LCL型有源电力滤波器并网电流控制研究

2013年第2期工业仪表与自动化装置1O9LCL型有源电力滤波器并网电流控制研究魏学良，宫瑞冰，王举1中国石油大学北京地球物理与信息工程学院，北京102249；2中原油田分公司天然气处理厂，河南濮阳457162摘要APF的控制关键就是对输出电流及直流侧电压进行控制，L，LC型并网的并网电流由于开关频率受限，并网电流含有较大的开关频率附近的谐波电流，同时滤波电感过大导致设备体积大，成本高，并影响并网控制的动态性能。LCL型滤波器有着更好的效果，该文就LCL型滤波器PI控制的稳定性，内电感电流跟踪特性，并网电流跟踪特性和电网电压抑制特性进行了深入研究，得出了并网指标对闭环根频率的技术要求。关键词有源电力滤波器；电感电流；并网电流；闭环根频率中图分类号TM76文献标志码A文章编号10000682201302010904RESEARCHONGRIDCONNECTEDCURRENTWITHLCLFILTERSWEIXUELIANG，GONGRUIBING，WANGJU1COLLEGEOFGEOPHYSICSANDINFORMATIONENGINEERING，CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM，BEIJING102249，CHINA；2NATURALGASPROCESSINGPLANTOFZHONGYUANOIMELD，HENANPUYANG457162，CHINAABSTRACTOUTPUTCURRENTANDDCVOLTAGEARETHEKEYFACTORSOFAPFCONTRO1LANDLCTYPEGRIDCONNECTEDCURRENTCONTAINMOREHARMONICCURRENTAROUNDSWITCHINGFREQUENCY，OWINGTOTHESWITCHINGFREQUENCYLIMITATION，BESIDES，LARGERFILTERINGINDUCTANCEWILLMAKETHEEQUIPMENTBIGGER，COSTHIGHER，ANDINFLUENCETHEGRIDCONTROLDYNAMICPERFORMANCEHOWEVER，THELCLFILTERSCANACHIEVEBETTERPERFORMANCESOTHEANALYSISOFPICONTROLLERSTABILITY，THEINNERINDUCTANCECURRENTTRACKINGCHARACTERISTICS，GRIDCONNECTEDCURRENTTRACKINGCHARACTERISTICSANDGRIDVOLTAGESUPPRESSIONCHARACTERISTICSINDEADZONEFORLCLTYPEFILTERSARERESEARCHEDINTHISPAPER，THENCONCLUDESTHEREQUIREMENTSOFGRIDINDEXONTHECLOSEDLOOPROOTFREQUENCYKEYWORDSACTIVEPOWERFILTER；INDUCTANCECURRENT；GRIDCONNECTEDCURRENT；CLOSEDLOOPROOTFREQUENCY0引言随着大量非线性负载装置在电网中的广泛使用，电网中ET益严重的谐波污染受到人们越来越多的关注。有源电力滤波器ACTIVEPOWERFILTER，APF是一种谐波和无功动态补偿的新型电力电子装置，是一种理想的谐波补偿装置。APF的控制关键就是对输出电流及直流侧电压进行控制，为了抑制APF开关频率电流谐波，需要收稿日期20121025基金项目中国石油大学北京基金资助KYJJ20120534作者简介魏学良1972，主要研究方向为电力电子在电力系统中的应用，有源电力滤波器装置以及相应的PWM技术，全数字控制技术等。使用输出滤波器，目前应用较多的L、LC型滤波器的并网电流含有较大的开关频率附近的谐波电流。但是并网逆变器的滤波电感不能对PWM开关频率谐波电压进行有效抑制。LCL型滤波器可以对开关频率附近谐波电压进行抑制，在带来该优点的同时，LCL型并网也带来了新的问题，该文对单相连续域LCL滤波器的适用范围将进行深入研究。1LCL型并网逆变器数学模型单相LCL型全桥式PWM逆变器如图1所示，图中T、T、T、T分别为功率开关管，、月为滤波器的内电感和寄生电阻，C为滤波器的电容，、为外电感和寄生电阻。为直流母线电压，TT为逆变110工业仪表与自动化装置2013年第2期桥输出电压，U为电网电压，为电容电压，为内电感电流，IG为并网电流。当开关频率较高时，忽略开关频率附近及以上的谐波，图1中逆变桥可等效为比例放大环节通常K归一化为1，则桥臂电压U可用PWM的参考波电压“代替。若考虑死区效应的影响，把死区效应等效为死区等效电压源如，则传递函数框图如图2所示。图1LCL型并网逆变器主电路图图2考虑死区效应的LCL滤波器传递函数框图2连续域LCL型并网电流PI控制研究根据图2所示连续域框图，LCL型并网内电感电流PI控制框图如图3所示。图3LCL型并网内电感电流PI控制的整体控制框图由控制框图可得PI反馈闭环的内电感电流及并网电流的连续域传递函数分别如式1所示式中D，SLLGCSR4RRFLLGCS4GTAC4,RR2FLLGCGSG4“RRFLKIRGCS42LAIS4,RRFLRS4,RRZFNLB，SLCS4RFLCS4,RRZF,LC1SCIS4,RRFFLRLGCS4,RR2FLLG4RRGFLRRGCS4“RRFLR4耵2LRGCS4,NZFNLE，SLGCSRGCSS由劳思一赫尔维茨稳定判据可知PI闭环控制系统是稳定的。因而，利用单电感型并网控制器的设计方法设计LCL型内电感电流反馈控制的PI控制参数，只要保证闭环根频率0、闭环阻尼比系数0，LCL型并网内电流反馈控制就是稳定的，并不受LCL滤波器谐振的影响。IISIRES3频域特性分析31PI控制内电感电流跟踪特性分析忽略电感寄生电阻的影响，由式1获得内电感电流跟踪误差的传递函数，如式2所示。SS2“RRFRE一S4RRCNS22NFRES42S2蹭设LCL滤波器参数为L12MH、L05MH、C8、R12MLL、R5MFL，此时谐振频率2为IRE3KHZ，外电感与电容的谐振频率25KHZ。选取闭环根频率IN1KHZ,IN2KHZ，蛰一、，一、，一SSS一一，一，DBD，一，一、SSS一S一，一，一，EDD，一一一，一一，一，一，一一2013年第2期工业仪表与自动化装置5KHZ10KHZ，闭环控制阻尼比系数为0707，由式2画出闭环控制对内电感电流的跟踪误差特性BODE图，如图4所示。由图4可知，闭环系统实际闭环带宽比闭环根频率小，当闭环根频率大于时，内电感跟踪在谐振频率附近跟踪误差超过0DB。号暑50若茎_100一L5OL8O90量0一9OBODEDIAAM，一一一蹩_乒L5】|HZ。J一K牲L1赆一FL畸一RL1LLLML千L斗10L0FREQUENCW，HZ1O0UHZ图4PI控制内电感电流的跟踪误差特性BODE图32PI控制并网电流跟踪特性分析忽略电感寄生电阻的影响，由式1获得并网电流跟踪误差的传递函数，如式3所示。FPRR5SS24WFS2SS一DS3DSS441T留52ARF2TS42WF,S2WF2LCL滤波器内电感电流及并网电流的跟踪误差特性曲线如图5所示。图5中，曲线1、2、3分别为闭环根频率1KHZ2KHZ。6KHZ的并网电流对参考电流的跟踪误差频谱曲线，曲线4、5、6分别为闭环根频率。1KHZ2KHZ。6KHZ的内电感电流对参考电流的跟踪误差频谱曲线。由图可知在低频段参考电流所在频段，当闭环根频率为1KHZ时，并网电流的跟踪误差频谱特性曲线与内电感电流的跟踪频谱特性曲线在频率小于1KHZ的频段基本重合，随着闭环根频率的增大，并网电流跟踪误差的下降速率减缓，内电感电流跟踪误差则保持相同的速率下降。图5PI控制电网电流及内电感电流的跟踪误差特性BODE图33PI控制对死区及电网电压抑制特性分析忽略电感寄生电阻的影响，由式1获得电网电压产生并网电流的传递函数，如式4所示。S54，丌2,RRF2RRFIS一。DSS44,RRFS22S24RRF2WFR,GS22FRESG1瓦甲2LC。选取闭环根频率分别为1KHZ，2KHZ，4KHZ时，由式1画出闭环控制对电网电压的抑制特性和死区等效电压的抑制特性。图6为电网电压抑制特性，当闭环根频率增大时，电网电压产生的并网电流也随之减小，但减小速率变缓；图7为死区等效电压抑制特性，当闭环根频率增大时，电网电压产生的并网电流随之减小且速率不变。图6电网电压的抑制特性舳0112工业仪表与自动化装置2013年第2期020鼍4O60BODEDIAGRAM；1KHZ三I，。TT；2KHZ，一；T奠。一一量一一。一一一二二二图7死区等效电压的抑制特性4总结从电网电流跟踪特性的角度考虑，谐振频率应大于所需跟踪电流频率的63倍，且闭环根频率应大于320HZ。从电网电压抑制特性的角度考虑，谐振频率厶应大于800HZ，纯PI控制的闭环根频率应大于800HZ，在有电网电压前馈且考虑前馈系数存在5的偏差时，闭环根频率应大于200HZ。从死区等效电压抑制特性的角度考虑，当开关频率为10KHZ时，要求闭环根频率厂N大于250HZ，闭环根频率随着开关频率的增加而随之增加。综上所述，由于谐振频率小于谐振频率厶，并网标准指标要求LCL滤波器在设计参数时应保证谐振频率大于800HZ且内电感应大于外电感值，在此前提下，无电网电压前馈PI控制中并网标准指标允许的最小闭环根频率为800HZ，在有电网电压前馈的PI控制中并网标准指标允许的最小闭环根频率为320HZ。在闭环根频率相同的条件下，离散化及控制滞后一拍的情况下虽然会导致闭环控制特性略微降低，但对闭环控制系统特性起决定性影响的还是闭环根频率的稳定区域。参考文献1陈坚电力电子学一电力电子变换和控制技术M北京高等教育出版社，2002AKAGIH，KANAZAWAY，NABAEAGENERALIZEDTHEORYOFTHEINSTANTANEOUSREACTIVEPOWERINTHREEPHASECIRCUITSCTOKYOIEEEJIEE。PROCEEDINGSIPEC1983张凯基于重复控制原理的CVCFPWM逆变器波形控制技术研究DWUHANHUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY，2000李红雨独立小电网用有源电力滤波器的研究D西安西安交通大学，2005黄宇淇，孙卓，姜新建，等FBD法及复合控制在有源滤波器中的应用J电力系统自动化，2006，3076568钱挺，吕征宇新型有源滤波器的双向互补控制方案J中国电机工程学报，2003，2394447上接第86页个RIP分组中最多可含有25个地址项，因而RIP报文的最大长度是42025504字节。如超过，必须再用一个RIP报文来传送。命令字段为1就是请求，2是回答。版本字段一般为1，新的版本是2。地址类别字段为2，表示采用IP地址。在RIP请求报文中，地址类别置为0，距离置为16。RIP协议存在“好消息传播得快，而坏消息传播得慢”的问题。为了保证路由的及时有效性，使坏消息传播得更快些，RIP采用触发刷新技术和水平分割法。当本地路由表发生修改时，触发广播路由刷新报文，以迅速达到最新路由的广播和全局路由的有效。水平分割法是指当路由器从某个网络接口发送RIP路由刷新报文时，不让同一路由信息再通过此接口向反方向传送。这样可以让坏消息传得更快，同时也解决了两路由器间的慢收敛问题。此外，RIP的跳数限制也防止了无限增长而产生路由环。4结束语RIP是一种相对简单的动态路由协议，在实际使用中有着广泛的应用，适应小型网络。RIP目前已被大多数路由器厂商所广泛使用，但它还是有较大的局限性，有待进一步改进。参考文献1ANDREWSTANENBAUM，VRIJEUNIVERSITEIT，AMSTERDAM计算机网络M北京清华