有源电力滤波器自适应电网电流滞环控制_图文

1、第2期2012年3月电源学报Journal of Power Supply有源电力滤波器自适应电网电流滞环控制赵文,张代润,吴敌(四川大学电气信息学院,成都610065摘要:简要介绍了基于有功能量平衡原理的控制方法,将自适应电网电流滞环控制方法应用于三相四线制有源电力滤波器。该方法主要根据电网电压、有源电力滤波器接入点电压和电网电流的微分改变滞环电流宽度,从而实现开关频率的稳定;通过改变补偿电流的波形实现电网电流的正弦化,且在负载变化时,电网电流能实现动态稳定。该方法的特点是不需要传统的谐波电流检测,可实现数字化控制。使用Matlab 仿真,其结果证明了该方法对三相四线制有源电力滤波器进行定频

2、控制是可行的。关键词:有功能量平衡原理;自适应电网电流滞环;三相四线制有源电力滤波器中图分类号:TN713文献标志码:A文章编号:2095-2805(201202-0067-05收稿日期:2011-12-17作者简介:赵文(1986-,男,硕士研究生,研究方向为电能质量控制技术,E-mail:Zhaowen.1218 。引言有源电力滤波器(Active Power Filter ,简称APF 是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,对包括非特征谐波、暂态谐波在内的所有谐波均具有良好的滤波效果。随着电力电子技术的发展,有源滤波器在电力系统中得到了日益广泛的应用1。在有源滤波器的主回路

3、及控制对象均已确定的情况下,其输出电流的控制方法对有源电力滤波器性能和效率有重要的影响2。当前有源电力滤波器的电流控制方法主要有滞环电流控制方法、三角波控制方法以及单周控制方法等2。滞环电流控制技术是应用最经常、最广泛的一种控制方法,具有硬件电路实现简单、电流响应快、准确度较高、输出电压不含特定频率的谐波分量等特点1,但电力半导体器件的开关频率是变化的,导致开关损耗和电磁干扰增大。文献3将定频滞环电流控制应用到有源电力滤波器,采用一个闭环锁相电路自动调节滞环宽度实现定频,但难以实现数字化。文献4不需要增加额外的模拟电路即可实现数字化控制,但需要谐波检测。本文简要介绍基于有功能量平衡原理的控制方

4、法之后,分析了三相四线制有源电力滤波器自适应电网电流滞环控制策略,以电网电流的基波正序分量作为参考信号,在达到较高跟踪精度的同时,实现开关频率的定频化。1基于有功能量平衡原理的控制方法从瞬时有功能量在系统中传递的角度出发,以调节电网输入的有功能量为目标,直接对输入的电网电流进行控制,无需检测有功和无功分量,使得谐波检测的过程十分简单,从而降低有源滤波器的控制成本。同时该控制方法采用了检测电网电流的控制方式,属于闭环控制,具有较好的谐波补偿性能5。传统的有源电力滤波器的控制是从无功和谐波检测角度出发,得到谐波和无功的指令信号后,通过有源电力滤波器产生相应的谐波和无功电流,同时为了维持直流侧电压的

5、稳定,在控制中增加了直流侧电压的控制,计算比较复杂。而从有功调节的角度出发,只需要调节有源电力滤波器的直流侧电压就可以获得系统所需要的有功功率总和,同时还可以维持直流侧电压的稳定,使控制简化6。当负载一定时,负载电阻所需的有功功率近似为:电源学报总第40期(1从能量平衡的角度来看,在三相电路中有功功率可以看成是从电源侧直接传递给了负载和有源电力滤波器的直流侧。流入有源电力滤波器的有功能量除了补充有源电力滤波器的开关损耗外,还使电容上的电压发生变化。即电网输出的有功功率为负载消耗的有功功率与有源电力滤波器输入的有功功率之和,即(2在有源电力滤波器中,忽略电感上的电压降和开关元件的能量损耗,有(3

6、在一般情况下,可以假设电网电压为无畸变的正弦量,并且三相平衡,可表示为(4补偿后的电网电流是正弦且和电网电压同相,可表示为(5式中I s为补偿后的电网电流幅值,I s可从整个系统的有功功率流动中获得7。检测电容电压,滤除纹波,得到电容平均电压,将电压设定值减去电容电压的差值送入PI控制器,PI控制器的输出就是电网电流的幅值I s。检测任一相的相电压,经移相和加法处理后得到与对应相电压同相位的三相单位正弦信号,与PI控制器的输出相乘,得到理想的参考电流信号,即电网电流的基波正序分量,系统控制结构如图1所示。图1基于有功能量平衡原理的系统控制框图图2自适应滞环控制的电流和PWM波形U cr是直流侧

7、电压U c的给定值,U cf是U c的反馈值,即电容平均电压,给定电压和反馈电压的差值是相应时刻整个系统所需的有功功率的总和5。假设电网电压无畸变,电网输入的有功功率和输入的有功电流是成比例的,因此有功电流的大小也就反映了输入有功功率的大小。以有功电流为参考信号,对电网电流进行PWM控制,实现电网电流的正弦化。当电网电流的输入值低于系统需要的有功电流时,直流侧电压降低,使得参考电流增加,输入电网电流上升,反之亦然。由于只是对电流进行控制,系统可以在一个比较宽的输入电压范围内自动达到输入输出的能量平衡。当负载波动时,也可以调节输入电网电流,达到输入和输出能量的平衡,同时保证直流侧电压不变,这种控

8、制方法只需要检测电网电流,不需要复杂的计算,实现过程简单6。2自适应电网电流滞环控制滞环宽度(hysteresis band width,HB决定有源电力滤波器的开关频率,滞环宽度越窄,开关频率越大,通过改变滞环宽度,可以控制有源电力滤波器的平均开关频率。理论上,增加开关频率能使电网电流的波形接近正弦波,但由于开关器件的限制,开关频率的增加会导致更多的开关损耗,也会造成电磁干扰等问题,因此,开关频率的选择应综合考虑8。本文采用的自适应电网电流滞环控制9,是根据电气参数自适应地改变滞环宽度,从而使有源电力滤波器开关频率基本维持不变。如图2所示为自适应电网电流滞环控制的电流和开关元件的PWM波形。

9、68与传统的定频滞环电流控制以补偿电流为控制对象不同,本文是在有功功率平衡理论的基础上,以电网电流的基波正序分量为参考信号,对电网电流进行定频滞环控制。三相四线制有源电力滤波器基本原理框图如图3所示,其三相逆变器采用中性线结构,即直流侧母线中点与三相电源的零线相连接,三相开关控制相互独立,任何一相不受其它两相干扰10。以A相为例,其控制框图如图4所示。图3三相四线制有源电力滤波器原理框图图4有源电力滤波器自适应电网电流滞环控制框图(6(7在S1导通期间(T on,有(8在S1截止期间(T off,有(9(10解以上五式联立组成的方程组,得(11式中:f s为开关频率;为A相参考电流的斜率。可见

10、,滞环宽度是A相有源电力滤波器接入点的电压U a、开关频率f s,A相电网电压V a和A相参考电流斜率的函数,通过控制滞环宽度能保持开关频率基本不变。图5所示为自适应电网电流滞环宽度计算器的Matlab仿真模块。图5自适应滞环控制环宽计算框图3仿真分析利用Matlab,根据上述的控制算法建立模型,对图3所示的三相四线制有源电力滤波器进行仿真。该有源电力滤波器用以补偿阻感型二极管三相桥式整流电路产生的谐波电流。变环宽滞环控制模块用Matlab的S函数实现4。仿真参数见表1。表1仿真参数图6(a为A相负载电流波形;图6(b为补偿后A相电网电流波形;图6(c为A相补偿电流波形。可以看出,逆变器输出电

11、流可以跟踪补偿电流。图7为电网电流放大10倍后与电网电压的关系曲线图,可见二者相位同步。U c/V V S/V L/mH L c/mH f s/kHz8002200.1425赵文,等:有源电力滤波器自适应电网电流滞环控制第2期69电源学报总第40期图8为采用自适应电网电流滞环控制后,电网电流的谐波频谱,THD为3.33%,达到了IEEE519谐波标准要求图6(a负载电流图6(b补偿后电网电流图6(c补偿电流图7电网电流(放大10倍与电压的关系图8补偿之后电网电流谐波频谱给定开关频率25kHz,根据本文所采用的算法进行仿真,得到环宽波形如图9所示,可以看出环宽随时间周期性改变,周期为0.1s,从

12、而达到稳定开关频率的目的。阻感负载在0.1s时发生变化,其中,电阻由50变为14.3、电感不变,电网电流变化波形如图10所示,电网电流在0.14s时达到稳态,可见,该方法用于有源电力滤波器时对实现电网电流的动态稳定有很好的效果。图9自适应滞环控制的滞环宽度图10阻感负载变化时电网电流波形4结论本文从有功能量平衡的角度出发,采用有功能量平衡原理和自适应电网电流滞环控制相结合的控制方法,在保持传统滞环电流控制电流响应快、准确度高等特点的同时不需要检测谐波电流。在达到较高跟踪精度的同时,实现开关频率的稳定。通过仿真验证该方法对实现三相四线制有源电力滤波器的功能以及稳定其开关频率是有效的。参考文献:1

13、王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社,2005.2曾江,刘艳,叶小军,等.有源滤波器的低损耗滞环电流控制方法J.电网技术,2010,34(1:7378.3曾江,焦连伟,倪以信,等.有源滤波器定频滞环电流控制新方法J.电网技术,2000,24(6:17.70Review of Power Decoupling Techniques for Photovoltaic Micro-invertersLI Duo,JIANG Chen,CHEN Min,QIAN Zhao-ming(College of Electrical Engineering,Zhejiang

14、 University,Hangzhou Zhejiang 310027,ChinaAbstract :In photovoltaic(PVgrid -connected micro -inverters,the output power contains a pulsation with twice gridfrequency while the input power is constant.Usually,electrolytic capacitors of large capacitance paralleled to PV panel are employed to smooth t

15、he input voltage and balance the instantaneous input and output power mismatching (power decoupling.Nevertheless,the life-span of the electrolytic capacitors is too short to meet the requirement of the PV panels,which become the crucial factor of the life-span and stability of micro-inverters.A revi

16、ew of power decoupling methods for micro-inverters in PV system was presented.These methods were categorized and introduced separately.Finally,the comparison and conclusion were presented.Key words :photovoltaic;micro-inverter;power decoupling4张竹,张代润,王超,等.有源电力滤波器定频滞环电流控制新策略J.电力系统及其自动化学报,2010,22(2:82

17、85.5张光烈,徐海利,韩学军,等.APF 控制及检测电路实现方法综述J.继电器,2008,36(2:6973.6王冬平,陈树君,黄继强,等.基于有功能量平衡原理的并联型有源滤波器的控制方法J.电工技术学报,2004,19(2:8992.7阮立飞,张万峰,叶生.三相并联有源滤波器的控制策略研究J.电气传动,2001,(3:912.8戴训江,晁勤.光伏并网逆变器自适应电流滞环跟踪控制的研究J.电力系统保护与控制,2010,38(4:2530.9Bowes S R,Grewal S.Novel Adaptive Hysteresis BandModulation Strategy for Thre

18、e -phase Inverters J.IEEProc Electr Power Appl,2001,148(1:5161.10邹晓,易灵芝,张明和,等.光伏并网逆变器的定频滞环电流控制新方法J.电力自动化设备,2008,28(4:5862.Hysteresis Grid Current Control Method for Active Power Filterwith Self-adaptive Switching FrequencyZHAO Wen,ZHANG Dai-run,WU Di(Institute of Electrical Engineering,Sichuan University,Chengdu Sichuan 610065,ChinaAbstract :A novel self-adaptive hysteresis grid current control technique based on the active power balance theory for three-phase and four-wire active power filter was introduced.The algorithm changes hysteresis band according to the supply