新型三態滯環電流自適應控制策略

暴 敏,李田澤,韓 濤,韓玉瑩

(山東理工大學電氣與電子工程學院,山東淄博255091)

新型三態滯環電流自適應控制策略

暴 敏,李田澤,韓 濤,韓玉瑩

(山東理工大學電氣與電子工程學院,山東淄博255091)

在分析與比較傳統兩態滯環電流控制和三態滯環電流控制的基礎上,利用三態滯環電流自適應跟蹤控制方法導出了一種新型環寬計算公式；利用Matlab/simulink工具建立了逆變控制系統仿真模型,使用該模型對并網系統電流控制進行了實驗仿真.結果證明,該控制方法穩態性能好,實際電流波形理想,電流誤差小.

滯環電流；自適應跟蹤；環寬計算；仿真模型

隨著世界能源短缺和環境問題的日益突出,光伏發電因其能源質量高、無公害、無枯竭危險等優點越來越被人們所接受［1］.作為光伏發電并網的核心部件,并網逆變器的輸出電流(即并網電流)應能實時跟蹤電網電量,且總畸變失真低［2］.

滯環控制具有結構簡單容易實現,實際并網電流誤差?。?-4］,穩定性好等優點.傳統的兩態電流滯環控制中全橋電路的開關頻率高,易導致電磁干擾等問題.三態滯環電流控制只有兩個開關在高頻狀態下工作,開關頻率較低,且動態響應較快,降低功率管的開關損耗.本文在三態滯環電流控制的基礎上導出了一種新型環寬計算公式,可以根據電氣參數改變滯環寬度,得到固定的開關頻率,從而達到改變環寬穩定開關頻率、降低開關損耗的目的.逆變器的輸出電流能夠實時跟蹤參考電流變化,誤差較小.

1 單相全橋并網逆變器滯環控制理論

單相并網逆變器主電路可抽象為圖1所示的電路模型,通過控制橋臂的通斷來調節橋臂中點A、B的輸出電壓.由圖1可得逆變器輸出電壓、電感電壓與電網電壓的關系：

圖2為傳統兩態滯環控制的原理圖.令i為實際并網電流(i＞0)為給定參考電流,則電流誤差.給定環寬為2H.當＜―H時,實際并網電流,此時

圖1 單相全橋并網逆變電路

圖2 兩態滯環控制原理圖

圖1 中S1、S4導通,S2、S3關斷,并網逆變器的輸出電壓為,此時L承受正電壓,于是并網電流上升,當上升到使＞H時,S1、S4關斷,S2、S3導通,此時逆變器的輸出電壓變為―,電感L兩端變為負電壓,從而使并網電流下降.這樣,并網電流i最終在上下環寬內變化,實現實時準確跟蹤.

2 三態滯環電流自適應跟蹤控制

逆變器開關頻率由滯環寬度決定,滯環寬度H越窄,開關頻率f越高,逆變器的輸出電流波形更接近于參考電流的波形,越能實時精確跟蹤.但如果增加開關頻率,不僅會減少功率管的使用壽命,其頻繁的開斷也會造成電磁干擾的問題,自適應滯環電流控制,其原理是實時根據電網電壓、逆變器的輸出電壓等參數調整滯環寬度,從而使平均開關頻率維持基本不變［5-6］.

2.1 三態滯環電流控制理論分析

本文以電網電壓的正半周為例說明三態滯環電源控制的原理。在電網電壓正半周,當電流誤差＜―H時,S1、S4導通,S2、S3關斷,此時A、B兩端輸出電壓、并網電流在正電壓作用下上升；當上升到＞H時,S1、S2導通,S3、S4關斷,此時A、B兩端輸出電壓是0下降.由上述可以看出的變化范圍被限制在±H內.當處于電網電壓負半周時,可作類似分析,在此不再贅述.A、B兩端輸出電壓為―和0.

圖3 三態滯環控制開關邏輯及輸出

三態滯環控制開關邏輯和輸出電壓如圖3所示,在電網電壓的正半周,S1處于一直導通狀態, S2、S4互補導通；在電網電壓的負半周S3處于一直導通狀態,S2、S4互補導通.因此,在一個周期內4個開關管只有S2、S4工作在高頻狀態.與兩態滯環控制(其4個功率管都處于高頻狀態)相比,這種控制方式可以優化光伏并網逆變器的開關邏輯,降低功率管的開關損耗.通過控制開關的關斷,使并網電流i與電網電壓同頻同相.

2.2 三態自適應滯環控制原理框圖

為了實現上述開關邏輯,可以增加過零比較器來控制全橋逆變器中功率管的通斷,圖4所示為三態自適應滯環控制的原理框圖.通過同步電路和乘法電路獲得與電網電壓同頻同相的參考電流,再通過過零比較器產生驅動脈沖使S1、S3工作于互補導通狀態；電流誤差控制電流滯環控制器使其發出PWM脈沖以驅動S2、S4互補通斷.

圖4 三態自適應滯環控制原理框圖

2.3 數學模型

根據實際給定的參考電流是不斷變化的正弦波,本文建立了三態滯環電流自適應控制數學模型,并推導出三態滯環電流自適應控制的環寬公式.圖5為三態滯環電流自適應控制電流、電壓波形,圖中為參考電流為實際上升電流為實際下降電流.

圖5 三態滯環電流自適應控制電流、電壓波形

在圖1所示的全橋逆變器電路中,忽略電感電阻,濾波電感電流iL與逆變橋輸出電壓uout和電網電壓u0的關系為

可以得到三態自適應電流滯環寬度的計算公式：

由式(8)可知,通過調節滯環寬度,可以得到固定的開關頻率,從而達到改變環寬穩定開關頻率的目的.根據(8)式建立三態自適應電流滯環寬度計算器的Matlab仿真模塊,如圖6所示.

圖6 三態自適應電流滯環寬度計算器仿真模塊

3 仿真及實驗結果

利用Matlab/simulink仿真工具建立的逆變系統仿真模型如圖7所示.其中直流電源、單相全橋逆變并網電路、濾波電路和模擬單相電網構成主電路, FPGA控制器模塊、環寬計算模塊以及示波器模塊構成控制電路.

電網電壓有效值為220V,頻率為50 Hz,濾波電感為5m H,直流電壓為500V,電路模型仿真使用固定步長為1μs的離散算法,在功率管的開關頻率為10 k Hz時對逆變器的輸出電流進行了仿真.

仿真結果如圖8所示.其中上圖為給定的參考電流,其波形與電網電壓同步,幅值為電網電流的1/16(即有效值是14A；下圖為逆變器的實際輸出電流,通過圖像可以看到,實際電流波形比較理想,較好的跟蹤了參考電流,實現了單位功率因數并網.

圖7 單相全橋并網逆變器仿真模型

圖8 給定參考電流及實際輸出電流波形

圖9 為并網電流誤差波形.由圖可知,并網電流跟蹤誤差在―0.2～0.2A內變化,誤差較小.驗證了三態滯環電流自適應跟蹤控制的可行性和穩定性.

圖9 并網電流誤差波形

4 結束語

本文建立了三態自適應滯環寬度數學模型,該模型可以通過調節滯環寬度保持開關頻率不變.當滯環寬度隨電網頻率變化時,逆變器能夠緊密跟蹤參考電流的變化,輸出優良的正弦電流,與電網電壓同相,實現單位功率因數運行.通過實驗仿真驗證本文建立的三態自適應滯環寬度數學模型具有較好的運行性能,能有效提高太陽能光伏并網發電逆變器的逆變頻率.

［1］趙爭鳴.太陽能光伏發電及其應用［M］.北京：科學出版社,2005.

［2］侯世英,肖旭,徐曦.基于間接電流控制的并網逆變器［J］.電力自動化設備,2010,30(6)：76-79.

［3］黃怡飛.單相并網逆變器的三態滯環控制策略［J］.電氣技術, 2011,12(6)：16-18.

［4］Krismadinata.Implementation of hysteresis current control for single-phase grid connected inverter［C］//Power Electronics and Drive Systems 2007.PEDS′07.7th International conference on, 2007：1 097-1 101.

［5］戴訓江,晁勤,加瑪力汗·庫馬什,等.光伏并網逆變器滯環電流的自適應控制［J］.電源技術,2009,33(12)：97-100.

［6］洪峰,單任仲,王慧貞,等.一種變環寬準恒頻電流滯環控制方法［J］.電工技術學報,2009,24(1)：21-25.

(編輯:劉寶江)

The new three-level adaptive hysteresis current control strategy

BAO Min,LI Tian-ze,HAN Tao,HAN Yu-ying
(School of Electric and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China)

Based on the analysis and comparison of the traditional two-state hysteresis current control and the three-state hysteresis current control,the paper using the three-level adaptive tracking hysteresis current control method derived a new ring width calculation formula,using Matlab/simulink establish the inverter control system simulation model,and emulated the grid system current control.The simulation results indicate that the control mode state is steady,the actual current waveform is ideal and the current error is small.

hysteresis current；adaptive tracking；ring width calculation；simulation model

1672―6197(2013)01―0017―04

TN433

A

2012- 10- 11

國家自然科學基金資助項目(50807034)；山東省自然科學基金資助(ZR2011EEQ025)；山東省淄博市科技發展資助項目(2011GG01116)；山東理工大學重點學科資助項目

暴敏,女,bm19880329@163.com；通信作者：李田澤,男,ltzwang@163.com