并联型电能质量控制器电流控制误差的研究

1、并联型电能质量控制器电流控制误差的研究赵国鹏，刘进军，王兆安（西安交通大学，陕西 西安 710049）摘要：直接电流控制在应用于并联型电能质量控制器的控制时包含两个控制环，分别是电流控制环和电压控制环。在实际应用的并联有源电力滤波器和静止无功发生器中，电流环的跟踪有一个非常大的误差，指令电流可能是输出电流的几倍，但是补偿效果却可以接受。针对这个比较奇特的现象，本文做了详细分析，最终得出了电流环跟踪误差的原因。本文还得出了影响跟踪误差的变量，最后给出了误差的影响以指导实际应用。仿真和实验结果证明了本文的分析结果。关键词：静止无功发生器；并联有源电力滤波器；直接电流控制；电流跟踪误差1 引言并联型

2、电能质量控制器在近几年得到了广泛的应用 1。例如并联型有源电力滤波器（Parallel Active power Filters, 简称PAPF）和静止无功发生器（Static Var Generator, 简称SVG）。在并联型电能质量控制器中有一个并网的电压型变流器。直接电流控制和间接电流控制是电流控制常用的两种方法，电流控制在实际应用中应用也非常广泛1。直接电流控制一般包括两个控制环：一个是电流环，另一个是电压环1。在每个控制环中都有一个PI（比例积分）控制器。在SVG和PAPF系统中，电流环的跟踪误差是指令电流和实际输出电流之间的误差，通常PI参数越大，跟踪误差越小。但是，在很多控制系

3、统中，由于系统稳定性的要求和工程实现的要求电流环的PI参数值不能调节到近似无穷大。本文应用一个具有有源滤波功能的SVG来补偿电源中的由负载引起的无功和谐波电流，补偿效果好，输出的是负载的无功和谐波电流，但是电流环中存在一个很大的跟踪误差。本文详细分析了这个现象。在图1中，指令电流峰值约为60A，输出电流峰值约为20A，输出电流和指令电流之间有约40A的误差，是一个很大的跟踪误差，但是在图2中，输出电流峰值约为20A，无功和谐波指令电流峰值约为20A，误差很小。图3和图4给出了补偿前后电源电压和电源电流的关系。补偿后电源电流近似为正弦，无功和谐波的含量很小。这个很大的跟踪误差在PAPF和SVG中

4、普遍存在。 图1 输出电流和 图2 输出电流和 图3 补偿前电源电压 图4 补偿后电源电压 指令电流 无功谐波指令电流 和负载电流 和电源电流在传统的直接电流控制方法中通常的控制目标是输出电流等于指令电流，但是实验现象是输出电流峰值与指令电流峰值相差40A，且指令电流峰值近似为输出电流峰值的3倍，以上现象与控制目标不符。为什么有如此大的跟踪误差却有好的补偿效果？此跟踪误差是否是电流环中的比例控制误差？本文在电流环系统框图和传递函数的基础上，分析了跟踪误差产生的原因，得出了影响跟踪误差的变量和跟踪误差对系统补偿特性的影响，同时分析了在很大的跟踪误差情况下补偿效果好的原因。仿真和实验结果证明了本文

5、分析的正确性。2 系统结构有源滤波型SVG的系统结构图如图5所示。图6为单相等效电路，图7为控制框图。指令电流检测应用的是瞬时无功功率理论，系统应用双极性三角波比较直接电流控制方法1。 图5 系统结构框图 图6 单相等效电路 图7 指令电流检测框图 图8 双极性三角波比较直接电流控制框图3 电流环跟踪误差分析直接电流控制系统结构框图如图9所示，单位反馈框图如图10所示。主电路的损耗等效为R上的损耗，损耗大小由R大小决定2。 图9 电流环控制框图 图10 单位反馈电流环控制框图为谐波和无功的指令电流，为补偿变流器损耗的电流，指令电流为。 是PI参数值，由于积分参数值较小，所以积分参数值忽略不计。

6、是AD转换比例系数，是跟踪误差。PWM环节可等效为一个比例环节和一个延时环节，是PWM延时时间3。为比例系数， ,为三角波峰值。系统是两输入一输出系统，所以分别讨论每个输入对输出的影响。3.1指令电流对跟踪误差的影响设电源电压为0，输出电流为。输出电流与输入指令之间的闭环传递函数如式(1)。 (1) 令 , 可得频率特性如式(2)所示。 (2)由实际应用中的参数可知，截止频率为, 此值远远大于要补偿的谐波频率, 所以闭环传递函数表示为式(3)。从式(3)知，当只考虑指令电流对跟踪误差影响时，输出电流与输入的指令电流相等，所以可得式(4)。 (3) (4)3.2 电源电压对跟踪误差的影响假设输入

7、电流指令为0。此时输出电流为。可得电源电压到输出电流 的闭环传递函数。频率特性表示为式(5)。 (5) 假设电源电压是50Hz正弦波，不含有谐波，所以，在实际应用中, 、 、 和 远远小于 。所以输出电流如式(6)所示。 (6)电源电压影响输出电流，比例参数值为无穷大时，输出电流不受电源电压影响，但是实际系统中比例参数值不能达到无穷大，所以这个影响在实际应用的系统中是普遍存在的，电流跟踪误差也是普遍存在的，根据式(6)知误差的值是很大的。3.3 两个输入同时作用时对跟踪误差的影响从式(6)可知，输出电流受电源电压的影响，产生一个电流跟踪误差，总的输出电流如式(7)所示,电流跟踪误差如下式(8)

8、所示。 (7) (8)由电源电压引起的落后于电源电压180o，所以是有功电流，不影响无功和谐波电流的补偿。这就是为什么有电流跟踪误差但是有可以接受的补偿效果的原因。 从式(8)可知，变流器吸收一个很大的有功电流，因为有直流侧电压控制环存在，通过改变抑制了电源电压对输出电流的影响，系统稳定运行，如图11所示4。图11 含有电压环的基波有功电流跟踪控制系统框图综上所述，在PAPF和SVG中，电流跟踪误差由电源电压引起，电流环比例参数不能调节到无穷大，所以很大的电流跟踪误差普遍存在。电源电压影响输出电流的有功部分，通过电压环控制改变指令来抑制电源电压影响使得输出电流为期望值，不影响输出的无功和谐波电

9、流，这就是有很大跟踪误差但是有好的补偿效果的原因。4 仿真与实验为了证明式(8), 对有源滤波型SVG做了仿真研究。如图12，存在一个很大的电流跟踪误差，但是补偿效果好。其中KiP=1.5, Udc=750V, KFB=50, UT=5859, ua=311cost。 (a)输出电流和指令电流 (b)输出电流和负载无功谐波电流 (c)补偿效果图12 仿真结果(a)改变KiP (b)改变Udc (c)改变UT (d)改变KFB (e)改变uk图13 改变参数时输出电流和指令仿真图在图13中，KiP、Udc和KFB 增加为原来的2倍，UT 和 减小为原来的一半,此时电流跟踪误差减小。通过仿真证明了

10、式(8)的正确性，同时证明了分析的正确性。 实验结果如图14和图15所示，因为电源电压的影响，存在一个很大的电流跟踪误差。在图14中，输出电流（波形3）和指令电流（波形1）之间存在一个很大的电流跟踪误差，输出电流（波形3）与负载无功谐波电流（波形2）近似相等（因为补偿变流器损耗的电流很小）。图15是补偿前的电源电压、负载电流和补偿后的电源电流，从图中可以看出补偿效果好。 图14指令电流、负载无功谐波指令电流和输出电流 图15 补偿后的电源电压、负载电流和电源电流公式(8)的实验验证如图16所示，改变各变量，指令电流由波形1变为波形2,波形3是变流器输出电流。在实际应用中，由于电源电压变化不大，

11、所以省略了变量uk的变化的实验。实验证明公式(8)的正确性，而且得到同图13仿真结果相同的结论。(a)改变KiP (b)改变Udc (c)改变UT (d)改变KFB图16 改变参数时指令电流和输出电流实验波形 仿真和实验验证了本文分析的正确性。5 电流跟踪误差的影响如果变量 KiP、 Udc 、KFB 和 UT 选择不合适，电流跟踪误差将非常大，导致在三角波比较时，调制波峰值大于载波峰值。当设计一个控制系统时，目的是合理选择参数KiP、 Udc 、KFB 和 UT使得式子 成立，且调制波不限幅，即调制比小于1。调制比为 (9)图17是实验系统的电源电压和负载电流。如果选择参数KiP、 Udc

12、、KFB 和 UT不合理，调制波的峰值会达到PWM的限幅值，如图18所示，调制波峰值达到限幅值，输出电流受到了影响，在图19中，改变参数KiP、 Udc 、KFB 和 UT, 调制波峰值小于PWM限幅值，不会影响输出电流，如图20。在5中加电源电压前馈可以减小跟踪误差，但是需要增加电压检测环节，增加成本。本文不检测电源电压，通过合理设计参数消除了跟踪电流的影响。综上，在设计系统时要避免跟踪误差对补偿特性的影响，合理选择参数。首先根据需要选择合理的直流侧电压Udc，使比例调节器参数值KiP在稳定运行的前提下取最大值，如果调制波限幅，那么调整三角的幅值UT和反馈系数KFB到合理的值便可避免限幅。这

13、样就可以消除电流跟踪误差就对补偿特性的影响。 图17 补偿前 图18 调制波限幅 图19调制波不限幅 图20补偿结果6 结论本文详细分析了并联型电能质量控制器在实际应用中普遍存在的很大的电流控制误差现象，得出了存在电流跟踪误差但是有好的补偿效果的原因。原因是P调解器参数不能无穷大，对电源电压的影响不能完全抑制，电源电压影响了输出电流的有功电流，但是不影响无功和谐波电流，电压环提供有功电流平衡了这个影响，致使指令电流与输出电流之间存在大的跟踪误差但输出的是欲补偿的无功和谐波电流。本文还推导出了影响电流跟踪误差的变量与电流跟踪误差的量化关系。分析了电流跟踪误差对补偿特性的影响，这些方法可以指导实际

14、应用，设计出可靠的补偿器。仿真和实验结果证明本文的分析的正确性。参考文献：1 王兆安, 等.谐波抑制和无功补偿 北京: 机械工业出版社, 1998.2 F. Casanellas, “Losses in PWM inverters using IGBTs,” Electric Power Applications, IEE Proceedings, Volume 141,  Issue 5,  Sept. 1994 Page(s):235 239.3 Vladimir Blasko, Vikram Kaura, “A novel control to actively da

15、mp resonance in input LC filter of a three-phase voltage source converter,” Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume 33,  Issue 2,  March-April 1997 Page(s):542 550.4 Xiong Jian, Kang Yong, Duan Shan Xu, Zhang Kai, Chen Jian, “Simplified control circuit of three phase PWM rectifier,” Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1999. APEC '99. Fourteenth Annual, Volume 1, 14-18 March 1999 Page(s):229 - 233 vol.1.5 Qing Fu, Geng Yang, “A Novel Control Method for Active Power Filter Considering Harmonic Voltage in Power Sou