有源電力濾波器自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制

1、第2期2012年3月電源學(xué)報(bào)Journal of Power Supply有源電力濾波器自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制趙文,張代潤,吳敵(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,成都610065摘要:簡要介紹了基于有功能量平衡原理的控制方法,將自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制方法應(yīng)用于三相四線制有源電力濾波器。該方法主要根據(jù)電網(wǎng)電壓、有源電力濾波器接入點(diǎn)電壓和電網(wǎng)電流的微分改變滯環(huán)電流寬度,從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的穩(wěn)定;通過改變補(bǔ)償電流的波形實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的正弦化,且在負(fù)載變化時(shí),電網(wǎng)電流能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。該方法的特點(diǎn)是不需要傳統(tǒng)的諧波電流檢測,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。使用Matlab 仿真,其結(jié)果證明了該方法對(duì)三相四線制有源電力濾波器進(jìn)行定頻

2、控制是可行的。關(guān)鍵詞:有功能量平衡原理;自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán);三相四線制有源電力濾波器中圖分類號(hào):TN713文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):2095-2805(201202-0067-05收稿日期:2011-12-17作者簡介:趙文(1986-,男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制技術(shù),E-mail:Zhaowen.1218 。引言有源電力濾波器(Active Power Filter ,簡稱APF 是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,對(duì)包括非特征諧波、暫態(tài)諧波在內(nèi)的所有諧波均具有良好的濾波效果。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,有源濾波器在電力系統(tǒng)中得到了日益廣泛的應(yīng)用1。在有源濾波器的主回路

3、及控制對(duì)象均已確定的情況下,其輸出電流的控制方法對(duì)有源電力濾波器性能和效率有重要的影響2。當(dāng)前有源電力濾波器的電流控制方法主要有滯環(huán)電流控制方法、三角波控制方法以及單周控制方法等2。滯環(huán)電流控制技術(shù)是應(yīng)用最經(jīng)常、最廣泛的一種控制方法,具有硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單、電流響應(yīng)快、準(zhǔn)確度較高、輸出電壓不含特定頻率的諧波分量等特點(diǎn)1,但電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率是變化的,導(dǎo)致開關(guān)損耗和電磁干擾增大。文獻(xiàn)3將定頻滯環(huán)電流控制應(yīng)用到有源電力濾波器,采用一個(gè)閉環(huán)鎖相電路自動(dòng)調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度實(shí)現(xiàn)定頻,但難以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。文獻(xiàn)4不需要增加額外的模擬電路即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制,但需要諧波檢測。本文簡要介紹基于有功能量平衡原理的控制方

4、法之后,分析了三相四線制有源電力濾波器自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制策略,以電網(wǎng)電流的基波正序分量作為參考信號(hào),在達(dá)到較高跟蹤精度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的定頻化。1基于有功能量平衡原理的控制方法從瞬時(shí)有功能量在系統(tǒng)中傳遞的角度出發(fā),以調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸入的有功能量為目標(biāo),直接對(duì)輸入的電網(wǎng)電流進(jìn)行控制,無需檢測有功和無功分量,使得諧波檢測的過程十分簡單,從而降低有源濾波器的控制成本。同時(shí)該控制方法采用了檢測電網(wǎng)電流的控制方式,屬于閉環(huán)控制,具有較好的諧波補(bǔ)償性能5。傳統(tǒng)的有源電力濾波器的控制是從無功和諧波檢測角度出發(fā),得到諧波和無功的指令信號(hào)后,通過有源電力濾波器產(chǎn)生相應(yīng)的諧波和無功電流,同時(shí)為了維持直流側(cè)電壓的

5、穩(wěn)定,在控制中增加了直流側(cè)電壓的控制,計(jì)算比較復(fù)雜。而從有功調(diào)節(jié)的角度出發(fā),只需要調(diào)節(jié)有源電力濾波器的直流側(cè)電壓就可以獲得系統(tǒng)所需要的有功功率總和,同時(shí)還可以維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定,使控制簡化6。當(dāng)負(fù)載一定時(shí),負(fù)載電阻所需的有功功率近似為:電源學(xué)報(bào)總第40期(1從能量平衡的角度來看,在三相電路中有功功率可以看成是從電源側(cè)直接傳遞給了負(fù)載和有源電力濾波器的直流側(cè)。流入有源電力濾波器的有功能量除了補(bǔ)充有源電力濾波器的開關(guān)損耗外,還使電容上的電壓發(fā)生變化。即電網(wǎng)輸出的有功功率為負(fù)載消耗的有功功率與有源電力濾波器輸入的有功功率之和,即(2在有源電力濾波器中,忽略電感上的電壓降和開關(guān)元件的能量損耗,有(3

6、在一般情況下,可以假設(shè)電網(wǎng)電壓為無畸變的正弦量,并且三相平衡,可表示為(4補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流是正弦且和電網(wǎng)電壓同相,可表示為(5式中I s為補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流幅值,I s可從整個(gè)系統(tǒng)的有功功率流動(dòng)中獲得7。檢測電容電壓,濾除紋波,得到電容平均電壓,將電壓設(shè)定值減去電容電壓的差值送入PI控制器,PI控制器的輸出就是電網(wǎng)電流的幅值I s。檢測任一相的相電壓,經(jīng)移相和加法處理后得到與對(duì)應(yīng)相電壓同相位的三相單位正弦信號(hào),與PI控制器的輸出相乘,得到理想的參考電流信號(hào),即電網(wǎng)電流的基波正序分量,系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1基于有功能量平衡原理的系統(tǒng)控制框圖圖2自適應(yīng)滯環(huán)控制的電流和PWM波形U cr是直流側(cè)

7、電壓U c的給定值,U cf是U c的反饋值,即電容平均電壓,給定電壓和反饋電壓的差值是相應(yīng)時(shí)刻整個(gè)系統(tǒng)所需的有功功率的總和5。假設(shè)電網(wǎng)電壓無畸變,電網(wǎng)輸入的有功功率和輸入的有功電流是成比例的,因此有功電流的大小也就反映了輸入有功功率的大小。以有功電流為參考信號(hào),對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行PWM控制,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的正弦化。當(dāng)電網(wǎng)電流的輸入值低于系統(tǒng)需要的有功電流時(shí),直流側(cè)電壓降低,使得參考電流增加,輸入電網(wǎng)電流上升,反之亦然。由于只是對(duì)電流進(jìn)行控制,系統(tǒng)可以在一個(gè)比較寬的輸入電壓范圍內(nèi)自動(dòng)達(dá)到輸入輸出的能量平衡。當(dāng)負(fù)載波動(dòng)時(shí),也可以調(diào)節(jié)輸入電網(wǎng)電流,達(dá)到輸入和輸出能量的平衡,同時(shí)保證直流側(cè)電壓不變,這種控

8、制方法只需要檢測電網(wǎng)電流,不需要復(fù)雜的計(jì)算,實(shí)現(xiàn)過程簡單6。2自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制滯環(huán)寬度(hysteresis band width,HB決定有源電力濾波器的開關(guān)頻率,滯環(huán)寬度越窄,開關(guān)頻率越大,通過改變滯環(huán)寬度,可以控制有源電力濾波器的平均開關(guān)頻率。理論上,增加開關(guān)頻率能使電網(wǎng)電流的波形接近正弦波,但由于開關(guān)器件的限制,開關(guān)頻率的增加會(huì)導(dǎo)致更多的開關(guān)損耗,也會(huì)造成電磁干擾等問題,因此,開關(guān)頻率的選擇應(yīng)綜合考慮8。本文采用的自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制9,是根據(jù)電氣參數(shù)自適應(yīng)地改變滯環(huán)寬度,從而使有源電力濾波器開關(guān)頻率基本維持不變。如圖2所示為自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制的電流和開關(guān)元件的PWM波形。

9、68與傳統(tǒng)的定頻滯環(huán)電流控制以補(bǔ)償電流為控制對(duì)象不同,本文是在有功功率平衡理論的基礎(chǔ)上,以電網(wǎng)電流的基波正序分量為參考信號(hào),對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行定頻滯環(huán)控制。三相四線制有源電力濾波器基本原理框圖如圖3所示,其三相逆變器采用中性線結(jié)構(gòu),即直流側(cè)母線中點(diǎn)與三相電源的零線相連接,三相開關(guān)控制相互獨(dú)立,任何一相不受其它兩相干擾10。以A相為例,其控制框圖如圖4所示。圖3三相四線制有源電力濾波器原理框圖圖4有源電力濾波器自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制框圖(6(7在S1導(dǎo)通期間(T on,有(8在S1截止期間(T off,有(9(10解以上五式聯(lián)立組成的方程組,得(11式中:f s為開關(guān)頻率;為A相參考電流的斜率?？梢?/p>

10、,滯環(huán)寬度是A相有源電力濾波器接入點(diǎn)的電壓U a、開關(guān)頻率f s,A相電網(wǎng)電壓V a和A相參考電流斜率的函數(shù),通過控制滯環(huán)寬度能保持開關(guān)頻率基本不變。圖5所示為自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)寬度計(jì)算器的Matlab仿真模塊。圖5自適應(yīng)滯環(huán)控制環(huán)寬計(jì)算框圖3仿真分析利用Matlab,根據(jù)上述的控制算法建立模型,對(duì)圖3所示的三相四線制有源電力濾波器進(jìn)行仿真。該有源電力濾波器用以補(bǔ)償阻感型二極管三相橋式整流電路產(chǎn)生的諧波電流。變環(huán)寬滯環(huán)控制模塊用Matlab的S函數(shù)實(shí)現(xiàn)4。仿真參數(shù)見表1。表1仿真參數(shù)圖6(a為A相負(fù)載電流波形;圖6(b為補(bǔ)償后A相電網(wǎng)電流波形;圖6(c為A相補(bǔ)償電流波形。可以看出,逆變器輸出電

11、流可以跟蹤補(bǔ)償電流。圖7為電網(wǎng)電流放大10倍后與電網(wǎng)電壓的關(guān)系曲線圖,可見二者相位同步。U c/V V S/V L/mH L c/mH f s/kHz8002200.1425趙文,等:有源電力濾波器自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制第2期69電源學(xué)報(bào)總第40期圖8為采用自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制后,電網(wǎng)電流的諧波頻譜,THD為3.33%,達(dá)到了IEEE519諧波標(biāo)準(zhǔn)要求圖6(a負(fù)載電流圖6(b補(bǔ)償后電網(wǎng)電流圖6(c補(bǔ)償電流圖7電網(wǎng)電流(放大10倍與電壓的關(guān)系圖8補(bǔ)償之后電網(wǎng)電流諧波頻譜給定開關(guān)頻率25kHz,根據(jù)本文所采用的算法進(jìn)行仿真,得到環(huán)寬波形如圖9所示,可以看出環(huán)寬隨時(shí)間周期性改變,周期為0.1s,從

12、而達(dá)到穩(wěn)定開關(guān)頻率的目的。阻感負(fù)載在0.1s時(shí)發(fā)生變化,其中,電阻由50變?yōu)?4.3、電感不變,電網(wǎng)電流變化波形如圖10所示,電網(wǎng)電流在0.14s時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài),可見,該方法用于有源電力濾波器時(shí)對(duì)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定有很好的效果。圖9自適應(yīng)滯環(huán)控制的滯環(huán)寬度圖10阻感負(fù)載變化時(shí)電網(wǎng)電流波形4結(jié)論本文從有功能量平衡的角度出發(fā),采用有功能量平衡原理和自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制相結(jié)合的控制方法,在保持傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制電流響應(yīng)快、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)的同時(shí)不需要檢測諧波電流。在達(dá)到較高跟蹤精度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的穩(wěn)定。通過仿真驗(yàn)證該方法對(duì)實(shí)現(xiàn)三相四線制有源電力濾波器的功能以及穩(wěn)定其開關(guān)頻率是有效的。參考文獻(xiàn):1

13、王兆安,楊君,劉進(jìn)軍,等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.2曾江,劉艷,葉小軍,等.有源濾波器的低損耗滯環(huán)電流控制方法J.電網(wǎng)技術(shù),2010,34(1:7378.3曾江,焦連偉,倪以信,等.有源濾波器定頻滯環(huán)電流控制新方法J.電網(wǎng)技術(shù),2000,24(6:17.70Review of Power Decoupling Techniques for Photovoltaic Micro-invertersLI Duo,JIANG Chen,CHEN Min,QIAN Zhao-ming(College of Electrical Engineering,Zhejiang

14、 University,Hangzhou Zhejiang 310027,ChinaAbstract :In photovoltaic(PVgrid -connected micro -inverters,the output power contains a pulsation with twice gridfrequency while the input power is constant.Usually,electrolytic capacitors of large capacitance paralleled to PV panel are employed to smooth t

15、he input voltage and balance the instantaneous input and output power mismatching (power decoupling.Nevertheless,the life-span of the electrolytic capacitors is too short to meet the requirement of the PV panels,which become the crucial factor of the life-span and stability of micro-inverters.A revi

16、ew of power decoupling methods for micro-inverters in PV system was presented.These methods were categorized and introduced separately.Finally,the comparison and conclusion were presented.Key words :photovoltaic;micro-inverter;power decoupling4張竹,張代潤,王超,等.有源電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制新策略J.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2010,22(2:82

17、85.5張光烈,徐海利,韓學(xué)軍,等.APF 控制及檢測電路實(shí)現(xiàn)方法綜述J.繼電器,2008,36(2:6973.6王冬平,陳樹君,黃繼強(qiáng),等.基于有功能量平衡原理的并聯(lián)型有源濾波器的控制方法J.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2004,19(2:8992.7阮立飛,張萬峰,葉生.三相并聯(lián)有源濾波器的控制策略研究J.電氣傳動(dòng),2001,(3:912.8戴訓(xùn)江,晁勤.光伏并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)電流滯環(huán)跟蹤控制的研究J.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38(4:2530.9Bowes S R,Grewal S.Novel Adaptive Hysteresis BandModulation Strategy for Thre

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