三相 電壓型 PWM 整流器 電力濾波器

1、第25卷第1期文章編號:1000 7709(2007)01 0056 04水 電 能 源 科 學(xué)Vol.25No.1三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器的研究與設(shè)計鄭 旭 蔡 旭(上海交通大學(xué)電氣工程系,上海200030)摘要:通過對三相四線制有源電力濾波器(APF)控制原理的研究,闡明了基于正弦滯環(huán)控制原理的APF各部分的數(shù)字化實現(xiàn)方法。在此基礎(chǔ)上以DSP和CPLD為控制核心,完成了整套有源電力濾波裝置的開發(fā)。試驗結(jié)果證明了控制原理的有效性和可靠性。關(guān)鍵詞:并聯(lián)有源濾波器;正弦滯環(huán)控制;數(shù)字濾波器;遞推比例積分中圖分類號:TN713+.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A有源電力濾波器APF能夠補(bǔ)償電網(wǎng)中各次諧波和無功

2、功率,響應(yīng)速度快,可抑制閃變,且濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響,能消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險,并可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。并聯(lián)APF是目前應(yīng)用最廣、研究最多的一種形式。并聯(lián)APF相當(dāng)于受控電流源,用于補(bǔ)償負(fù)荷的無功功率,基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作原理:檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流,由運算電路計算出指令信號,再經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大和跟蹤,得出補(bǔ)償電流并注入電網(wǎng),抵消負(fù)載電流中的諧波及無功成分。圖1 APF檢測負(fù)載電流工作原理圖Fig.1 Schematicofloadcurrentdetection1 有源電力濾波器APF設(shè)計1.1 指令電流運算目前APF指令電流運算方法主要采用基于瞬時無功功率理論的

3、ip-iq法1。該方法簡單,實時性高,在工業(yè)中應(yīng)用廣泛,但要求被檢測量三收稿日期:2005 12 23,修回日期:2006 07 10相對稱,否則檢測的結(jié)果誤差較大。由于本設(shè)計應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng),當(dāng)中線有零序電流通過時三相電流不再對稱,因此必須采用改進(jìn)的ip-2iq法,即在檢測到的各相電流中去除零序分量,然后再使用ip-iq法。在此認(rèn)為各相電流中零序分量相當(dāng),即I0 (Ia+Ib+Ic)/3,指令電流運算原理如圖2所示。由于電網(wǎng)頻率變化范圍小,可事先按工頻計算出一個周期各采樣點所需的正、余弦值,并繪成表格存于DSP的ROM中。若電網(wǎng)頻率發(fā)生抖動需要進(jìn)行一定的補(bǔ)償,則將A相電壓過零點作為正、余

4、弦表的復(fù)位信號。此外,用電容電壓和參考電壓進(jìn)行PI調(diào)節(jié)后的直流量,在輸出電流中注入有功分量,使逆變器直流側(cè)和電網(wǎng)進(jìn)行有功功率的交換,從而達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。圖2中,C 為三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止直角坐標(biāo)系的變換矩陣;C為兩相靜止直角坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣;CT 為C 逆矩陣;ia、ib、ic為三相電流;i 、i 為兩相靜止直角坐標(biāo)系中的軸向分量;ip、iq為兩相旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系中的有功和無功分量;Udc為直流側(cè)電容端電壓;Udcref為直流測電容參考端電壓。C 、C分別為:1-22C =3-022作者簡介:鄭旭(1980 ),男,碩士研究生,研究方向為電力電子與自動控制,E ma

5、il:gavin_zheng通訊作者:蔡旭(1964 ),男,教授、博導(dǎo),研究方向為供電安全、微機(jī)保護(hù)、電能質(zhì)量控制等,E mail:xu cai2002第25卷第1期鄭 旭等:三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器的研究與設(shè)計57圖2 指令電流運算原理圖Fig.2 Schematicofreferencecurrentcomputationsin t-cos t-cos t-sin t1.2 數(shù)字低通濾波器設(shè)計由于BUTTERWORTH型IIR濾波器具有C=良好的低通濾波特性,快速性、通帶通過及阻帶阻斷能力強(qiáng),所以本設(shè)計選用二階BUTTER WORTH濾波器,其傳遞函數(shù)(sos形式)如下:H(z)=G

6、-1-21+a1z+a2z1-1-2的限制作用使輸出信號ic的斜率變化范圍是:c2 H/T,比傳統(tǒng)的HysteresisControl5、dtDeltaControl的斜率變化范圍大,因此開關(guān)的頻率范圍將有效減小,保證了逆變器的可靠工作。但是,此算法是以在一個載波周期內(nèi)ic與ic差值的平均值不為零為代價,這意味著在載波周期內(nèi)補(bǔ)償電流ic總是偏向指令電流i*c的某一邊,因此相當(dāng)于犧牲了跟蹤的實時性和精度來換取開關(guān)頻率變化范圍的減小。1.4 電流的遞推PI控制在指令電流信號和輸出電流信號的差值輸入滯環(huán)之前,加入PI進(jìn)行調(diào)節(jié),以維持電流控制的穩(wěn)定性。本設(shè)計根據(jù)指令電流是周期量這個特點,采用遞推PI算

7、法6,即對電流周期中每個采樣點在K、K-N、K-2N K-CN時刻的電流值都分別進(jìn)行積分(N為每個周期的采樣數(shù),K代表采樣時刻),原理示意見圖4,這樣相當(dāng)于每個采樣周期中都有N個PI調(diào)節(jié)器在并行運行)。*式中,G為傳遞函數(shù)增益;b0、b1、b2、a1、a2均為sos傳遞函數(shù)的系數(shù)。給定參數(shù)為:采樣率6.4kHz,截至頻率5Hz,通過matlab中的數(shù)字濾波器設(shè)計工具3可得:G=6 10,b0=1.000000b1=2.000000,b2=1.000000a1=-1.993058,a2=0.9930821.3 正弦滯環(huán)控制由于滯環(huán)控制具有反應(yīng)速度快、控制精度高、容易實現(xiàn)和不需了解負(fù)載性質(zhì)等優(yōu)點,

8、得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的滯環(huán)控制存在頻率調(diào)制,使開關(guān)頻率變化范圍大,容易對開關(guān)造成損壞,因此必須抑制或消除開關(guān)頻率波動。本設(shè)計電流控制策略采用正弦滯環(huán)控制4,如圖3所示。-6圖4 遞推PI控制原理示意圖Fig.4 SchematicofrecursivePIcontrol遞推PI公式如下:圖3 正弦滯環(huán)控制原理圖Fig.3 Schematicofsinusoidalhysteresiscontrolu(k)=u(k-N)+Kpe(k)-Kpe(k-N)+KIe(k)式中,e(k)為k時刻電壓或電流誤差量;u(k)為k時刻PI輸出的控制量;Kp、KI分別為比例、積分系數(shù)。,在指令電流i*c上疊

9、加正弦信號 ic=Hsin(2 t/T)后作為載波信號,并以逆變器實際輸出和載波信號的交點作為逆變器開關(guān)的開通和關(guān)斷58水 電 能 源 科 學(xué) 2007年有采樣點進(jìn)行積分的缺點,大大減輕了DSP的運算負(fù)擔(dān),從而使APF檢測的實時性得到改善;在此基礎(chǔ)上,ic同i的偏離將得到有效控制,裝置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性也會得到一定程度的提高。*c3 現(xiàn)場試驗電源A相電壓Ea=2202sin(100 t),負(fù)載為三相整流橋帶阻感支路R=35 ,L=5mH,整流橋前設(shè)置防沖擊電感Lp=1mH,PWM逆變器輸出電感L0=2mH,直流側(cè)電容C=4000 F,電容兩端電壓UDC=950V。圖7、圖8為補(bǔ)償前后電網(wǎng)A相電源

10、側(cè)電壓和電流波形。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計采用DSP和CPLD作為控制核心,對輸出電流、負(fù)載電流、直流側(cè)電壓共8個信號進(jìn)行同時采樣,采用兩片MAX125采樣芯片,每片MAX125內(nèi)含4路同步采樣通道,且可以采樣雙極性信號,每通道轉(zhuǎn)換時間3 s。為使APF能補(bǔ)償19次以下諧波,采樣率設(shè)置為6.4kHz。主電路開關(guān)采用IGBT,耐壓1200V,耐流100A,上下橋臂集成封裝,開關(guān)頻率可達(dá)15kHz。驅(qū)動電路采用高速EXB841驅(qū)動器,能驅(qū)動高達(dá)300A、1200V的IGBT,適用于40kHz以下的開關(guān)操作。由于EXB841需要獨立的20V供電電源,且為保證一定的驅(qū)動能力,每個EXB841驅(qū)動電源由獨立的6

11、WDC DC電源分別經(jīng)LM317線性調(diào)壓為20V獲得。CPLD除產(chǎn)生各外圍芯片的選通信號外,還將驅(qū)動電路中產(chǎn)生的過流、過熱、過壓等保護(hù)信號引入,并實時以外部中斷的形式反饋給DSP,一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障,DSP立即封鎖輸出的PWM脈沖,關(guān)斷逆變器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5,系統(tǒng)主程序框圖見圖6。圖7 補(bǔ)償前電網(wǎng)A相電源側(cè)電壓、電流波形Fig.7 VoltageandcurrentwaveformsofAphasebeforecompensation圖8 補(bǔ)償后電網(wǎng)A相電源側(cè)、電壓電流波形Fig.8 VoltageandcurrentwaveformsofAphaseaftercompensation圖5 AP

12、F系統(tǒng)硬件構(gòu)成Fig.5 HardwarestructureofAPFsystem通過試驗可以發(fā)現(xiàn),APF能夠有效地補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波成分,并使電網(wǎng)側(cè)電流接近正弦曲線。載波頻率為6kHz時,PWM的頻率波動范圍為5.16.5kHz。但由于對零序分量的近似處理使補(bǔ)償后的電流波形仍然存在很小的畸變,特別在負(fù)載不對稱情況下這種近似所帶來的誤差將加大。4 結(jié)語三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器可以補(bǔ)償和抑制整流器帶阻感負(fù)載時對電網(wǎng)的諧波污染,并圖6 系統(tǒng)主程序框圖Fig.6 SoftwarestructureofAPFsystem在一定程度上降低了主電路的開關(guān)頻率。本文驗第25卷第1期文章編號:1000

13、7709(2007)01 0059 03水 電 能 源 科 學(xué)Vol.25No.1中小型水電站按水頭發(fā)電控制算法及其實現(xiàn)王云杰 廖常初 陳曉東 彭國秀(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院,重慶400030)摘要:結(jié)合中小型水電廠的技術(shù)條件,按水頭發(fā)電的實際要求,提出一種新的適用于中小型水電站的按水頭發(fā)電控制算法。介紹了該算法的實現(xiàn)方法,通過在MATLAB的Simulink中建立仿真模型,驗證了該算法的可行性。該算法具有簡潔、清晰、應(yīng)用門檻低等特點。關(guān)鍵詞:水電站;按水頭發(fā)電;控制算法;自動發(fā)電控制;無人值班中圖分類號:TM612文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B水電站 無人值班 (少人值守)是電力工業(yè)發(fā)展的必然要求和水電站自動

14、化水平提高的重要標(biāo)志。大型水電站大多已基本實現(xiàn) 無人值班 (少人值守),而中小型水電站如何根據(jù)水電站現(xiàn)有的條件和狀況,以盡量少的投入滿足 無人值班 (少人值守)的基本要求,是擺在我們面前的重要課題。收稿日期:2006 03 15,修回日期:2006 06 19水電站按水位自動運行,既不需水電站值班人員,也不需上級調(diào)度值班人員直接干預(yù)。這也是實現(xiàn) 無人值班 (少人值守)的一種方式,但至今尚無實用性強(qiáng)的算法。本文提出中小型水電站按水頭發(fā)電控制的算法具有思路清晰、簡單、應(yīng)用門檻低等特點,可供同行參考。作者簡介:王云杰(1981 ),男,碩士研究生,研究方向為電力電子與電力傳動,E mail:wang

15、yunjie00通訊作者:廖常初(1981 ),男,教授,研究方向為電力系統(tǒng)測控與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),E mail:liaosun參考文獻(xiàn):1 AkagiH,KanazawaY,NabaeA.GeneralizedTheoryoftheInstantaneousReactivePowerinThree phaseCircuitC.Tokyo,Japan:ProcJIEEIPEC,1983.1375 13862 周林,秦梅,易強(qiáng).三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器J.重慶大學(xué)學(xué)報,2000,23(6):95 993 韓利竹,王華.MATLAB電子仿真與應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社,2001.4 張代潤,劉紅

16、萍.單相有源電力濾波器的滯環(huán)控制策略分析J.電機(jī)與控制學(xué)報,1998,2(3):153 1575 Tao,Kokotovic.AdaptiveControlofPlantswithUnknownHysteresesAutomaticControlJ.IEEETransactions.1995,40(2):200 2126 唐欣,羅安,涂春鳴.基于遞推積分PI的混合型有源電力濾波器電流控制J.中國電機(jī)工程學(xué)報,2003,23(10):38 41StudyandDesignofShuntActivePowerFilterUsedinThree phaseFour wiredSystemZHENGXu CAIXu(InstituteofElectricalEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)Abstract:Throughtheresearchonthecontrolstrategyofactivepowerfilter(APF)usedinthree phasefour wiredsystem,thispaperexplainsthedigitalrealizationofeverypartoftheAPFwhichisbasedonthesinusoidal