器的选择信号，当En=0时采用矢量控制，当En=1时采用模型预测控制。

2 仿真设计

为验证VPI与简化模型预测电压控制两者相结合的复合控制策略的正确性，利用MATLAB软件搭建了其仿真模型，如图2所示。图中“TPVS”为三相电源，可以输出频率为50Hz，有效值为110V的三相电源电压;“APF”代表的是三相四桥臂的主电路，其中主电路直流侧的电容电压设为360V，电容大小为4000F，APF的进线电感为3mH;“Load2”表示的是负载模块，该模块为三相不控整流桥带阻感性负载，其中负载电阻为30Ω，负载电感为0.1mH，交流侧连接电感为3mH，在中性线与A相间接入电阻为30Ω;同时为验证所研究控制策略的动态响应性能，设置在0.16s时突变负载，负载电阻为30Ω。

图3是VPI与模型预测电压控制复合控制算法仿真图，当在稳态运行时，系统电流跟踪控制策略采用的是VPI控制方法，而检测到负载发生变化时，并且变化超过所设定的阈值，则立刻切换为简化的模型电压预测控制策略，这样在电流跟踪过程就充分地发挥了各自的优势。

3 仿真分析

图4表示的是在两种控制策略相结合的复合控制方法下的补偿后的网侧电流波形，从图中可以看出，稳态时采用的VPI控制，网侧电流波形较为光滑，毛刺少，在动态时采用的简化的模型预测电压控制策略，响应能力强，很快达到稳态，再次切换为VPI控制，这充分的把两种控制策略的优点给结合在一起，从而也说明本文研究这种复合控制策略的正确性与合理性。图5是直流侧电压的控制波形，可以看出在超调很小，而且快速达到给定电压值，并且在负载波动时也能较快的恢复到稳态，说明直流侧电容电压得到了较好的控制。

4 结论

针对VPI控制器与模块预测控制器的不足，将两者进行结合，给出了稳态与暂态的判断规则，根据仿真结果可以证明，该种复合方法能够在稳态时采用VPI控制，网侧电流波形较为光滑，毛刺少，在动态时采用模型预测电压控制策略，响应能力强，很快达到稳态，再次切换为VPI控制，达到最佳治理效果。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准GB/T 14549-1993.电能质量[S].北京：中国标准出版社，1993.

[2]蔡儒军.三相四桥臂有源电力滤波器控制策略研究[D].徐州：中国矿业大学， 2016.

[3]马立新，王晓丹，王月晓，等.APF特定次谐波智能检测方法的研究[J].控制工程， 2013，20（2）： 352-356.

[4]吴镜野，王少杰，赵乘麟.并联型有源滤波器新型控制策略[J].电子技术与软件工程，2019， 1（23）：223-224.

[5]郑宏，张云，王哲禹，等.基于改进比例谐振控制的三相四桥臂有源电力滤波器究[J].电子器件，2017，40（1）：237-243.