三相 电压型 PWM 整流器 电力滤波器

1、第25卷第1期文章编号:1000 7709(2007)01 0056 04水 电 能 源 科 学Vol.25No.1三相四线制并联有源电力滤波器的研究与设计郑 旭 蔡 旭(上海交通大学电气工程系,上海200030)摘要:通过对三相四线制有源电力滤波器(APF)控制原理的研究,阐明了基于正弦滞环控制原理的APF各部分的数字化实现方法。在此基础上以DSP和CPLD为控制核心,完成了整套有源电力滤波装置的开发。试验结果证明了控制原理的有效性和可靠性。关键词:并联有源滤波器;正弦滞环控制;数字滤波器;递推比例积分中图分类号:TN713+.8文献标志码:A有源电力滤波器APF能够补偿电网中各次谐波和无功

2、功率,响应速度快,可抑制闪变,且滤波特性不受系统阻抗影响,能消除与系统阻抗发生谐振的危险,并可自动跟踪补偿变化着的谐波。并联APF是目前应用最广、研究最多的一种形式。并联APF相当于受控电流源,用于补偿负荷的无功功率,基本结构如图1所示。工作原理:检测补偿对象的电压和电流,由运算电路计算出指令信号,再经补偿电流发生电路放大和跟踪,得出补偿电流并注入电网,抵消负载电流中的谐波及无功成分。图1 APF检测负载电流工作原理图Fig.1 Schematicofloadcurrentdetection1 有源电力滤波器APF设计1.1 指令电流运算目前APF指令电流运算方法主要采用基于瞬时无功功率理论的

3、ip-iq法1。该方法简单,实时性高,在工业中应用广泛,但要求被检测量三收稿日期:2005 12 23,修回日期:2006 07 10相对称,否则检测的结果误差较大。由于本设计应用于三相四线制系统,当中线有零序电流通过时三相电流不再对称,因此必须采用改进的ip-2iq法,即在检测到的各相电流中去除零序分量,然后再使用ip-iq法。在此认为各相电流中零序分量相当,即I0 (Ia+Ib+Ic)/3,指令电流运算原理如图2所示。由于电网频率变化范围小,可事先按工频计算出一个周期各采样点所需的正、余弦值,并绘成表格存于DSP的ROM中。若电网频率发生抖动需要进行一定的补偿,则将A相电压过零点作为正、余

4、弦表的复位信号。此外,用电容电压和参考电压进行PI调节后的直流量,在输出电流中注入有功分量,使逆变器直流侧和电网进行有功功率的交换,从而达到稳定直流侧电压的目的。图2中,C 为三相静止坐标系到两相静止直角坐标系的变换矩阵;C为两相静止直角坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵;CT 为C 逆矩阵;ia、ib、ic为三相电流;i 、i 为两相静止直角坐标系中的轴向分量;ip、iq为两相旋转直角坐标系中的有功和无功分量;Udc为直流侧电容端电压;Udcref为直流测电容参考端电压。C 、C分别为:1-22C =3-022作者简介:郑旭(1980 ),男,硕士研究生,研究方向为电力电子与自动控制,E ma

5、il:gavin_zheng通讯作者:蔡旭(1964 ),男,教授、博导,研究方向为供电安全、微机保护、电能质量控制等,E mail:xu cai2002第25卷第1期郑 旭等:三相四线制并联有源电力滤波器的研究与设计57图2 指令电流运算原理图Fig.2 Schematicofreferencecurrentcomputationsin t-cos t-cos t-sin t1.2 数字低通滤波器设计由于BUTTERWORTH型IIR滤波器具有C=良好的低通滤波特性,快速性、通带通过及阻带阻断能力强,所以本设计选用二阶BUTTER WORTH滤波器,其传递函数(sos形式)如下:H(z)=G

6、-1-21+a1z+a2z1-1-2的限制作用使输出信号ic的斜率变化范围是:c2 H/T,比传统的HysteresisControl5、dtDeltaControl的斜率变化范围大,因此开关的频率范围将有效减小,保证了逆变器的可靠工作。但是,此算法是以在一个载波周期内ic与ic差值的平均值不为零为代价,这意味着在载波周期内补偿电流ic总是偏向指令电流i*c的某一边,因此相当于牺牲了跟踪的实时性和精度来换取开关频率变化范围的减小。1.4 电流的递推PI控制在指令电流信号和输出电流信号的差值输入滞环之前,加入PI进行调节,以维持电流控制的稳定性。本设计根据指令电流是周期量这个特点,采用递推PI算

7、法6,即对电流周期中每个采样点在K、K-N、K-2N K-CN时刻的电流值都分别进行积分(N为每个周期的采样数,K代表采样时刻),原理示意见图4,这样相当于每个采样周期中都有N个PI调节器在并行运行)。*式中,G为传递函数增益;b0、b1、b2、a1、a2均为sos传递函数的系数。给定参数为:采样率6.4kHz,截至频率5Hz,通过matlab中的数字滤波器设计工具3可得:G=6 10,b0=1.000000b1=2.000000,b2=1.000000a1=-1.993058,a2=0.9930821.3 正弦滞环控制由于滞环控制具有反应速度快、控制精度高、容易实现和不需了解负载性质等优点,

8、得到了广泛应用。但是传统的滞环控制存在频率调制,使开关频率变化范围大,容易对开关造成损坏,因此必须抑制或消除开关频率波动。本设计电流控制策略采用正弦滞环控制4,如图3所示。-6图4 递推PI控制原理示意图Fig.4 SchematicofrecursivePIcontrol递推PI公式如下:图3 正弦滞环控制原理图Fig.3 Schematicofsinusoidalhysteresiscontrolu(k)=u(k-N)+Kpe(k)-Kpe(k-N)+KIe(k)式中,e(k)为k时刻电压或电流误差量;u(k)为k时刻PI输出的控制量;Kp、KI分别为比例、积分系数。,在指令电流i*c上叠

9、加正弦信号 ic=Hsin(2 t/T)后作为载波信号,并以逆变器实际输出和载波信号的交点作为逆变器开关的开通和关断58水 电 能 源 科 学 2007年有采样点进行积分的缺点,大大减轻了DSP的运算负担,从而使APF检测的实时性得到改善;在此基础上,ic同i的偏离将得到有效控制,装置的准确性和稳定性也会得到一定程度的提高。*c3 现场试验电源A相电压Ea=2202sin(100 t),负载为三相整流桥带阻感支路R=35 ,L=5mH,整流桥前设置防冲击电感Lp=1mH,PWM逆变器输出电感L0=2mH,直流侧电容C=4000 F,电容两端电压UDC=950V。图7、图8为补偿前后电网A相电源

10、侧电压和电流波形。2 系统硬件设计采用DSP和CPLD作为控制核心,对输出电流、负载电流、直流侧电压共8个信号进行同时采样,采用两片MAX125采样芯片,每片MAX125内含4路同步采样通道,且可以采样双极性信号,每通道转换时间3 s。为使APF能补偿19次以下谐波,采样率设置为6.4kHz。主电路开关采用IGBT,耐压1200V,耐流100A,上下桥臂集成封装,开关频率可达15kHz。驱动电路采用高速EXB841驱动器,能驱动高达300A、1200V的IGBT,适用于40kHz以下的开关操作。由于EXB841需要独立的20V供电电源,且为保证一定的驱动能力,每个EXB841驱动电源由独立的6

11、WDC DC电源分别经LM317线性调压为20V获得。CPLD除产生各外围芯片的选通信号外,还将驱动电路中产生的过流、过热、过压等保护信号引入,并实时以外部中断的形式反馈给DSP,一旦系统出现故障,DSP立即封锁输出的PWM脉冲,关断逆变器。系统结构见图5,系统主程序框图见图6。图7 补偿前电网A相电源侧电压、电流波形Fig.7 VoltageandcurrentwaveformsofAphasebeforecompensation图8 补偿后电网A相电源侧、电压电流波形Fig.8 VoltageandcurrentwaveformsofAphaseaftercompensation图5 AP

12、F系统硬件构成Fig.5 HardwarestructureofAPFsystem通过试验可以发现,APF能够有效地补偿负载电流中的谐波成分,并使电网侧电流接近正弦曲线。载波频率为6kHz时,PWM的频率波动范围为5.16.5kHz。但由于对零序分量的近似处理使补偿后的电流波形仍然存在很小的畸变,特别在负载不对称情况下这种近似所带来的误差将加大。4 结语三相四线制并联有源电力滤波器可以补偿和抑制整流器带阻感负载时对电网的谐波污染,并图6 系统主程序框图Fig.6 SoftwarestructureofAPFsystem在一定程度上降低了主电路的开关频率。本文验第25卷第1期文章编号:1000

13、7709(2007)01 0059 03水 电 能 源 科 学Vol.25No.1中小型水电站按水头发电控制算法及其实现王云杰 廖常初 陈晓东 彭国秀(重庆大学电气工程学院,重庆400030)摘要:结合中小型水电厂的技术条件,按水头发电的实际要求,提出一种新的适用于中小型水电站的按水头发电控制算法。介绍了该算法的实现方法,通过在MATLAB的Simulink中建立仿真模型,验证了该算法的可行性。该算法具有简洁、清晰、应用门槛低等特点。关键词:水电站;按水头发电;控制算法;自动发电控制;无人值班中图分类号:TM612文献标志码:B水电站 无人值班 (少人值守)是电力工业发展的必然要求和水电站自动

14、化水平提高的重要标志。大型水电站大多已基本实现 无人值班 (少人值守),而中小型水电站如何根据水电站现有的条件和状况,以尽量少的投入满足 无人值班 (少人值守)的基本要求,是摆在我们面前的重要课题。收稿日期:2006 03 15,修回日期:2006 06 19水电站按水位自动运行,既不需水电站值班人员,也不需上级调度值班人员直接干预。这也是实现 无人值班 (少人值守)的一种方式,但至今尚无实用性强的算法。本文提出中小型水电站按水头发电控制的算法具有思路清晰、简单、应用门槛低等特点,可供同行参考。作者简介:王云杰(1981 ),男,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动,E mail:wang

15、yunjie00通讯作者:廖常初(1981 ),男,教授,研究方向为电力系统测控与网络通信技术,E mail:liaosun参考文献:1 AkagiH,KanazawaY,NabaeA.GeneralizedTheoryoftheInstantaneousReactivePowerinThree phaseCircuitC.Tokyo,Japan:ProcJIEEIPEC,1983.1375 13862 周林,秦梅,易强.三相四线制并联有源电力滤波器J.重庆大学学报,2000,23(6):95 993 韩利竹,王华.MATLAB电子仿真与应用M.北京:国防工业出版社,2001.4 张代润,刘红

16、萍.单相有源电力滤波器的滞环控制策略分析J.电机与控制学报,1998,2(3):153 1575 Tao,Kokotovic.AdaptiveControlofPlantswithUnknownHysteresesAutomaticControlJ.IEEETransactions.1995,40(2):200 2126 唐欣,罗安,涂春鸣.基于递推积分PI的混合型有源电力滤波器电流控制J.中国电机工程学报,2003,23(10):38 41StudyandDesignofShuntActivePowerFilterUsedinThree phaseFour wiredSystemZHENGXu CAIXu(InstituteofElectricalEng.,ShanghaiJiaotongUniv.,Shanghai200030,China)Abstract:Throughtheresearchonthecontrolstrategyofactivepowerfilter(APF)usedinthree phasefour wiredsystem,thispaperexplainsthedigitalrealizationofeverypartoftheAPFwhichisbasedonthesinusoidal