單相并聯(lián)型有源電力濾波器電流復合控制

1、電力電子技術Power ElectronicsVol.44,No.3March 2010第44卷第3期2010年3月基金項目:國家科技支撐計劃資助(2007BAA12B03定稿日期:2009-07-31作者簡介:張樹全(1983-,男,山東東營人,博士研究生,研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應用等。1引言電力電子裝置和非線性負載的廣泛應用,使得大量的無功電流和諧波電流注入電網,嚴重影響了電網和電氣裝置的安全運行和可靠使用1。有源電力濾波器(APF 與無源濾波器相比,可以動態(tài)的抑制諧波和無功電流,不易與系統(tǒng)發(fā)生諧振。隨著電氣化鐵路中整流電力機車,越來越多的開關電源,各種家用電氣等單相電力電子設備

2、的大量應用,單相APF 逐漸成為了研究熱點2。文獻3針對工頻整流器式電力機車,通過耦合變壓器,把APF 串入無源濾波器中,提出了一種混合型單相APF 。文獻4通過對三相空間矢量的分析,提出了一種適合單相全橋型逆變器的空間矢量方法。對于APF 的電流環(huán)而言,輸入指令主要為快速變化的諧波信號,PI 控制器的帶寬有限,無法做到對這種多個頻率正弦信號疊加的諧波電流的精確跟蹤?；趦饶Ｔ淼闹貜涂刂萍夹g理論,以實現對正弦指令信號的無靜差跟蹤5,但基于工頻周期的調節(jié)的重復控制的缺點是動態(tài)響應慢。因此對單相APF ,提出了一種靜止坐標系下的采用PI 控制和重復控制并聯(lián)的電流復合控制策略,利用PI 控制的快速

3、響應特性保證系統(tǒng)的動態(tài)性能,利用重復控制來提高穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)的補償精度。實驗結果表明基于PI 和重復控制并聯(lián)運行的控制策略穩(wěn)態(tài)精度高,動態(tài)響應快,補償性能良好。2單相APF 數學模型單相并聯(lián)型APF 的電路模型如圖1所示。由圖1可建立靜止坐標系下單相APF 的模型:L d i f d t +Ri f =u s -(S a +S b U dc ,C dc d U dc d t=(S a +S b i f (1式中:S a ,S b 為開關函數,S a ,S b 為1表示上管導通下管關斷,為0表示下管導通上管關斷。由此可得單相APF 在靜止坐標系下的數學模型,如圖2虛線框內所示,圖2中電網電壓為一擾動

4、量,考慮電網電壓可能存在畸變以及給控制器提供一個穩(wěn)態(tài)運行的工作點,加入電網電壓前饋。引入一個新的控制變量u r =u s -(S a +S b U dc ,代入式(1可得:單相并聯(lián)型有源電力濾波器電流復合控制張樹全,戴珂,李直(華中科技大學,湖北武漢430074摘要:為提高單相并聯(lián)型有源電力濾波器(Active Power Filters ,簡稱APF 的補償精度,提出了一種靜止坐標系下PI 和重復并聯(lián)運行的電流復合控制策略,其中PI 控制主要保證系統(tǒng)的動態(tài)性能,基于內模原理的重復控制可以顯著提高APF 輸出電流對負載諧波電流的跟蹤精度。對單相APF 中的復合控制策略參數進行了設計,理論研究和

5、實驗結果表明復合控制策略可以有效提高單相APF 的濾波性能,總諧波畸變率降低到3.8%,達到諧波補償的國家標準。關鍵詞:有源電力濾波器;單相;比例積分控制;重復控制;補償性能中圖分類號:TN713文獻標識碼:A文章編號:1000-100X (201003-0022-03Current Compound Control Strategy for Sing -phase Shunt Active Power FilterZHANG Shu -quan ,DAI Ke ,LI Zhi(Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 43007

6、4,China Abstract :In order to improve the accuracy of the harmonic compensation for the single -phase shunt active power filter (APF ,based on the stational frame ,a compound control strategy which conclude the PI control and repetitive parallel is pro -posed.PI control is used to guarantee the syst

7、em dynamic performance ,the repetitive control is to improve the output cur -rent tracking accuracy for the load harmonic current.The theoretical analysis and experimental results verify that the wave -form quality is effectively improved by the strategy proposed.Total harmonic distortion (THD is re

8、duced to 3.8%,which is achieve the national stan -dards of harmonic compensation.Keywords :active power filter ;single -phase ;proportion integral control ;repetitive control ;compensation performance Foundation Project :Supported by National Key Technology R&D Program (No.2007BAA12B03VS a1,VS a

9、2,VS b1,VS b2為兩個橋臂的開關管L 為APF 的輸出電感;C dc 為直流母線上的濾波電容R 為輸出電感內阻和每個橋臂的上下管互鎖死區(qū)壓降等效阻抗之和圖1單相APF 電路模型22L d i fd t+Ri f=u r(2此時控制對象實際簡化成一個一階慣性環(huán)節(jié),u r 實際相當于APF橋臂中點的輸出電壓。3單相APF控制系統(tǒng)單相APF的控制系統(tǒng)如圖2所示,由電壓外環(huán)和電流內環(huán)組成,電流內環(huán)有兩個作用,一個是通過對電壓外環(huán)產生的電流指令信號進行調節(jié),與電壓外環(huán)PI控制器一起維持直流側電壓穩(wěn)定在一個合適值;另外可對檢測到的負載諧波電流指令進行調節(jié),使APF輸出與負載諧波幅值相等,方向相反

10、的諧波電流信號,從而起到諧波補償的目的。因此APF 性能很大程度上取決于電流環(huán)控制器的性能。3.1PI控制器的分析和設計由上述分析可知,控制對象可簡化成一個一階慣性環(huán)節(jié),因此基于PI控制的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)為一個典型的二階系統(tǒng),可以采用零極點對消的方式將此時的閉環(huán)傳函簡化成一階模型,該方法的核心思想是使控制器的零點偏移到該系統(tǒng)在S平面的極點。取比例常數和積分常數K i/K p=R/L,此時基于PI 控制的電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數為:I f(s I r*(s=K pK p+Ls=11+T f s(3式中:T f為系統(tǒng)響應的延遲時間。由式(3可知,T f與K p成反比,與L成正比,因此減小L和增大K p有

11、助于提高系統(tǒng)補償精度,但控制對象一階慣性特性決定了PI控制無法消除延遲,系統(tǒng)采樣、指令計算和數字控制一拍滯后的特性使得電流響應時間延遲變嚴重,因此對輸出電流的跟蹤精度改進有限,且可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。3.2重復控制器的分析和設計嵌入式重復控制器結構如圖3所示。低通濾波器Q(z簡單的取為一個小于1的常數,與周期延遲環(huán)節(jié)z-N串聯(lián)構成重復控制器的內模部分。S(z是針對控制對象P(z而設置的補償器。以工頻周期正弦信號作為重復控制的內模進行設計,因此根據內模原理,只要以基波周期重復出現的信號,重復控制器理論上均可以做到對此穩(wěn)態(tài)無靜差的跟蹤。Q(z不僅與控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有關,而且與補償精度有關,Q(z的取

12、值以犧牲穩(wěn)態(tài)精度來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,取Q(z=0.95。上面提到的控制對象一階慣性環(huán)節(jié)特性、系統(tǒng)采樣、指令計算和滯后一拍的控制均會增大T f,故用超前拍數環(huán)節(jié)來補償數字控制的一拍延遲以及控制對象的相位滯后。通過估算和實驗驗證選取超前拍數為2,即超前環(huán)節(jié)為z2,選取合適的重復控制增益K r來調節(jié)重復控制器的收斂速度,它不能取的太大,否則容易導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定,這里取K r=0.5。此時S(z設計為K r S(z。3.3復合控制策略分析重復控制理論上雖可以做到對指令信號無靜差跟蹤,但是有一個缺點,即其動態(tài)響應滯后一個工頻周期。因此,為同時兼顧系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能,在單相APF控制系統(tǒng)中,將重復控

13、制器與PI調節(jié)器并聯(lián)運行組成電流復合控制策略。當系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時,其跟蹤誤差小,重復控制占據主導作用,PI控制器的作用很小;當系統(tǒng)出現大擾動時,由于重復控制器存在一個工頻周期的延時,在擾動瞬間的一個工頻周期內無法產生調節(jié)作用,而PI控制可以迅速調節(jié),一個基波后重復控制器的調節(jié)作用使跟蹤誤差減小,直至系統(tǒng)達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。4實驗結果為證明分析的正確性,研制了一臺22kVA單相并聯(lián)APF實驗系統(tǒng),電路結構參數為:交流電源有效值U s=220V;電網頻率f s=50Hz;L=0.9mH;C dc=40mF;直流側電壓U dc=450V;APF容量S C=22kVA;開關元件額定電流I cmax=3

14、00A;開關頻率f c=9.6kHz。搭建了單相不控整流橋帶RL型負載作為諧波源,L和R分別為8mH和5.5。圖4示出投入非線性負載后系統(tǒng)的電流波形?？梢?奇數次諧波畸變嚴重,其中3次諧波畸變率為14.8%,總的諧波電流畸變率為20.4%。電流內環(huán)單獨采用PI控制時補償效果如圖5所示,其中i f為APF輸出電流,i s為補償后系統(tǒng)側電圖3嵌入式重復控制器圖2單相APF控制框圖圖4補償前系統(tǒng)電流波形和頻譜分析單相并聯(lián)型有源電力濾波器電流復合控制23電力電子技術Power ElectronicsVol.44,No.3March 2010第44卷第3期2010年3月由圖5a 可見,VD 5,VD 6

15、的電壓尖峰較小,表明該CDD 緩沖電路對續(xù)流二極管的電壓尖峰有良好的抑制作用。由圖5b 可見,在開關管關斷后進入續(xù)流前,對應的次級續(xù)流二極管要換流關斷,緩沖電路開始起作用,抑制續(xù)流管的電壓尖峰,當續(xù)流管反向恢復結束后,承受電壓回到正常值。在開關管關斷時C s1的能量釋放到負載。可見,u C s1,u VDs2,u VDs1波形與前面的分析一致。對比圖5c 與圖5b 可見,緩沖電容充放電的時間較長。6結論針對大功率雙管正激變換器次級整流二極管會產生電壓尖峰的缺點,介紹了幾種解決方案,詳細分析了加CDD 緩沖電路的組合雙管正激變換器工作原理,并對緩沖電容的選取作了一些說明。實驗證明,該CDD 緩沖

16、電路能很好地抑制次級整流管和續(xù)流管反向恢復時的尖峰,并克服RC 和RCD 緩沖電路損耗較大的缺點。參考文獻1石健將.雙管正激變換器組合研究D.南京:南京航空航天大學,2003.2徐曉彬.大功率全橋變流器次級整流吸收電路研究J.電力電子技術,2009,43(1:41-43.3Huang C K ,Nien H H ,Changchien S K ,et al.An Optimal Designed RCD Snubber for DC/DC ConvertersA.Control ,Automation ,Robotics and Vision ,10th International Con -

17、ference on ICARCV 2008C.2008:2202-2207.4步宏飛,肖嵐.一種加雙CDD 無源無損緩沖電路的推挽正激變換器J.電力電子技術,2006,40(3:50-52.5Canales F ,Barbosa P ,Lee F C.A Zero -Voltage and Zerocur -rent Switching Three -Level DC/DC ConverterJ.IEEE Trans.on Power Electronics ,2002,17(6:898-904.圖5實驗結果流,在固定點處的電流階躍依舊很明顯,3次諧波畸變率從補償前的14.8%降低到8.9%

18、,THD 由補償前的20.4%降低到13.8%,可見PI 的補償效果有限,尚未達到諧波抑制的國家標準。同樣負載條件,采用PI 控制和重復控制并聯(lián)運行的電流復合控制策略下,補償效果如圖6所示。在固定點處的電流階躍得到明顯抑制,3次諧波畸變率從14.8%降低到1.75%,THD 下降至3.8%,補償精度得到顯著提高,波形質量得到明顯改善,達到了諧波抑制的國家標準。5結論從理論上分析了PI 控制器在單相APF 中應用的局限性,為改善單相APF 穩(wěn)態(tài)時補償精度,同時兼顧其動態(tài)響應特性,提出了PI 控制器和重復控制器并聯(lián)運行的電流復合控制策略。實驗結果表明提出的復合控制策略可以明顯提高單相APF 的補償性能,達到了諧波抑制的國家標準。參考文獻1王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償M.北京:機械工業(yè)出版社,1998.2T Tanaka ,E Hiraki ,K Ueda ,et al.A Novel Detection Method of Active and Reactive Currents in Single Phase Circuits Using the Correlatio