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三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法

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三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法 第43卷第8期 2009年8月 西安 交通 大 学 学报 JOURNALOFXI 7 ANJIAoTONGUNIVERSITY V01.43№8 Aug.2009 三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法 何英杰1,刘进军1,王兆安1,邹云屏2 (1.西安交通大学电气工程学院,710049,西安;2.华中科技大学电气与电子-丁程学院,430074,武汉) 摘要:为了提高三电平有源电力滤波器(APF)的谐波抑制能力,对其闭环控制系统进行研究发现, 跟踪参考谐波电流的控制方法是决定三电平AP...

三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法
第43卷第8期 2009年8月 西安 交通 大 学 学报 JOURNALOFXI 7 ANJIAoTONGUNIVERSITY V01.43№8 Aug.2009 三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法 何英杰1,刘进军1,王兆安1,邹云屏2 (1.西安交通大学电气工程学院,710049,西安;2.华中科技大学电气与电子-丁程学院,430074,武汉) 摘要:为了提高三电平有源电力滤波器(APF)的谐波抑制能力,对其闭环控制系统进行研究发现, 跟踪参考谐波电流的控制方法是决定三电平APF补偿质量的关键.分析了传统电流状态反馈解耦 PI调节器的局限性,提出一种新型PI控制方法.在该方法中,采用状态观测器,对APF下一拍输 出电流进行估计,弥补了数字控制系统一个载波周期的延时.采用重复预测型观测器,对指令谐波 电流进行预测,具有动态响应快、且稳定后无静差的特性,因而改善了整个系统的控制效果.基于该 控制方法进行了实验研究,从实验结果可以看出,加入该PI控制器后,系统电流的正弦性大大提 高,突加负载和突减负载时,滤波系统能瞬时跟踪负载变化,有很好的动态响应速度. 关键词:有源电力滤波器;三电平变流器;PI控制;观测器 中图分类号:TM761文献标志码:A文章编号:0253—987X(2009)08—0090-05 NovelControlAlgorithmofTrackingHarmonicCurrentwithLittleStatic MisadjustmentforActivePowerFilterwithThgee--LevelNPCInverter HEYingjiel,LIUJiniunl,WANGZhao’anl,ZOUYunpin92 (1.SchoolofElectricalEngineering。Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,China;2.SchoolofEletricaland ElectronicsEngineering。HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China) Abstract:Toimprovetheoverallperformanceofthethree-levelactivepowerfilter(APF),the closed-loopcontrolsystemofthisAPFisinvestigated,anditisfoundthattrackingcommandhar— moniccurrentisoneofthekeystodesigningthisAPF.ThecurrentstatefeedbackdecouplingPI controliSanalyzedindetailandthelimitationoftheconventionalPIconditionerinthetraditional strategies,anovelPIcontrolmethodisproposed,wherethepredictiveoutputcurrentvalueis obtainedbythestatepredictor,andthedelayofonesamplingperiodisremediedinthisdigital controlsystembythestatepredictor.Thepredictivecommandharmoniccurrentvalueisobtained bytherepetitivepredictorsynchronouslywithhigherdynamicconvergencerateandlittlestatic misadjustment.Theexperimentresultsdemonstratethesteadyfilteringcapability. Keywords:activepowerfilter;three-levelinverter;PIcontrol;predictor 有源电力滤波器(APF)作为一种能动态抑制谐 波的电力电子装置广受关注,并出现了众多的电路 拓扑结构和控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 [1≈].但是,装置电压等级高、容 量大势必会给APF带来大的损耗、大的电磁干扰以 及制约APF的动态补偿特性等问 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,所以迄今为止 尚未产生一种被广泛接受适合于中高压、大容量谐 波治理的电路拓扑结构和控制方法.多电平变换器 在高电压、大功率方面得到广泛应用,特别是在减小 电网谐波和补偿电网无功方面有着非常良好的应用 前景.在所有的多电平拓扑中,二极管钳位型三电平 变换器是当前应用和研究最多的拓扑结构[3],三电 平APF也得到了广泛的研究L4j. 跟踪参考指令电流信号的控制方法是决定三电 平APF谐波补偿质量的关键.在脉宽调制整流器 收稿日期:2009—01—09.作者简介:何英杰(1978一),男,讲师.基金项目:国家科技支撑计划资助项目 (2007BAAl2803);中国博士后基金特别资助项目(200801429);中国博士后科学基金资助项目(20070421112). 万方数据 第8期 何英杰,等:三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法 91 中,电流状态反馈解耦PI控制得到了广泛应用,因 为它能无静差地跟踪直流量指令值,而且其控制器 结构简单,参数设计和工程化整定方法已趋成熟.当 它应用于APF时,指令信号是含有多种频率成分的 交流信号,频率高于基波频率很多,跟踪时会产生显 著误差.本文对APF的电流状态反馈解耦PI控制 进行深入分析,提出了一种新的控制方案.该方法构 造一个重复预测型观测器提供谐波指令电流预测 值,构造一个状态观测器抵消采样延时.实验结果表 明了这种控制方法的正确性和可行性. 1三电私PF数学模型 三电平有源电力滤波器主电路基本结构如图1 所示.根据三电平PWM变换器的开关函数,可以将 每相桥臂等效为一个单刀三掷开关,得出三电平 PWM变换器的等效电路,如图2所示. U。、“sb和U。为三相电网输入电压;如、“和k为i相并联型有 源滤波器输入电流;L。和Rs分别代表有源滤波器滤波电感 和交流电抗等效电阻;直流侧串联了两个值为cd的滤 波电容,它们的电压分别为U&I和Ude2;电容中 点与电网中性点之间的电压为UNo 图1三电平有源滤波器主电路 为了便于推导出系统数学模型,可将开关函数 进一步分解:当S。一1时,定义S。。=1,S2。=0,S。。= 0;当S。=O时,定义S1。=0,S2。=0,S3。=1;当S。一 一1时,定义S1。一0,S2。一1,S3。一0.b相、C相的开 关函数也做如上分解.考虑系统是三相无中线系统, 且假定三相电网电压平衡.考虑控制系统设计的需 要,省略繁琐的公式推导,得到幽两相旋转坐标系 下三电平有源滤波器数学模型为[5] zY—MⅣ+Nv 式中 Z=diag[-L。L。cdCd] Y一[幻iqUdel“dc2]T M== 工。 一r 上。 Y 工. 一一R。 (tJL。 一Sl Saz 一(tJL。一R。 一&1 Sq2 &1 Sql 0 0 .一Saz—Saz 0 0 N一[11 0 03 V一[甜耐U叼003 I‰ l“血: 图2三电平拓扑有源滤波器等效电路 2控制系统结构 三电平有源滤波器的控制系统可分为电压外环 和电流内环两部分.电压外环维持变流器直流侧电 压恒定[5],电流内环可分为求取补偿电流参考值的 上层算法模块和跟踪参考电流的控制模块两部分. 本文在上层算法模块中,采用基于瞬时无功功率理 论的谐波检测法,在控制模块中,采用电流状态反馈 解耦PI控制加空间矢量PWM调制方法.在空间矢 量PWM调制中,通过检测i。mi和i。的方向,根据 此时中点电压波动的方向对相邻三个电压矢量对应 开关状态进行取舍,控制中点电位波动[6],控制框图 如图3所示. 图3三电平拓扑有源滤波器控制系统框图 3电流状态反馈解耦PI控制 从式(1)可得跟踪参考电流控制模块的数学表 (1) 达式 http://www.jdxb.cn 一一只日一心‘fI圭立‰9‰9塾 万方数据 92 西安交通大学学报 第43卷 数字系统采样计算一个载波周期的延时,本文构造 一个状态观测器提供下一拍输出电流观测值‘7|. 该新型PI调节器包含一个状态观测器和一个 重复预测型观测器.在(志一1)时刻采样得到i。(惫一 1),由状态观测器给出预测值i。(志),由重复预测型 图5解耦系统电流环控制框图 观测器提供谐波指令电流预测值if(愚+1),由此可 以计算出k采样周期指令电压“,(是),使ic(忌+1)一 图5所示系统的开环传递函数是 露(最+1).用状态观测器对电流输出值i。(惫)进行预啪,=蒜耥 ㈤测·敞@2霆辈篙意鬻统表霞龚 式中:t是电感时间常数(等于L。/R。);K。一1/R。. x(忌)一Ei耐(是)如(忌)]T 为设计方便,我们根据经典的二阶最佳设计原则,通 【,(忌)一[“耐(足)一“d(足)“。(志)一“。(k)JT 过PI控制器把电流环校正成一个最佳二阶系统.采 G:eAT:H一(矿T—I)A_-B 璺常规SPwM技术,Gp一1,PwM调制器的时间常基于式(7),可以构造一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的全维状态观测器 效为1‘P20.51、,其中1、为采样(开关)周期,即司确. . . 定电流控制器PI参数为K口i:L。/T,Kii;R。/T.将X(k+1)一GX(k)+删(志)+T(x(忌)一x(是)) 电流控制器参数代入电流闭环传递函数,得 (8) r,、 1 ,.、 状态观测器的基本原理就是利用观测对象的参 ‰u’一百可—FF瓦了1 H’ 数G、H重构一个虚拟动力学系统,以后者的状态变 http://www.jdxb.cn 万方数据 第8期 何英杰,等:三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法 量x(忌)作为实际状态变量x(忌)的观测值,见图6. 将观测器x(志)与实际系统X(k)做比较,根据二者 的差值AX(k)对状态变量观测值进行校正.T即为 AX(k)至状态变量观测值X(k+1)的反馈矩阵.由 式(7)和式(8)可以得到观测器误差方程 巳(志+1)一(X—DP,(志)(9) 图6状态观测图 以上误差系统的动态过程由系数矩阵的两个特 征值决定,只要状态观测器的特征值都位于z平面 单位圆内,式(9)就是收敛的.通过配置系数矩阵的 特征值,可以调节观测误差的收敛速度以及超调量 等动态品质. 如图7所示,指令谐波电流的重复预测型观测 器可看作是对平推算法所做的重复校正.所谓“平 推”是指将指令谐波电流本次计算值作为其下两拍 的预测值,其基本关系式为 i。(愚)一i。(忌) (10) 当谐波电流波形随周期重复时,预测值与实际 值之间的误差也将以固定波形重复出现,用重复校 正算法消除这个重复性误差.重复校正算法由周期 积分环节、超前补偿环节和比例环节组成.重复校正 算法的作用原理是:检测每一时刻的预测误差e,然 后下一周期提前在指令谐波电流上叠加补偿量,使 预测结果接近实际值.预测算法的目的是提前两拍 给出指令谐波电流预测值,所以预测误差为 + 一厂I溉重复校正算法 图7重复预测型观测图 + f。Q) P(志)一i。(愚)一i。(惫一2)(11) 式中:P(志)代表在k时刻计算出的误差,实为(志一2) 时刻的预测误差;i。(忌一2)是(惫一2)时刻得出的预 测值(依平推算法也就是i。(志~2)),期望它在经过 校正后能够接近k时刻指令谐波电流值i。(k).式 (11)表明:预测误差的计算有两拍的滞后,因此与之 成正比的补偿量在下一周期应提前两拍起作用.具 体而言,在k时刻计算出的针对i。(愚一2)的预测误 差P(是),到了下一周期将乘上k,,然后叠加于指令 谐波电流的第(是一2)次值i。(是一2).这样,就可以使 依据平推算法得到的i。(足一2)接近i。(忌).由于实际 的谐波电流每周期总会有少许的变化,为此周期积 分环节中设置了系数0.95,避免因不能完全消除预 测误差而导致补偿量的无限制增加. 4实验结果 利用一台三电平APF样机进行实验验证,控制 系统采用TMS320F2407DSP来实现的.实验电路 如图1所示,实验电路和控制系统参数列于表1.电 网电压为110V,内阻抗为lmH,非线性负载为三 相桥整流电路带阻感负载,其中电感为120mH,电 阻为8Q. 从图8a可以看出,加入新型PI控制后,系统电 流的正弦性大大提高,总谐波畸变率(THD)降到了 3.30%.这组实验证明了本文提出的PI控制方法, 可以很好地跟踪这种周期指令信号,滤波系统有很 高的稳态滤波精度.由图9可以看出,突加负载时滤 波系统经过2个周波进入稳态,突减负载时滤波系 统能瞬时跟踪负载变化,可见该PI控制算法具有很 好的动态响应速度. 表1 实验系统参数 符号仿真参数值 说明 http://w帆jdxb.cn 零阶保持采样 万方数据 94 西安交通大学学报 第43卷 20 姜o ’20 —40 40 20 §0 —20 20 10 ≤0 寸~lO 一20 ≤ o 0 20 40 60 80 100 t/ms (b)母线电压和APF输出电流 图8稳态实验波形 t/ms (a)突加负载时负载和系统电流 40 20 要0 ~20 ~40 40 20 §o ,20 图9动态实验波形 5结论 本文提出了一种新型PI控制方案.该方案通过 状态观测器和重复预测型观测器对下一采样周期的 输出电流和下两采样周期的谐波指令电流进行预 测,推算出下一采样周期的变换器开关控制量,使输 出补偿电流跟踪指令电流,弥补了传统PI控制电流 跟踪的缺点.实验结果表明,该控制策略具有良好的 动态响应能力和很高的稳态滤波精度. 参考文献: 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿 [M].北京:机械工业出版社,1998. 王群。姚为正,王兆安.低通滤波器对谐波检测电路的 影响[J].西安交通大学学报,2002,33(4):5-8. WANGQun。YA0Weizheng。WANGZhao’an. Effectoflowpassfilteronharmonicsdetectioncircuit [J].JournalofXi7anJiaotongUniversity,1999,30(4): 5-8. AKIRAN。TAKAHASHII,AKAGIH.Anewneu- tral-point-clampedPWMinverterEJ].IEEETranson IndustryApplications,1981,17(3):518—523. ABURTOV,SCHNEDERM。MORANL,etaLAn activepowerfilterimplementedwithathree-levelNPC voltage-sourceinverter[C]?}Proceedingsofthe1997 IEEEPESCPiscataway,NJ,USA:IEEE,1997: 1121-1126. 詹长江.用户电力统一调节器的研究[D].北京:清华 大学电气工程学院,1999. 何英杰,邹云屏,林磊,等.三电平有源滤波器直流侧 电压控制方法[J].高电压技术,2006,32(6):79-83. HEYingjie。z0UYunping,LINLei.etaLResearch onthecontrolalgorithmofDCvoltageforanactivefil— terwiththree-levelNPCinverter[J].HighVoltage Engineering,2006,32(6):79—83. 张凯.基于重复控制原理的CVCF-PWM逆变器波形 控制技术研究[D].武汉:华中理工大学电气工程学 院。2000. (编辑杜秀杰) http:ff删.、dxb.cn ] ] ] ] ] ] ] 【=l 心 口 L!l 口 口 口 万方数据 三电平有源电力滤波器谐波电流跟踪无差控制方法 作者: 何英杰, 刘进军, 王兆安, 邹云屏, HE Yingjie, LIU Jinjun, WANG Zhaoan, ZOU Yunping 作者单位: 何英杰,刘进军,王兆安,HE Yingjie,LIU Jinjun,WANG Zhaoan(西安交通大学电气工程学院 ,710049,西安), 邹云屏,ZOU Yunping(华中科技大学电气与电子工程学院,430074,武汉) 刊名: 西安交通大学学报 英文刊名: JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY 年,卷(期): 2009,43(8) 被引用次数: 0次 参考文献(7条) 1.王兆安.杨君.刘进军 谐波抑制和无功功率补偿 1998 2.王群.姚为正.王兆安 低通滤波器对谐波检测电路的影响[期刊论文]-西安交通大学学报 2002(04) 3.AKIRA N.TAKAHASHI I.AKAGI H A new neutral-point-clamped PWM inverter 1981(03) 4.ABURTO V.SCHNEDER M.MORAN L An active power filter implemented with a three-level NPC voltage- source inverter 1997 5.詹长江 用户电力统一调节器的研究 1999 6.何英杰.邹云屏.林磊 三电平有源滤波器直流侧电压控制方法[期刊论文]-高电压技术 2006(06) 7.张凯 基于重复控制原理的CVCF-PWM逆变器波形控制技术研究 2000 相似文献(2条) 1.期刊论文 文小玲.尹项根.WEN Xiao-ling.YIN Xiang-gen 一种大功率变流器的数学模型及性能分析 -湘潭大学 自然科学学报2006,28(2) 介绍了一种由2个三电平变流器和一个三绕组变压器构成的大功率变流器;建立了它基于开关函数的数学模型;对它的电压和电流进行了仿真分析.仿 真结果表明在工频方波调制方式下,通过合理选择电感和电容值可以获得谐波含量较小的电压和电流波形,因而可用低频大功率开关器件如GTO构成对电网 谐波污染小的高压大容量变流装置.它可用于变频器、有源电力滤波器、UPS电源、无功补偿装置(STATCOM)等,因此所建数学模型及分析方法在类似结构 的电力电子系统的理论分析与仿真研究中具有一定的应用价值. 2.学位论文 王小峰 三相多电平变流器电压平衡、箝位策略与调制技术研究 2007 电压源型多电平变流器因其输出电平等级多,输出电压THD小,在高压大功率场合有较大的市场需求和应用前景,因而具有重大的研究意义和价值。 虽然在工业场合电压型变流器已经有很多应用,但由于种类多,结构复杂,对其研究的步伐远未停止。本文针对适合飞跨电容筘位型变流器载波PWM调制 方法,二极管箝位型变流器直流端电容电压难平衡的问题,三相三电平(VIENNA结构)整流器的控制和滞环电流控制在多电平中的应用展开了工作。 针对飞跨电容型多电平变流器,从载波相移PWM方法和消谐波PWM方法的特点差异出发,结合飞跨电容型结构电容电压平衡机理,对适合该结构的旋 转载波PWM调制方法的构造和由来进行详细分析;利用双重傅立叶变换,从本质上定量推出应用该PWM方法时输出电压的谐波特性,并通过在高调 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 和 低调制度情况下三电平和五电平逆变器的仿真和三电平逆变器的实验进行验证。推导和仿真实验结果表明旋转载波PWM方法与消谐波PWM方法在谐波性能 上本质是相同的,它们相电压中载波频率处谐波集中了该谐波带的绝大部分能量,这一谐波在合成线电压时得以抵消,所以线电压谐波性能最好,最易 于用滤波器滤除。与载波相移方法相比,它不仅能够提高系统的等效开关频率,实现电容电压的自平衡,并且由于载波之间没有相移,采用该方法得到 的输出线电压谐波含量明显要小。本文对载波交叠特性在飞跨电容型中的应用也进行了研究,得出适于二极管箝位型的单纯载波交叠PWM方法对飞跨电容 电压的平衡没有贡献的结论,无法将其直接用于该拓扑中。为了把载波交叠特性用于飞跨电容型中,提出一种既具有载波交叠特性,又能实现飞跨电容 电压自平衡的新型载波PWM方法,并通过三电平逆变器的实验验证该方法的效果。 针对传统二极管箝位型多电平中直流端电容电压难以平衡的问题,本文从硬件角度出发,提出一种基于混和筘位技术的三相四桥臂多电平变流器拓 扑,该拓扑在传统二极管型拓扑基础上增加了第四桥臂来充当箝位桥臂。与已有基于混和箝位技术的三相变流器拓扑相比,该新型拓扑能大大减少所用 有源器件的数量,实现筘位开关和主开关器件的完全解耦,因此可以对它们进行独立控制。这一特性使得新型拓扑能不加改变的采用传统二极管型多电 平拓扑所有调制策略和控制方法,同时不用折衷考虑电容电压平衡,这在已有混和箝位拓扑是不能做到的。通过对三电平和五电平逆变器的仿真以及三 电平逆变器的实验,验证了新型拓扑的电容电压平衡效果。该新型拓扑在电平数大于五的应用场合具有很大的应用潜力。 针对VIENNA结构整流器,比较了一种单相三电平Boost功率因数校正整流器与其在结构和控制上的相似之处,把该单相三电平整流器的控制策略拓展 到三相三电平整流器(VIENNA)中,此控制方法成本低廉、思路清晰、电路简易可靠,开关管工作在恒频率下,承受最大电压为输出电压的一半。通过仿 真和实验结果验证了控制方法是有效的。 针对滞环电流控制在多电平变流器中的应用,本文以有源电力滤波器系统为仿真平台,采用无偏置量滞环电流控制对以飞跨电容型变流器为主变换 器的有源滤波器系统进行仿真研究其响应特性;并对基于空间矢量概念的滞环电流控制在三相四桥臂三电平变流器的应用进行探讨和仿真分析,通过判 断电压矢量所在的大区间,部分消除了无效的开关组合,减少了开关次数。 论文最后对全文工作进行了 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ,并对电压型多电平变流器的今后研究工作进行了展望。 本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xajtdxxb200908019.aspx 授权使用:天津理工大学(tjsg08),授权号:8f61236b-9ef9-433b-8ef3-9eca006dda1d 下载时间:2011年4月19日
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