并联型有源电力滤波器谐波电流环比例谐振控制策略

并联型有源电力滤波器谐波电流环比例谐振控制策略 ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集? 并联型有源电力滤波器谐波电流环比例 谐振控制策略 张树全 戴珂 康勇 (华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉,,,,,,) 【摘要】为提高有源电力滤波器的补偿精度和动态响应，本文提出了一种在同步旋转坐标系下基于比例谐振控制器(,,)的具有指定次谐波补偿功能的电流控制策略。比例谐振控制器是基于载波时间进行调节的，因此动态响应特性好;与传统的,，控制器相比，,,控制在谐波频率处增益为无穷大，理论上可以做到对谐波电流的无静差补偿。完整的电流控制系统由基于,，控制的基波电流控制环和基于多个,,控制器并联运行的谐波电流控制环组成，利用零极点对消 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对提出的控制器参数进行了设计。仿真研究和试验结果验证了提出的控制策略的有效性。 【关键词】并联有源电力滤波器无静差指定次谐波 比例谐振控制器 ,,,,,,,; ,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,;,,,, ,,,,, ,,,,,, ,,,？,,, ,,,,,，,, ,,,，,,,, ,,,, (,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,;,,,;, ,,, ,,;,,,,,,,，,,,,, ,,,,,,。,,,,, ,,,,,,;,，,,,,,) ,,,,,,;,:,, ,,,,,,, ,,, ;,,,,,,,,,,, ,;;,,,;, ,,, ,,,,,,; ,,,,,,,, ,, ,,,,,—,,,,,,,,,, ,;,,,, ,,,,, ,,,,,,(,,,)，, ,,,,, ;,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,(,,);,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,，,,,;, ;,, ,,,,;, ,,,,,,,; ,,,？,,,;, ;,,,,,, ,, ;,,,,,,,,,(,,, ,,,,,,;,,,,,,,, ,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,, ,, ,;,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,, ,, ;,,,,,, ,,,,，,,, ,,, ,,,,,,,,,,—,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,; ;,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,, ;,,;,,,,, ;,,,,,, ,,,,,,,;,(,,, ;,,,,,,, ;,,,,,, ;,,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,, ,, ,,, ,, ,,,,,,,,,,， ;,,,,,, ;,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,， ;,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,; ;,,,,,, ;,,,,,,,,,, ,,,,, ,, ,,, ,, ;,,,,,,,,,(,,, ,,,,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,, ,,, ,,,,—,,,, ;,,;,,,,,,,, ,,;,,,？,,(,,, ,,,,,,,, ,, ,,, ;,,,,,, ,,;,,,,;,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,, ;,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,? ,,,,, ,,,,,，,,,,;,,,, ,,,,,,,,:,,,,, ,;,,,, ,,,,, ,,,,,,，,,,, ,,,,,, ,,,,,,,;，,,,, ,,,,,,,,,,,,, ;,,,,,,,,, 引言 随着电力电子非线性负荷在工业和民用现场越来越广泛的应用，使得电网中电流波形畸变严重，谐波和无功问题越来越显著。有源电力滤波器是一种用于谐波抑制、无功补偿的新型电力电,,, ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集?子装置，卜引。 非线性负载产生的谐波由多个不同频率的正弦信号叠加而成，常规的,，控制器无法达到对这些正弦信号的无静差跟踪，近年来,,,电流无静差控制策略逐渐成为研究热点,,‘,，。文献,,,提出了一种多同步旋转坐标系控制方法实现无静差控制，但是每增加一次指定次谐波补偿，需要相应的增加一次坐标变换、低通滤波和控制，这样使得计算量很大，对控制芯片资源要求高;文献【,】提出了,，控制和基于内模原理的重复控制并联运行的复合控制技术，理论上可以实现对谐波电流的无静差补偿，但重复控制是基于基波周期进行调节的，动态响应慢，在负载变化剧烈的场合稳定性不高;文献【,】通过对三相线性电流控制器的频域 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 推导出旋转坐标系下,，控制器在静止坐标下的频域模型，文献【,】通过静止坐标系下正余弦信号的广义积分推导出一种具有相同频域形式的控制器模型，即为带有谐振环节的,,控制器，对,,控制器的理论研究起到了重要的推动作用;,,控制器在并网逆变器和整流器中得到广泛应用以实现更好的输出或输入电流指标。 本文提出了一种同步旋转坐标系下具有指定次谐波补偿功能的比例谐振电流控制策略。对于典型的三相不控整流器，静止坐标系下交流侧电流只包含,,?,次的谐波，通过基波同步旋转坐标变换转化为,七次谐波，在基波旋转坐标系下对,,,,次谐波进行控制就可以实现静止坐标系下,, ,,,次谐波的跟踪补偿，减小了程序的计算量，节约了控制芯片的资源。,,控制器在谐波频率处具有无穷大的增益，理论上可以实现对谐波电流的稳态无静差补偿，在非谐波频率处可以提供足够的衰减防止相邻频段间的干扰;载波周期的调节保证了,,控制器具有较好的动态性能。,,控制器参数目前尚无很好的设计方法可寻，本文通过对,,,谐波电流环闭环传递函数的分析，提出了采用零极点对消的方式对控制器参数进行设计。仿真研究和实验结果均证明了提出的控制策略的有效性。,(,,,电流控制系统,(,(,,,系统结构和数学模型 三相三线并联型,,,的电路模型如图,所示，其中,,,，,,,，,,,，,,,，,;,，,。,代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 每相桥臂的开关管，,代表每相的输出内电感,,和,,之和。,代表输出电感内阻和每相桥臂上、下管互锁死区压降等效阻抗之和。;出代表直流母线上的滤波电容，凡代表由并联有源电力滤波器损耗所引起的负载效应。 图,并联有源电力滤波器系统结构 ,,,(, ,,,,,—,,,,, ,,,,, ,,, ,,,,,, 本文所选用的,,,滤波器参数:,,,,,,,?？,，,,,,,,,,,,，输出滤波电容;，,,旷，此时滤波器的谐振频率可由式(,)计算得厶,,(,眦，而,,,通常只要求控制,,次以内的谐波，谐振频率远大于控制器所需带宽，滤波电容相对而言很小，因此可以将,,,滤波器简化成一阶 ,,, ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集?惯性环节进行建模。 (,) ,,,的数学建模与,,,整流器建模类似，很多文献均已经给出‘,, ，假设在三相电网电压平衡条件下，基波同步旋转坐标系下数学模型如式(,)所示。 鲁一拿‘嘲一軎,?一 鲁,一兰一屯,,?田 警,老‘，轰卜亡乞: (,) 由式(,)可知，基波旋转坐标系下,轴和？轴之问存在电流耦合，,轴上的电流变化会引起？轴轴上 电流的变化，反之亦然，为使,轴和？轴电流分别独立可控，引入状态反馈交叉解耦抵消电流控制回路耦合项的影响;同时考虑电网电压不平衡以及为了给控制器提供一个稳态运行的工作点，引入电网电压前馈，经过电流交叉解耦和电网电压前馈处理后，式(,)中前两项转化为如式(,)所示形式。 ,,堕,,,一,，移‖ , 。 ，,，。 愕,,训…呵? 【 , 呵’ ，? (,) 其中控制变量,，‰?包含三个分量，电流控制器输出量、状态反馈交叉解耦量和电网电压前馈量，如式(,)所示。 ,,, ,,,,玉一?,,,—,日 , ,,？,出，,,,,,一, (,),(,(,,,电流控制系统的结构 如图,所示，系统为无中性线的三相三线制结构形式，采用检测负载侧电流模式产生,,,补偿电流所需的给定信号。为达到同步旋转坐标变换的目的，通过检测系统公共耦合点处的三相电压(采用,？数字锁相技术实现精确锁相(,,,)，提取基波旋转坐标变换所需的频率和相位。 图,有源电力滤波器控制框图 ,,,(, ,,,;, ,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,, ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集? ,,,采用通常采用双闭环控制，包括电流内环和电压外环,个控制环。本文提出的同步旋转坐标系下,,电流控制策略将电流内环分解成基波电流控制环和谐波电流控制环。基波电流内环和电压外环的作用是保证,,,直流侧稳定在一个合理的给定值上，基波旋转坐标变换将交流基波正序分量变换成直流量，因此基波电流内环采用,，控制器即可达到对基波正序有功分量的无静差跟踪来维持直流侧电压的稳定。谐波电流内环由多个谐波电流,,控制器并联运行组成，其作用是实现无静差的跟踪指定次谐波电流信号，补偿由非线性负载产生的谐波电流畸变。 指定次谐波电流控制策略与不进行指定谐波补偿的控制策略相比，在补偿灵活性上存在三个巨大的优势〔,,,,,，一是当负载谐波电流超出,,,的补偿容量时，可以选择只补偿其中危害比较大的几次谐波;二是,,,的电感参数随着频率的改变可能发生变化，因此对每一次谐波单独设计控制器参数有利于提高系统的稳定性，增强控制系统的鲁棒性，这在不进行指定次谐波的控制系统是无法实现的;三是无源滤波器与,,,配合使用的场合，,,,只补偿所需次数谐波时需要进行指定次谐波电流控制。 基于,,控制的电流控制策略不需要在谐波检测部分进行专门的指定次谐波电流提取算法，其控制器自身特性可以保证在指定次频率处产生无穷大的增益，节约了控制芯片的资源。,(比例谐振控制电流控制策略,(,(比例谐振控制器频域分析 文献【,】通过对三相线性电流控制器的频域分析推导出旋转坐标系下,，控制器在静止坐标下的频域模型，即为,,控制器模型，其传递函数如式(,)所示。 ‰,卜巧，前 ,(? 十 式(,)中，七为谐波次数，‰为工频基波旋转角频率，由式(,)可知，控制器有两个可设计参数,。和,，，假设七,,时分析这两个参数对系统性能的影响，即,次谐波频率处,,控制器的性能。 ，,, ，，,二 ? 攮串(,,,,,,,) 图, 足，变化下(比例谐振控制器波特图 ,,,(, ,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,, ;,,,,,,,,, ,,, ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集? 假设,,,,，而,，变化时，由图,可以看出,，主要影响控制系统的增益，在谐振频率处具有近似无穷大的增益，而在非谐振频率处，有足够的衰减，从而实现了指定次谐波滤除。 ,,,(, ,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,, ;,,,,,,,,, 假设巧,,，而,,变化时，其波特图如图,所示，对整个频段 而言，相当于在比例环节幅频特性基础上在谐振频率处加入了无穷大的增益和超前或滞后,,度的相位变化。但是随着,,的增大，在谐振频率处的增益变化不大，其他频率处的增益却随着,,的增大而增大，这样,,增大后控制器对频率的选择性补偿将大大减弱，极容易引起谐振频率与其他频率的相互干扰，对系统的稳定性不利。由于被控对象是一个一阶惯性系统，如果,,选取太小，就使得整个控制系统的动态性能大大折扣，因此应综合以上因素折中选择,,参数。,(,(比例谐振控制器参数设计 由上文可知，经过状态反馈交叉解耦和电网电压前馈处理后，,轴和？轴电流变得独立可控，,,,数学模型可以转化为式(,)所示，由式(,)可得,,,谐波电流内环系统结构框图如图,所示。 图,谐波电流内环控制框图 ,,,(, ,,,,,,, ,,,;, ,,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,,,,; ;,,,,,, 由图,可以推导处谐波电流内环闭环传递函数如式(,)所示。,,, ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集? ,,, ,’,，,，,,(,;,), 畋,),丛,，(尺，，,), ,，,,(七彩),，,，,，(,，，尺)(七?), (,) 闭环传函是一个三阶系统，参数设计比较复杂，对于,,谐振逆变器设计，有文献提到在并网逆变器应用中，根据,,控制器的波特图分析所得的参数对控制系统性能的影响进行折中设计，,,,。但是这种设计方法比较模糊。本文通过对闭环传函的分析，合理简化闭环传函后。提出了一种基于零极点对消的控制器设计方法，仿真和试验均验证了这种参数设计方法的有效性。 本文所用试验台架选取三,,,,，,,，估算,,,(,,,,。由于,。,,尺，因此将式分母项迸行简化，舍去常数项尺(七缈),，此时式(,)经简化后如式(,)所示。 ,,,,，,，,，,,(尼国), ,，,),,, ,，(,，，尺),,，陋(七功),，,,,，,，(,,,国), (,) 此时可以采用零极点对消的方法进一步简化闭环传函，令,，,,，,,,，代人式(,)中，则式(,)中分母项的因子包含了分子项，式(,)可以简化为如式(,)所示的一阶惯性环节的形式。 ,妇?,南,寿 (,) 巧为系统响应的延迟时问，可以看出，对于,轴和？轴下的,,控制器而言，延迟时间与比例常数,，成反比，而与输出电感成正比，这点与传统的,，控制器参数对系统响应的延迟时间作用相似。因此增加,,控制器的比例常数,，有利于增加系统的带宽，有利于提高系统的动态性能。但是由上文波特图的分析可以看出，,,的增加对于谐振频率处的增益增加变化不大，而其他频率处的增益却随着,,的增大而增大，容易造成不同频率问谐波的相互干扰，降低了系统的稳定性。综合以上分析可以得出对于谐波电流环中的,,控制器，,，主要影响整个系统的动态性能，而谐振增益,，主要决定了系统的稳态精度。优先考虑系统的稳定性，取,，,,(,,，此时由零极点对消关系可得,，,, ,,，由图,可知，,，取值较大时在非谐振频率处增益仍可有足够的衰减，因此实际中，为提高,,电流控制系统的电流跟踪精度，可适当提高,，取值，本文中取,，,,,,。 静止坐标系下的,次、,次谐波在基波同步旋转坐标系下变换为,次谐波，以,次谐波为例，将,，,,(,,，,，,,,,，七,,代人图,所对应的开环传函中，开环系统传函波特图如图,所示，验证了提出的控制器设计方法的有效性。 ,,, ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集? 图,开环系统波特图 ,,,(, ,,,, ,,,,,,, ,, ,,,, ,,,, ,,,,,,,(仿真分析 为验 证提出的控制策略的可行性，利用,,,,,,建立了模型进行分析，仿真参数选择:交流侧为三相对称,,,,,,,,,低压系统，工频,,胁，单台有源电力滤波器为三相三桥臂结构，输出内电感为,(,,,，外电感为,(,打删，采用适当的,,,输出滤波电路滤除开关管高频开关过程中产生的高次谐波，直流侧母线额定电压,,, ,。谐波源为三相不控整流阻感性负载，,,,(,,，,,,(,,,。 瓤,,一 ?帆司 (,) 圈,仿真波形 (,) , ,,,(, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,, ;,,,,,, ;,,,,,, ,,,,,,,, 图,(,)和(,)分别是未投入有源电力滤波器时系统侧电流的波形及其频谱，此时系统侧电流即为负载电流，其,,,为,,(,,，其中,次谐波和,次谐波畸变率最大，,次谐波畸变率 (,地)为,,(,,(,山为,,(,,。图,(;)和(,)是基于,,控制器谐波电流控制策略的,,,投入后，在基波同步旋转坐标系中对,次谐波进行,,控制时系统侧电流波形和频谱，可以看出此时,伯和,恤非常显著的减小，其中,恤由,,(,,减小到,(,,,，,恤由,,(,,减小到,(,,,。系统侧电流,,,由,,(,,减小到,,(,,,，表明单个的,,控制器可以对指定次谐波达到明显的补偿作用。图,(,)和(,)是对,,次以内的谐波进行补偿时，有源电力滤波器系统侧电流波形和频谱，此时谐波电流内环控制由多个,,控制器并联运行构成，由图,(,)明显看出各次谐波均得到了明显的补偿，系统侧电流,,,由,,(,,降低到,(,,,，谐波电流得到了充分补偿。表明,,, ?首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集?多个,,控制器并联运行的可行性，也充分证明了,,控制对提高,,,的补偿精度有着显著的作用。,(试验结果 表,并联,,,系统的结构参数 ,,,(, ,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,,,,, ,,, ,,,,,, 参数 说明 ,,,, 交流电源相电压有效值 ,,,, 电网频率 ,(,,, ,,,输出电感 ,,,, ,,,直流侧电容 ,,,, ,,,直流侧电压 ,,,蛸 ,,,容量 ,,,, 主功率器件额定电流 ,(,,,, 开关频率 为了验证所提出控制策略的有效性，在实验室所研制的,,,系统(,,,,,)进行了如下试验，控制系统采用,，公司的,,,,,,,,,,,完成谐波检测、控制算法、脉宽调制(,,,,,)控制信号的输出和部分保护功能，主功率器件采用西门康,,,,,,,,,,,,,,,。 表,为并联,,,系统的电路结构参数，谐波源为,,型三相不控整流电路，直流侧电感和电阻分别为,(,,,和,(,,。 ,??,,, 匿 , , ,:‘一…,’阿’ ?矜:， 卜川。’,;,『『:’ ， , 建 、 飞 罱 ，， ,,梦～ ”,童 × ，, 蚕 , ,, , 曩 曩 麓: 暴 , ， 霾 雕翳 ——,一一臣一誓 ,(?一, 譬叠 ,二量二童:， ?,一一,, (,)电流波形 (,)电流频谱图 .