獨立聯合控制

獨立聯合控制（Independent joint control）是指利用 PR 控制器可無靜差地跟蹤交流參考量 、PI 控制器可無靜差地跟蹤直流參考量的特性 ，提出基於比例諧振（PR）與比例積分（PI）聯合控制的併網逆變器直流注入控制策略，以消除併網電流中的直流分量，各方面獨立控制的控制方法。

基本介紹

• 中文名：獨立聯合控制
• 外文名：Independent joint control
• 涉及學科：信息科學
• 套用：自動化
• 利用：PR 控制器 等
• 基於：比例諧振（PR）與比例積分（PI）

背景

隨著大型企業非線性及無功負載的大量增加，配電網中電流、電壓波形畸變程度及相角偏移也日益嚴重。目前電力電子器件額定功率有限，與電網所要求控制的電壓之間產生矛盾。因此，有源電力濾波器的多樣化方案成為研究的重點。補償系統能否套用於實際取決於其結構的複雜度，濾波系統的治理效果取決於其控制方法。為了套用實際並提高濾波效果，針對各類拓撲結構提出了許多新穎的控制方法，均有各自的優勢，但都局限在低壓小容量系統中使用。傳統的混合型電力濾波器無法像無源濾波器一樣補償無功功率，因此提出了用於補償諧波和無功功率的新型拓撲結構。

例如改進多通道注入式 HAPF 與TCR 聯合系統，雙環解耦電壓型逆變器控制的研究。這些新的拓撲與控制方法結構複雜，補償時是分別併入電網，沒有達到聯合控制的目的，且這些方法並沒有大幅度減小有源電力濾波器容量。

獨立控制

獨立控制的本質是實現 3 方面功能：1）諧波補償頻次可選；2）各選擇次諧波補償程度可獨立設定；3）各選擇次諧波可無靜差補償。獨立的懸浮繞組控制系統，所需的轉矩繞組氣隙磁鏈的幅值和相位可通過獨立的電壓模型方法辯識得到。基於單冷源空調系統溫濕度獨立控制方法，對空調機組的熱濕控制功能段及控制方式進行了改進。

隨著電力電子等非線性負荷在工業和民用場合套用越來越廣泛，電網中電流波形畸變更加嚴重，電能質量問題越來越顯著。套用有源電力濾波器(active power filter，APF)被公認為治理電網諧波、改善電能質量的最有效手段。現階段APF有兩個最重要的性能要求：

1）高補償精度，即要求補償後的網側電流總諧波畸變率和各次諧波含有率均達到GB/T 14549-93 規定的指標(或者企標的補償後的網側電流總諧波畸變率小於5%，進一步各次諧波畸變率均小於1%)；

2）裝置容量的靈活充分利用，如當補償容量超過裝置最大容量時進行分次輸出限幅或者只對指定次諧波進行補償。滿足上述性能要求的最有效方法是實現APF 諧波獨立控制，其本質是實現APF 功能：1）諧波補償頻次可選；2）各選擇次諧波補償程度可獨立設定(通常為0%~100%)；

3）各選擇次諧波無靜差補償。這3 方面功能不僅可使APF 對各次諧波的補償精度大大提高，同時可實現其對輸出容量最靈活和最充分地利用。提出一種基於多同步旋轉坐標系的指定次諧波電流控制方法，各指定次諧波控制對應各同步旋轉坐標系下PI 控制器，而且隨著指定頻次的增多，多控制器間容易產生耦合，參數難整定，計算量大。

採用諧波集中檢測結合多比例諧振器(multi-proportional resonant，MPR)的分次電流環，雖然較計算量減少，但控制系統模型一致，本質仍一樣。提出採用諧波分次檢測結合採用單PI 控制器集中電流環，並在檢測環節中加入相位補償以抑制檢測環節和電流環固有時延對控制系統穩定性的影響，但其未解決採用單PI 控制器集中電流環跟蹤各選擇頻次諧波分量時存在的靜差問題。綜上，當前APF 諧波獨立控制實現的研究存在以下問題：諧波集中檢測和諧波分次檢測，僅後者能實現諧波獨立控制的功能1 和2；集中電流環和分次電流環，前者結構簡單實現容易，但僅後者可以實現諧波獨立控制的功能3，可是當電流環採用多個控制器時，控制系統複雜，隨著控制器數目增多，參數難以整定，容易出現控制系統穩定性問題，計算量大。因此同時實現諧波獨立控制的3 方面功能成為當前難點。

針對以上問題，從APF 諧波獨立控制實現的核心即諧波控制系統結構角度展開研究，將現有 APF 諧波控制策略分為4 類：1）諧波集中檢測結合集中電流環；2）諧波集中檢測結合分次電流環；3）諧波分次檢測結合集中電流環；4）諧波分次檢測結合分次電流環。多方面對比後，提出改進諧波分次檢測結合集中電流環的諧波控制系統結構，具體包含選擇次補償和全補償模式兩種運行模式下結構。該方法充分利用兩方面特性：1）集中電流環對輸入的各頻次分量增益固定且可得；2）諧波分次檢測得到的各頻次分量通過乘以校準增益後，其幅值和相位均可調節，從而通過諧波分次檢測後再分次校準集中電流環靜差，很好地實現了APF 諧波獨立控制的3 方面功能，同時由於採用集中電流環，控制系統簡單，參數易整定、不易出現穩定性問題。

聯合控制

聯合控制利用 PR 控制器可無靜差地跟蹤交流參考量 、PI 控制器可無靜差地跟蹤直流參考量的特性 ，提出基於比例諧振（PR）與比例積分（PI）聯合控制的併網逆變器直流注入控制策略，以消除併網電流中的直流分量。桁架錨索聯合控制技術是將處於受壓狀態的巷道兩肩窩深部岩體作為錨固點和承載結構的基礎, 採用高預拉力對拉並鎖緊兩根鋼絞線, 直接作用於頂板淺部的圍岩, 提供水平預應力改善頂板的應力狀態, 強化低位岩體的力學性能和提高其抗變形性能, 控制層狀頂板的不協調變形 。

補償原理

SHPF 和TCR 組合的新型拓撲結構。SHPF 由一個小容量的APF 和一個LC 五次無源濾波器串聯組成。其中APF 由串接注入式升壓電感(Lpf，Rpf)和脈衝寬度調製(PWM)三相全橋電壓型逆變器及直流母線電容器(Cdc)組成。系統主要補償由無源部分承擔，有源部分改善濾波特性、抑制電網和SPF 間的諧振，承受非常小的電網基波電壓和電流，其額定容量被大大降低。新型拓撲結構不用經過隔離變壓器，系統複雜度被大大降低，經濟實用性強。

聯合系統提出了改善動態回響並降低TCR 穩態誤差的控制方法。由PI 控制器和提取所需的觸發角來補償負載所消耗的無功功率。非線性控制SHPF 進行電流跟蹤和電壓調節。採用解耦控制策略，將dq坐標系的分量解耦線性化，控制SHPF的注入電流。直流電壓使用輸出反饋線性控制，該 SHPF 可以保持較低的直流側電壓。這個SHPF-TCR 相結合的拓撲結構及控制方法非常適合電力系統綜合補償無功功率和消除諧波電流。

系統組成與建模

在三相靜止abc 坐標系變換到兩相旋轉dq坐標系，將電流id和iq進行微分，得出該系統的空間狀態模型。由於狀態變數{id,iq,Vdc}和開關狀態函式{dnd,dnq}的存在，系統模型為非線性的。SHPF控制的三個狀態變數必須獨立地控制。因此通過解耦策略，充分分離它們各自的動態變數，可以避免內部電流環路和外部直流母線電壓環路之間的相互作用。

採用電流內環和直流電壓外環模型時，TCR 電容電壓的微分係數比較低，所以對所提出控制技術的性能沒有顯著的負面影響。因此，它們實際上可忽略不計，然後將電流進行解耦，得出輸入變數。在變換過程中，對解耦後的電流進行跟蹤。電流id和iq可以被獨立地控制，並且通過使用比例積分補償器，實現快速動態回響和零穩態誤差。跟蹤控制器的表達式為

仿真與實驗

不投入無功負載，得出單相供電電流(is1)，負載電流(iL1)，SHPF-TCR電流(ic1)的仿真圖形及直流側電壓(Vdc)。 SHAP 工作時，電源電流的總諧波失真，從25.72%降低到1.52%。通過仿真驗證SHPF-TCR 補償器提供了非常良好的補償性能，並且直流側電壓穩定在50 V。在系統產生諧波和需無功功率時，通過實驗觀察SHPF-TCR 的補償規律，如圖8 所示為SHPF-TCR 補償無功功率和消除諧波的穩態回響，該圖波形是網側電壓(Vs1)、單相電源電流(is1)、負載電流(iL1)和混合濾波器的電流(ic1)。 SHPF-TCR 補償負載電流(iL1)的動態回響。從該實驗結果，可以觀察到SHPF-TCR 補償器能夠有效地補償諧波電流和無功功率。電源電流接近正弦，並保持與電壓同相位。系統諧波由TCR 並聯連線電容器和有源濾波器進行補償。APF 被設定為僅補償負載諧波，TCR 的諧波電流迫使流過電容器，這些諧波不會流過電源或負載。因此，保證了網側的電能質量。

控制結構

簡介

APF 整機系統，由控制系統和功率系統兩部分組成，其中控制系統包括 3 部分：諧波控制系統、直流電壓外環和電網電壓鎖相環。諧波控制系統是 APF 控制系統核心，包括諧波檢測和電流環兩部分。從諧波控制系統結構角度進行對比分析，進一步提出了 APF 兩種運行模式下的改進諧波獨立控制系統結構。

傳統控制結構

諧波集中檢測

結合集中電流環諧波集中檢測結合集中電流環的傳統諧波控制系統結構。其中諧波集中檢測是指利用負載電流直接減去檢測出的單頻次分量(通常為基波正序分量等不需要 APF 補償分量)得到總的全頻段諧波指令電流，單頻次分量檢測常用的方法 有 離 散 傅 里 葉 變 換 (discrete Fouriertransformation，DFT)、瞬時無功等；集中電流環是指電流環開環部分採用單控制器，如比例積分(Proportional Integral，PI)(靜止或者單同步坐標系下)或等效的單頻次比例諧振器等。該結構簡單易實現，但無法實現諧波獨立控制，即諧波補償頻次的可選和程度的可設定，對諧波電流各頻次分量的無靜差跟蹤。

諧波集中檢測結合分次電流環

諧波集中檢測結合分次電流環結構的電流環採用多個控制器即各頻次電流控制器，構成分次電流環。分次電流環控制器常為多比例諧振器或者多同步坐標系 PI，證明兩者具有等效性，均可實現電流環對指定次諧波分量的無靜差跟蹤，通過投入或者切出不同頻次電流控制器以實現諧波補償頻次的選擇。但是由於該結構採用諧波集中檢測，無法實現對指定次諧波補償的程度設定，也就不能完全實現諧波獨立控制功能，而且分次電流環控制器隨著選擇頻次的增多容易存在耦合，參數難整定，易出現穩定性問題。

諧波分次檢測結合集中電流環

這種諧波分次檢測結合集中電流環結構，採用諧波分次檢測得到各需要補償頻次分量，再經過程度係數和頻次選擇，實APF 諧波獨立控制功能 1 和 2；採用集中電流環，雖然避免了結構 2 中分次電流環的問題，但是存在對各指定頻次諧波分量的跟蹤靜差問題，即不能實現諧波獨立控制功能 3，而且隨著指定諧波頻次的增高，靜差會逐漸增大，大大降低 APF 的補償精度。

諧波分次檢測結合分次電流環

通過上面 3 種諧波控制系統結構，可很直接得到諧波分次檢測結合分次電流環結構，但是實際套用中很少採用該結構，因為其運算量過大且占用大量的 DSP 資源，影響系統的實時性，且存在結構2 中分次電流環的問題，本文不再贅述。對比分析以上幾種諧波控制系統結構，結構 1 雖然控制系統簡單，但諧波獨立控制3 方面功能均不能實現；結構 2 採用分次電流環實現了諧波獨立控制功能 1 和 3，但由於採用諧波電流集中檢測，不能實現諧波獨立控制功能 2，且存在採用分次電流環的問題，即電流環控制器複雜、參數難調、易出現穩定性問題，占用資源過大；結構 3 與 2 相反，採用諧波分次檢測實現諧波獨立控制功能 1 和 2，但採用集中電流環雖然結構簡單沒有分次電流環的問題，可是不能實現諧波獨立控制功能 3；結構 4 雖然可實現諧波獨立控制 3 方面功能，但這是以控制系統過複雜、運算量和占用資源過大為代價，不適於實際套用。

改進諧波分次檢測結合集中電流環

針對上述問題，根據以下兩方面特性：1）集中電流環對輸入的各頻次分量增益固定，且可得；2）諧波分次檢測得到的各頻次分量通過乘以校準增益後，其幅值和相位均可調節，從而得到利用諧波分次檢測後再分次校準集中電流環靜差的改進諧波分次檢測結合集中電流環的 APF 諧波控制系統結構，實現了諧波補償頻次可選、程度可設定的同時，實現了選擇頻次諧波無靜差跟蹤補償，即本文提出的 APF 諧波獨立控制 3方面功能。改進結構包含兩種運行模式，即指定次諧波補償模式和全補償模式。指定次諧波補償模式，該模式下 APF 的諧波補償頻次可選，各選擇頻次諧波的補償程度可獨立設定，同時對各指定頻次諧波分量可無靜差跟蹤補償，這種模式適用於需要補償諧波頻次數量不多的情況。全補償模式，採用的方法是從負載電流中直接減去諧波分次檢測的指定頻次諧波分量，再加上校準集中電流環靜差後的各頻次諧波分量，即實現了諧波獨立控制 3 方面功能，又實現了諧波全頻段補償，這種模式適用於需要大範圍諧波頻次補償的情況。

集中電流環靜差分析和校準

建立採用靜止坐標系PI 控制器的集中電流環模型，通過該模型頻域特性，定性和定量分析集中電流環靜差，並給出諧波分次檢測校準集中電流環靜差的方法。

集中電流環靜差分析

APF 通常採用數字控制器，為便於分析，本文在連續域下對數字控制系統進行建模和分析。採用靜止坐標系PI 控制器的集中電流環的連續域近似模型採用ab坐標系下建模、複數形式表示。圖中：Ts為採樣周期(亦即脈寬調製(pulsewidth modulation，PWM)開關周期或其一半)；L為併網電感；R為電感的寄生電阻；Kp和Ki分別為PI 控制器的比例係數和積分係數；E為三相電網電壓複數矢量。由於採用了電網電壓前饋技術，同時電網電壓一般情況諧波含量很低，所以頻域分析在諧波頻次時無需考慮電網電壓E的擾動。另外，PWM 部分的計算延時和零階保持器(zero orderhold，ZOH)兩個模組，連續域下分別用兩個一階慣性環節近似表示。

分析集中電流環穩定性、動態性能和閉環頻域特性。關於集中電流環穩定性和動態性能方面，指出通過合理的調節PI 控制器參數可使集中電流環具有良好的穩定程度和動態性能，但從閉環頻域特性方面看，這種情況時集中電流環的頻寬不會很寬，一般不會超過其輸入指令電流頻段即APF 所需補償電流的頻段(通常為2~50 次)，則集中電流環對很多頻次諧波分量的增益(本質為複數，包括增益幅值和增益相角)偏離增益1，使得集中電流環輸出的指定頻次分量的幅值和相位較指令量出現較大偏差，即產生所謂的集中電流環靜差。

根據線性控制系統頻域特性可知，集中電流環對各頻次分量增益為系統固有參數，與輸入信號無關，因此集中電流環閉環傳遞函式對其閉環頻域特性作定性和定量分析。以保證集中電流環控制系統具有合適的穩定裕度和良好的動態性能為目標，對PI 控制器參數進行整定，取Kp=3.2，Ki=8，利用Matlab 作出集中電流環閉環波德圖，由圖可知，在0 Hz 處，系統的閉環幅頻回響為1(0dB)，相頻回響為0°，說明PI 控制器可對直流量無靜差跟蹤，但隨著頻率的增加，會出現幅值衰減，相角滯後，集中電流環靜

仿真分析

搭建 Matlab-Simulink仿真模型。系統阻抗忽略不計。非線性負載為三相不控整流橋，集中電流環對各頻次諧波電流分量增益。首先分析單指定次諧波電流輸入集中電流環情況，集中電流環輸入單 7 次諧波指令電流時的 A 相指令電流、靜差校準前和校準後的輸出電流波形，可以看出，靜差校準前的輸出電流幅值略高於指令電流，相位滯後於指令電流，直接通過波形數據分析得到該輸出電流較指定電流相位滯後16.3º，幅值放大比例為 1.03，此結果數據基本一致。按此數據進行集中電流環靜差校準後，可看出輸出電流幾乎和指定電流重合。再分析多指定次諧波電流輸入集中電流環情況， 列出了 APF 補償 37 次以內諧波時，集中電流環靜差校準前後網側電流的各次諧波含有率，同時給出了負載側各次諧波含有率。通過網側電流各次諧波含有率對比可看出，採用本文所提集中電流環靜差校準方法，APF 對各頻次的諧波補償均達到了更好的效果。