探究有源电力滤波器中的重复控制

李金元

（三峡大学，湖北宜昌 443002）

引言

对于整个电网而言，当非线性电力用户负荷出现后会产生谐波电流，电网电压发生畸形的几率较高，严重影响了同线路相关用户的电力质量。长时间以来，在电力系统中谐波治理问题都是一项十分关键的任务。传统谐波治理处理方式，主要是采用以LC无源元件为核心的谐振装置，将其进行并联，利用无源支路完全吸收低阻特性的谐波。谐振条件对线路阻抗的影响较为深刻，很容易因为失谐致使滤波效果差强人意。随着PWM技术、全控性电力半导体器件的日益成熟，各种新型电力谐波治理装置不断涌现，其中具有代表性的是有源滤波器（APF）。重复控制这种控制算法主要是以内模原理为基础，其可以精准跟踪周期性的参考信号，具有实现难度小、结构简单的特点，因此积极运用于有源电力滤波器中。

1 重复控制的基本思想

重复控制属于一种控制思想，其主要以内模原理为基础。内模是处于稳定的闭环控制系统中囊括外部输入信号的数学模型。内模原理对于一个控制系统来说，若是对其进行控制的反馈从被调节的信号中而来，这时内控外部信号动态模型已经包含在反馈回路中，整个系统均具有稳定的结构[1]。内模原理则是将系统外部信号相关动力学模型引入到控制器中，组成精度更高的反馈控制系统。此系统可以对输入信号进行无静差的跟踪。就全部的无静差系统来说，均有此问题存在，也就是当输入信号接近0时，怎样确保控制信号能够继续输出，使适宜的控制作用得到有效维持。这时候尽管反馈、给定信号依然存在，然而误差信号则是零，那么系统信号通道则完全断开，输出和输入没有关系。面对这一情况，控制器应将外部干扰或指令的模型纳入其中，对信号输出进行积极控制。从此角度而言，内模作用于信号发生器较为相似，控制信号时禁止引入外部变量。

2 重复控制的优化

重复控制器拥有简洁的结构，具有极好的稳态性，主要运用于周期输入、扰动控制及跟踪环节中。在重复控制中，内模占据着极为重要的位置，其可以促进控制性能有效提升[2]。对于全部谐波频率而言，经典内模效果突出，可以对各次谐波进行补偿。但其也具有延时性的问题，通过一个基波周期后，重复控制器才启动，几个周期后才能看到效果，而在此时间段，不能合理解决电网质量。所以，需要对传统重复控制予以健全。

2.1 选择性重复内模

为减少延迟时间，预防无谐波频段测量产生较大噪声，通过优化后出现了“选择性重复控制内模”，其可以补偿部分次谐波。对特定次谐波进行补偿的内模，如图1所示，为了有选择性地进行补偿，在前馈路径上恰当位置安装DFT滤波器装，超前相位则可以在设计阶段借助Na展开调整。虽然存在宽带的制约情况，然而这种控制方式能够完全将选定的波次进行补偿。

图1 对特定次谐波进行补偿的内模

三相系统具有对称性，所以只存在奇次谐波[3]。就此情况，可对奇次谐波内模进行有效补充，如图2所示，可嵌入重复控制器，在离散域中跟踪奇次谐波电流。对于不必要的频率，这方法不会产生高增益，所以鲁棒性也得到了优化，同时延迟时间缩短到二分之一各基波周期。立足于此，将遗忘因子Kf引入，借助增加阻尼可以提升控制器的鲁棒性。

图2 对奇次谐波进行补偿的内模

对于反馈环节而言，积极引入修正，选择在每两个极点处设定一个零点，以此在整体上提高系统的选择特性，促进增益以及提升灵敏度。就三相整流电路形成的6k-1的负序量以及6k+1的正序量此特点，将dq坐标系下的选择性内模提出，在运用上述谐波补偿中，这种内核结构十分单一，更容易设计，且能够对延时时间补偿予以有效控制，可以快速作出响应。补偿nk±m次谐波的内模，相较于传统内模，可以选择性地补偿谐波，同时占用的数据存储更小，可以快速收敛误差，但内模结构具有一定的复杂性。

2.2 非整数延时内模

出于对数据存储的考虑，在数字重复控制系统中，采样频率、参考信号基波周期频率的比例应该是一个整数。而实际上，当电网频率发生改变，但采样频率没有变化的时候，容易导致比值不是整数，即便是取整，也难以保障重复控制的稳定性保障。

补偿6k±1次谐波的内模，如图3所示，当内模的N/6拍延时不是整数的情况下，在全部延迟环节中设定一个分数延时滤波器（FIR-FD），采用拉格朗日插值法高效率、精准地计算出滤波器相关参数，然而这些数据会对内模性能造成严重影响，鲁棒性较差。所以，可以在内模中引入滤波器，且以拉格朗日插值法为主，以确保系统可以精准跟踪，促使THD降低。

图3 对补偿6k±1次谐波内模的改进

2.3 负反馈内模

对于重复控制这问题，刚开始主要使用正反馈内模形式，然而在补偿奇、偶次谐波方面均有所缺陷：可能会使相移发生改变，这就需要采用其他的滤波器，进而在一定程度上增多了设计成本。所以，可采取带负反馈结构的重复控制方式，积极补偿谐波。在电力系统中，补偿奇次谐波的实用性较强。正、负反馈的对比见图4，通过图4可知，因为负反馈将奇数次谐波视为一种指令信号，延时短、储存空间少等优势明显，节省了成本。

图4 正负反馈及奇点对比图

2.4 模拟形式内模

现阶段，相关学者重点分析了重复控制内模，研究范围不再仅限于数字方式，模拟方式也得到了较好发展。例如，用于实现延迟的模拟集成电路（IC），其主要由电感器与电容器构成。以此构成的电路还被称之为低噪声斗链式延迟（BDD）电路，能够顺利转变为精准延时电路，具有较高的信噪比，延时时也不会影响精度。

3 复合控制

要想确保重复控制展现出最佳效果，需与其他控制方式关联，然后应用到有源电力滤波器中。其一，与无差拍控制相结合，对无差拍形成的控制偏差进行修正，进而顺利获取到下一拍的输出电压，采取滞环、双滞环控制方式，有效解决重复控制动态性能不足的情况；其二，与带积分状态反馈结合，然后设计输出电压控制方案，可确保动态特性、精确度；其三，与有源阻尼结合形成的控制方式，能够在确保系统稳定以及稳态精度的基础上，制定科学合理的设计方案；其四，与PI控制并联，且巧妙地使用到有源电力滤波器中。如果指令电流突然出现变化，PI控制会第一时间做出响应，跟踪指令，并重复控制，以此来有效避免稳态误差的出现，这样除了能够展现出重复控制稳态精度高的特点之外，还能够彰显出PI控制动态速度迅速的特征[4]。这一种复合控制方法值得广泛推广。

4 结语

现阶段社会能源缺口逐渐加重，进而对高效清洁能源提出了更多的需求。在此背景下，能源生产与运用极其关键，电力电子技术是一种典型的清洁能源技术，发挥着重要作用，但电力电子会形成谐波，不利于其发展。所以，需加强对谐波的治理。在有源电力滤波器中运用重复控制可实现对谐波的有效治理。通过分析有源电力滤波器中的重复控制，以此来确保电力行业可持续健康发展。