学术简报｜有源电力滤波器改进无差拍-重复控制策略
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中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院、电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学）、中国民航机场建设集团公司的研究人员梁营玉、刘建政等，在2018年第19期《电工技术学报》上撰文，首先推导了三相有源电力滤波器（APF）的连续时间数学模型和离散数学模型，介绍了APF的整体控制结构。
对传统无差拍控制进行深入分析，发现考虑AD采样和DSP数字计算延时后，传统无差拍控制并不能真正实现控制上的无差拍，控制精度不高。为此，提出一种改进无差拍控制，两个闭环极点均位于原点，理论上可以实现真正的无差拍控制。
为了提高改进无差拍控制的抗扰动性能和对电感参数变化的鲁棒性，提出一种改进无差拍-重复控制策略。该策略能有效消除AD采样误差、死区时间、电感参数偏移对控制性能的影响，具有良好的谐波补偿效果。实验结果验证了该策略的正确性和有效性。
随着变频器、电弧炉等非线性负载在配电网中的广泛应用，配电网的谐波问题日益突出。相比于无源滤波器，有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）具有体积小、补偿效果好、补偿灵活性好和不易引起系统谐振等优点，成为谐波治理的有效手段。
电流控制策略是APF的关键技术，其优劣直接影响APF的谐波补偿效果。为了实现对各次谐波的有效控制，文献[4,5]提出一种多同步旋转坐标系下基于比例积分调节器（Proportional Integral, PI）的控制策略。各次谐波均需要进行旋转坐标变换和反变换，控制结构复杂，计算量较大。
文献[6]提出一种静止坐标系下基于比例谐振调节器（Proportional Resonant, PR）的指定次谐波电流控制方法。该方法与文献[4,5]所提方法具有类似的控制效果，但省略了旋转坐标变换和反变换，有效降低了计算量。
文献[7-9]将电网侧电流作为反馈电流，在静止坐标系下采用矢量谐振调节器（Vector Resonant, VR）分次消除电网侧的各次谐波，谐波补偿效果较为理想。然而，采用该方法时，各次谐波的补偿程度无法设置，补偿的灵活性不够好。
前文所述电流控制策略均为指定次谐波控制策略，其基本思想为：在静止或旋转坐标系下，采用PI、PR或VR等线性控制器对各次谐波分别进行控制。若要达到较好的谐波补偿效果，需要控制较多的谐波分量，则需要多个线性控制器，将显著增加算法的计算量，加重数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）的计算负担。为此，文献[10]提出采用滞环控制实现所有谐波分量的统一控制，响应速度快，并且计算量较小。但滞环控制的开关频率不固定，导致滤波器设计较困难。
无差拍控制具有原理简单、响应速度快、易于数字化实现等优点，逐渐应用于APF，不需要对各次谐波分别控制。文献[14]提出一种内置重复控制的无差拍控制策略实现各次谐波的控制，但设计控制器时未考虑DSP本身存在的计算延时。
文献[15]指出一拍延时将导致传统无差拍控制的稳定性大大降低，在实际系统中难以稳定。文献[16]改进了传统无差拍控制算法，提出一种电流跟踪误差补偿的APF无差拍控制方法，采用电流校正算法抑制采样误差对电流产生的影响。但该控制方法在设计时未考虑如何提高对电感参数变化的鲁棒性。
本文首先推导了APF的连续时间数学模型和离散数学模型，介绍了APF整体控制结构；然后分析了传统无差拍控制存在的问题，并提出一种改进无差拍-重复控制策略，深入分析了改进无差拍-重复控制策略的控制性能、稳定性和参数鲁棒性；最后，搭建三相APF实验平台进行物理实验，实验结果验证了所提方法的正确性和有效性。
图8 改进无差拍-重复控制结构框图
并联型APF已被公认为配电网谐波治理的有效手段。为了提高APF谐波补偿的精度和抗扰动能力，提出一种改进无差拍-重复控制方法，并搭建了三相APF实验平台进行相关物理实验，得出以下结论：
1）采用改进无差拍控制时，理论上APF发出电流滞后指令电流2个控制周期，需要在谐波检测环节进行相位校正。改进无差拍控制的抗扰动能力一般，谐波补偿效果不够理想。
2）改进无差拍-重复控制具有良好的谐波补偿效果和抗扰动性能，补偿后电网电流的谐波畸变率小于5%，达到国标GB/T 14549—93规定的要求。
3）改进无差拍-重复控制对电感参数的变化具有良好的鲁棒性，稳定性好。实验结果验证了本文所提方法有效性。