有源電力濾波器自適應(yīng)電網(wǎng)電流滯環(huán)控制_圖文

1、第2期2012年3月電源學(xué)報(bào)Journal of Power SupplyNo.2Mar.2012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(cè),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

2、制有源電力濾波器進(jìn)行定頻控制是可行的。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

3、1。在有源濾波器的主回路及控制對(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(cè)。本文簡要介紹基于

4、有功能量平衡原理的控制方法之后,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(cè)有功和無功分量,使得諧波檢測(cè)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(cè)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(cè)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,

5、同時(shí)為了維持直流側(cè)電壓的穩(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

6、關(guān)元件的能量損耗,有(3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(cè)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(cè)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P

7、WM波形U cr是直流側(cè)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

8、證直流側(cè)電壓不變,這種控制方法只需要檢測(cè)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

9、和開關(guān)元件的PWM波形。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

10、A相參考電流的斜率?？梢?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

11、?？梢钥闯?逆變器輸出電流可以跟蹤補(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

12、改變,周期為0.1s,從而達(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(cè)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

13、率是有效的。參考文獻(xiàn):1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 Engineer

14、ing,Zhejiang 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

15、 to smooth the 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-inve

16、rters.A review 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),

17、2010,22(2:8285.5張光烈,徐海利,韓學(xué)軍,等.APF 控制及檢測(cè)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 Strat

18、egy for Three -phase Inverters J.IEEProc Electr Power Appl,2001,148(1:5161.10鄒曉,易靈芝,張明和,等.光伏并網(wǎng)逆變器的定頻滯環(huán)電流控制新方法J.電力自動(dòng)化設(shè)備,2008,28(4:5862.Hysteresis Grid Current Control Method for Active Power Filterwith Self-adaptive Switching FrequencyZHAO Wen,ZHANG Dai-run,WU Di(Institute of Electrical Engineering,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610065,ChinaAbstract :A novel self-adaptive hysteresis grid current control technique based on the active power balance theory for three-phase and four-wire active power filter was introduced.The algorithm changes hysteresis band according to the supply