一种考虑电网频率偏差的多模重复控制器

摘要

本发明涉及一种考虑电网频率偏差的多模重复控制器，控制器包括重复控制增益模块、频率偏差调节模块、加法器、反馈衰减模块、延时环节和比例控制的增益模块。所述方法由比例控制通路和多个相互并联重复控制通路构成复合控制，能够在电网频率偏差工况无静差跟踪谐波指令。本发明的优点是能够扩大控制器在标称频率点附近的频带宽度，提高品质因数，在电网频率偏差工况提高重复控制器跟踪控制谐波的性能，提升重复控制器对电网频率偏差的鲁棒性。

说明书

技术领域

本发明提出考虑电网频率偏差的多模重复控制器，主要的适用对象是有 源电力滤波器，用于抑制电网频率偏差工况的负载谐波，属于电气工程的 电能质量领域。

背景技术

在电能质量的谐波抑制领域，控制的对象是几次，十几次，几十次的谐 波电流。普通的PI控制器带宽较窄，造成了跟踪控制谐波的效果较差。而 在控制系统前向通道上增加延时反馈支路及其他辅助支路，能够有效跟踪 类似于谐波的周期性外激信号，无静差跟踪对应于工作频率或倍数次工作 频率的周期性信号，这就是在谐波跟踪控制中应用重复控制的基本原理。

重复控制是基于内模原理的控制方法，内模原理是把外部作用信号的动 力性模型植入控制器来构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。基于内 模原理的控制理论为实现对任意形式参考输入信号的无静差跟踪提供了依 据，为实现高精度的反馈控制提供了一种有效的方法。目前，内模原理已 经在线性定常系统和随动系统的综合设计中得到有效的应用。

在应用于治理电能质量的谐波抑制系统中，控制器的输入指令是由不同 频率的正弦函数叠加的信号，而非恒值。在实际的工业现场，电网的频率 也不是恒定的，而是在允许的范围内发生偏差，因而需要控制器能够根据 电网频率的偏差特征，有效跟踪电网频率的变化，或者在频率偏差的工况 下保持良好的谐波跟踪性能。

关于频率和频率偏差的概念。在电工学理论中，正弦量在单位时间内交 变的次数称为频率，用f表示，单位为Hz(赫兹)。交变(含正负半波的变 化)一次所需要的时间称为周期，用T表示，单位为s(秒)。频率和周期互 为倒数，即T＝1/f。系统频率偏差Δf＝f_m-f_N，式中f_m为实际频率(Hz)，f_N为系统标称频率。一般来讲，电力系统频率仅当所有发电机的总有功出力 与总有功负荷(包括电网的所有损耗)相等时，才能保持不变；而当总有 功出力与总负荷发生不平衡时，各发电机组的转速及相应的频率就要发生 变化。电力系统的负荷是时刻变换的，任何一处负荷的变化，都要引起全 系统功率的不平衡，导致频率的变化。

关于电力系统频率偏差的范围，根据电力系统频率偏差的国家标准 (GB/T 15945-2008)，实际中电网工作频率是在国家标准允许的范围内发生 偏差：电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz；当系统容量较小时，偏差 值可以放宽到±0.5Hz。

传统的重复控制器只针对标称频率的倍数次谐波进行跟踪控制，而对于 电网工作频率偏差工况谐波跟踪控制的研究和应用较少。此研究和应用现 状导致在电网频率偏差工况，现有重复控制器的谐波跟踪控制性能明显下 降。

发明内容

针对在电网频率偏差时，重复控制器跟踪控制谐波性能下降的问题，本 发明提出一种改进型重复控制器，将电网频率的偏差情况纳入控制器设计 的考虑中。以标称频率的偏差频率为跟踪控制对象，在传统重复控制器的 通路上添加并联的重复控制通路并设计相应的频率偏差调节系数，提高重 复控制器在电网频率偏差工况对谐波的跟踪控制性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种考虑电网频率偏差的多模重复控制器，其特征在于，包括：

一个比例控制通路：取谐波指令e作为输入量；

多个相并联的重复控制通路：取谐波指令e作为输入量，该重复控制 通路输出量同时接第二加法器，累加后的输出量接第一加法器与比例控制 通路的输出量累加，得到多模重复控制器的综合输出量；

其中，所述多个相并联的重复控制通路由多个结构相同的控制通路构 成，所述每个控制通路均包括系数为K_s1的重复控制增益模块、系数为K_d1的频率偏差调节模块、第三加法器、系数为K_f1的反馈衰减模块、两个延时 环节；并联方式为每个重复控制通路的输入侧均取谐波指令e作为参考信 号，依次串接重复控制增益模块、频率偏差调节模块，频率偏差调节模块 的输出端与反馈衰减模块的输出端连接第三加法器的输入端，第三加法器 的输出端接第一延时环节和第二延时环节的输入端，然后第一延时环节的 输出端接反馈衰减模块的输入端，第二延时环节的输出端接第二加法器的 输入端。

在上述的一种考虑电网频率偏差的多模重复控制器，重复控制通路延 时环节的延时时间长度为偏差频率范围内均匀分布的频率值的倒数，其中 作用于标称频率工况的主导重复控制通路的延时时间长度为标称频率的倒 数，其他辅助重复控制通路的延时时间长度为标称频率附近偏差频率的倒 数。

在上述的一种考虑电网频率偏差的多模重复控制器，所述重复控制通路 延为三组，分别是第一重复控制通路、第二重复控制通路、以及第三重复 控制通路；所述第一重复控制通路包括第一延时环节、第二延时环节以及 重复控制增益系数K_s1、频率偏差调节系数K_d1，反馈衰减系数K_f1；第二重复 控制通路包括第三延时环节、第四延时环节以及重复控制增益系数K_s2，频 率偏差调节系数K_d2，反馈衰减系数K_f2；第三重复控制通路包括第五延时环 节、第六延时环节以及重复控制增益系数K_s3，频率偏差调节系数K_d3，反馈 衰减系数K_f3

其中，第一延时环节、第二延时环节的延时时间长度为标称频率f_N＝50Hz 的倒数，第三延时环节、第四延时环节为正偏差频率f₊＝50.2Hz的倒数，第 五延时环节、第六延时环节的延时时间长度为负偏差频率f_-＝49.8Hz的倒 数。

重复控制增益系数K_s1＝1.5，频率偏差调节系数K_d1＝1，反馈衰减系数 K_f1＝0.9；

重复控制增益系数K_s2＝1.5，频率偏差调节系数K_d2＝0.3，反馈衰减系数 K_f2＝0.9；

重复控制增益系数K_s3＝1.5，频率偏差调节系数K_d3＝0.3，反馈衰减系数 K_f3＝0.9。

本发明具有以下优点及有益效果：1、本发明所提出的考虑电网频率偏 差的多模重复控制器的设计方法，可根据电网频率的偏差工况，灵活添加 适用于偏差频率工况的重复控制通路，从而在频率偏差工况无静差跟踪谐 波指令，提高对谐波的跟踪控制及补偿效果；2、本发明所提出的考虑电网 频率偏差的多模重复控制器，扩大控制器在标称频率点附近的频带宽度， 提高品质因数，能够保证额定工况的稳定性和稳态精度，主要在频率偏差 工况改善谐波的跟踪控制及补偿效果；3、本发明所提出的考虑电网频率偏 差的多模重复控制器，通过在适用于频率偏差工况的重复控制通路中添加 频率偏差调节系数，能够改善多模重复控制器在频率偏差工况的稳定性， 提高多模重复控制器在频率偏差工况的稳态精度。

附图说明

图1是考虑电网频率偏差的多模重复控制器的结构图。

图2是考虑电网频率偏差的多模重复控制器的幅频特性图。

图3是在标称频率工况下，基于仅含适用于标称频率重复控制通路的重 复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧电流的波形图及其频谱分析图。

图4是在标称频率工况下，基于所提出的考虑电网频率偏差的多模重复 控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧电流的波形图及其频谱分析图。

图5是在频率偏高工况下，基于仅含适用于标称频率重复控制通路的重 复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧电流的波形图及其频谱分析图。

图6是在频率偏高工况下，基于所提出的考虑电网频率偏差的多模重复 控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧电流的波形图及其频谱分析图。

图7是在频率负偏差工况下，基于仅含适用于标称频率重复控制通路的 重复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧电流的波形图及其频谱分析 图。

图8是在频率负偏差工况下，基于所提出的考虑电网频率偏差的多模重 复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧的电流波形图及其频谱分析图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案作详细说明。

图1所示为本发明所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控制器的结 构图，包括：

一个比例控制通路：取谐波指令e作为输入量；

多个相并联的重复控制通路：取谐波指令e作为输入量，该重复控制 通路输出量同时接第二加法器，累加后的输出量接第一加法器与比例控制 通路的输出量累加，得到多模重复控制器的综合输出量；

其中，多个相并联的重复控制通路由多个结构相同的控制通路构成，所 述每个控制通路均包括系数为K_s1的重复控制增益模块、系数为K_d1的频率偏 差调节模块、第三加法器、系数为K_f1的反馈衰减模块、两个延时环节；并 联方式为每个重复控制通路的输入侧均取谐波指令e作为参考信号，依次 串接重复控制增益模块、频率偏差调节模块，频率偏差调节模块的输出端 与反馈衰减模块的输出端连接第三加法器的输入端，第三加法器的输出端 接第一延时环节和第二延时环节的输入端，然后第一延时环节的输出端接 反馈衰减模块的输入端，第二延时环节的输出端接第二加法器的输入端。

图中，e为重复控制器的输入量，u为多模重复控制器的输出量。正偏 差频率f₊和负偏差频率f_-均根据电力系统频率偏差的国家标准(GB/T 15945-2008)设定。第一延时环节、第二延时环节的延时时间长度为标称频 率f_N＝50Hz的倒数，第三延时环节、第四延时环节为正偏差频率f₊＝50.2Hz 的倒数，第五延时环节、第六延时环节的延时时间长度为负偏差频率 f_-＝49.8Hz的倒数。

在本实施例中，适用于标称频率工况的重复控制通路的重复控制增益系 数K_s1＝1.5，频率偏差调节系数K_d1＝1，反馈衰减系数K_f1＝0.9；适用于频率正 偏差工况的重复控制通路2的重复控制增益系数K_s2＝1.5，频率偏差调节系 数K_d2＝0.3，反馈衰减系数K_f2＝0.9；适用于频率负偏差工况的重复控制通路 3的重复控制增益系数K_s3＝1.5，频率偏差调节系数K_d3＝0.3，反馈衰减系数 K_f3＝0.9。

图2为本发明所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控制器与仅含适 用于标称频率工况的重复控制通路的重复控制器的幅频特性对比图。图2 表明所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控制器在标称频率点附近的频 带宽度更宽，品质因数更高，能够在频率偏差工况更好地提取谐波信号。

下面对比所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控制器与仅含适用于 标称频率工况的重复控制通路的重复控制器在标称频率工况和频率偏差工 况时作用于有源电力滤波器，产生的谐波跟踪控制及谐波补偿效果。补偿 的谐波对象是带阻感性负载(R＝4Ω，L＝0.1mH)的三相不控整流器交流侧 的谐波电流，衡量的指标是补偿后电网侧电流的谐波总畸变率(THD)。

首先，对比标称频率工况时，所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控 制器和仅含适用于标称频率工况的重复控制通路的重复控制器的性能。图3 所示为标称频率工况(f＝f_N＝50Hz)时，基于仅含适用于标称频率重复控制 通路的重复控制器的有源电力滤波器补偿后的电网侧电流波形图及其频谱 分析图，补偿后电网侧电流的谐波总畸变率(THD)为2.17％。图4所示为 基于所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控制器的有源电力滤波器补偿 后的电网侧电流波形图及其频谱分析图，补偿后电网侧电流的谐波总畸变 率(THD)为2.18％。

对比图3和图4所示的谐波补偿效果，标称频率工况时两种控制器的谐 波跟踪控制性能基本相当，表明添加的适用于电网频率偏差工况的重复控 制通路基本不影响控制器在标称频率工况的性能，证明了所提出的考虑电 网频率偏差的多模重复控制器在标称频率工况具有良好的稳定性和稳态精 度。

然后，对比频率偏差工况时，所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控 制器和仅含适用于标称频率工况的重复控制通路的重复控制器的性能。

图5所示为频率正偏差工况(f＝f₊＝50.2Hz)时，基于仅含适用于标称 频率工况的重复控制通路的重复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧 电流的波形图及频谱分析图，补偿后电网侧电流的谐波总畸变率(THD)为 4.27％。图6所示为频率正偏差工况(f＝f₊＝50.2Hz)时，基于所提出的考虑 电网频率偏差的多模重复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧电流的 波形图及其频谱分析图，补偿后电网侧电流的谐波总畸变率(THD)为2.53％。

对比图5和图6所示的谐波补偿效果，频率正偏差工况时所提出的考虑 电网频率偏差的多模重复控制器相对于仅含适用于标称频率工况的重复控 制通路的重复控制器，在谐波跟踪补偿效果即谐波总畸变率的抑制效果方 面提高40.75％。此对比结果表明所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控 制器，在频率正偏差工况能够显著提高重复控制器的谐波跟踪控制稳态精 度，提高重复控制器在电网频率正偏差工况的鲁棒性。

图7所示为频率负偏差工况(f＝f_-＝49.8Hz)时，基于仅含适用于标称 频率工况的重复控制通路的重复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧 电流的波形图及频谱分析图，补偿后电网侧电流的谐波总畸变率(THD)为 4.45％。图8所示为频率负偏差工况(f＝f_-＝49.8Hz)时，基于所提出的考虑 电网频率偏差的多模重复控制器的有源电力滤波器补偿后，电网侧电流的 波形图及其频谱分析图，补偿后电网侧电流的谐波总畸变率(THD)为2.66％。

对比图7和图8所示的谐波补偿效果，频率负偏差工况时所提出的考虑 电网频率偏差的多模重复控制器相对于仅含适用于标称频率工况的重复控 制通路的重复控制器，在谐波跟踪补偿效果即谐波总畸变率的抑制效果方 面提高40.22％。此对比结果表明所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控 制器，在频率负偏差工况也能够显著提高重复控制器的谐波跟踪控制稳态 精度，提高重复控制器在电网频率负偏差工况的鲁棒性。

综合上述效果对比，可以得出以下结论：

(1)在标称频率工况，所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控制器与 仅含适用于标称频率工况重复控制通路的重复控制器(即现有的重复控制 器)，具有基本相同的稳定性和稳态精度；

(2)在频率偏差工况(包括频率正偏差和负偏差工况)，所提出的考虑 电网频率偏差的多模重复控制器相对于仅含适用于标称频率工况重复控制 通路的重复控制器(即现有的重复控制器)，具有更好的谐波跟踪控制稳态 精度。所提出的考虑电网频率偏差的多模重复控制器对电网频率的偏差具 有更优的鲁棒性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明 所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或 补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权 利要求书所定义的范围。