電力有源濾波器開關(guān)控制策略

/安徽送變電工程公司 朱富 安徽送變電工程公司 孫志強 國網(wǎng)駐馬店供電公司 張魏盼 蘭州工業(yè)學(xué)院 李曉青/

電力有源濾波器開關(guān)控制策略

/安徽送變電工程公司 朱富 安徽送變電工程公司 孫志強 國網(wǎng)駐馬店供電公司 張魏盼 蘭州工業(yè)學(xué)院 李曉青/

介紹了有源濾波器的補償原理，并對兩種開關(guān)控制方法進行了闡述，對傳統(tǒng)滯環(huán)方法進行了改進，通過仿真和試驗驗證了濾波器濾波效果的良好性以及開關(guān)策略的正確性。

有源濾波器 開關(guān)控制 滯環(huán)控制

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的非線性負載應(yīng)用到了現(xiàn)實生活中，便民的同時，由此導(dǎo)致的諧波和無功對電網(wǎng)污染也受到了相應(yīng)的關(guān)注。有源濾波器由于其良好的諧波抑制和無功補償功能而得到廣泛應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的無源濾波器而言它可以動態(tài)實時對電網(wǎng)諧波和無功電流進行檢測并進行補償，從而達到凈化電網(wǎng)的目的。通常將無源濾波器和有源濾波器相結(jié)合使用，無源濾波器濾除主要諧波和無功電流，無源濾波器沒補償?shù)牟糠钟捎性礊V波器完成，這樣就可以減小設(shè)備容量，降低成本[1]。許多新提的開關(guān)控制策略盡管能提高補償效果，但它們方法復(fù)雜且多以犧牲實時性為前提，在控制器以及開關(guān)性能大大提高的環(huán)境下，特別是先進的DSP技術(shù)以及IPM器件的應(yīng)用，使經(jīng)過改進的傳統(tǒng)開關(guān)控制方法更有應(yīng)用價值。滯環(huán)控制和三角載波控制是用的較多的控制方法，論文主要對這兩種方法進行闡述，并對滯環(huán)控制方法提出了改進。

1 拓撲結(jié)構(gòu)

三相三線制有源濾波器針對三相三線制負荷，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，該類型有源濾波器屬于并聯(lián)型，通過和電網(wǎng)并聯(lián)來改善電流質(zhì)量，它的工作原理和逆變器相同。T1～T6為有源濾波器的開關(guān)，其狀態(tài)取0表示關(guān)斷，取1表示打開。

圖1 三相有源濾波器拓撲結(jié)構(gòu)

以b點為參考點，圖1可以等效為圖2。

圖2 三相有源濾波器等效電路

用u1、u2分別表示ab，bc間的電壓，它們與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系如式（1）所示，Sa、Sb、Sc表示各相橋臂的開關(guān)狀態(tài)，取1表示上橋臂打開，取0表示下橋臂打開。

由圖1得式2.2：

其中：

式（3）表明了有源濾波器的每相輸出既有獨立性又有關(guān)聯(lián)性[2]?？蓪D2模型解耦為圖3，這樣就可以單獨對各相進行設(shè)計。

圖3 有源濾波器解耦原理圖

實際應(yīng)用中，處理器對電源電壓、負載電流采集，通過檢測算法完成諧波和無功電流的提取，將其取反后作為指令電流，根據(jù)指令電流由控制電路產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動橋臂開關(guān)，使逆變器產(chǎn)生跟隨指令電流大小的補償電流。直流側(cè)電容為三相橋電路提供能量，它的電壓值必須穩(wěn)定在一個設(shè)定值附近設(shè)備才能正常工作，一般來說，在電容耐壓范圍內(nèi)，直流側(cè)電壓值越高，補償效果也會越好，有源濾波器的輸出通過電感和電網(wǎng)連接，這樣可以將逆變器的輸出電壓轉(zhuǎn)化為電流，方便控制，電感的取值要合適，過大則容易使補償電流跟不上指令電流的變化，造成補償滯后，過小則容易向電網(wǎng)引入高次諧波。橋電路的開關(guān)器件通常采用IGBT，開關(guān)動作頻率越高，補償效果就越好，但開關(guān)頻率和開關(guān)器件的容量往往相矛盾。圖4為系統(tǒng)原理圖。

圖4 系統(tǒng)原理圖

2 三角波比較控制策略

三角波比較方法將指令電流i※和實際補償電流i進行比較后經(jīng)過放大器進行放大，放大后的信號再與三角波進行比較產(chǎn)生PWM控制脈沖，進行控制時，i※和i的差小于給定的三角波值時，則通過開關(guān)控制減小補償電流；兩者差大于三角波值，增大補償電流，這樣就可以使逆變電流很好的跟蹤指令電流。放大器A用的較多的是比例積分放大器。三角波比較法在開關(guān)動作頻率低時會產(chǎn)生較大誤差，PI參數(shù)不易調(diào)節(jié)，而且該方法的硬件電路較為復(fù)雜[3]。圖5為三角波比較控制原理圖。

圖5 三角波控制原理圖

3 滯環(huán)比較控制策略

此方法將檢測出的指令電流和逆變電流比較后，通過設(shè)定一定的環(huán)寬產(chǎn)生PWM信號，環(huán)寬大時，開關(guān)頻率低，補償精度差，環(huán)寬小時，補償精度高，相應(yīng)的開關(guān)頻率會變的很高，這樣就對開關(guān)的性能有了更高的要求。滯環(huán)方法實現(xiàn)簡單，且跟隨速度快，缺點是由于環(huán)寬的限制，導(dǎo)致開關(guān)頻率不定，對濾波電路的設(shè)計帶來了諸多不便[4-5]，設(shè)計采用定時滯環(huán)的方法很好的解決了這一問題。圖6為定時滯環(huán)控制原理圖。

圖6 定時滯環(huán)控制原理圖

4 MATLAB仿真

根據(jù)有源濾波器拓撲結(jié)構(gòu)建了仿真模型，如圖7所示，直流側(cè)電壓設(shè)置為2100V。圖8為滯環(huán)控制部分模型，圖9為補償后的電源側(cè)電流波形，由圖可以看出補償效果良好，但由于環(huán)寬的存在，濾波器存在誤差。

設(shè)計只考慮了負載的三相不平衡，假設(shè)三相電源為理想電源，仿真通過滯環(huán)開關(guān)控制策略對各個橋臂進行控制。

圖7 有源濾波器仿真模型

圖8 滯環(huán)控制模型

圖9 補償后的電源電流波形

5 試驗驗證

為了驗證所述開關(guān)控制策略的正確性，在此搭建實驗平臺，三相交流電源電壓取100V，直流電壓120V，直流電容取1650μF，電源側(cè)三個濾波電感4.5mH， DSP定時頻率25.6kHz,滯環(huán)環(huán)寬取0.2A，設(shè)計采用型號PS21865—P的IPM模塊作為逆變橋。非線性負載用阻感負載和二極管的并聯(lián)。電力有源濾波器若要很好的完成補償功能，必須以高精度、高實時性為前提，因此設(shè)計采用數(shù)據(jù)處理速度快且精度高的DSP28335芯片來計算和控制，主程序采用定時器中斷的方法，在定時中斷中將各個參數(shù)的采樣值從DSP對應(yīng)的寄存器中讀取出來，定時器的頻率即為采樣頻率，并在中斷中根據(jù)檢測算法計算指令電流，并由滯環(huán)控制產(chǎn)生脈沖，用DSP的一個I/O口，經(jīng)過邏輯電路后產(chǎn)生一對相反的脈沖信號控制橋電路的一個橋臂，為了防止同一橋臂的兩個IGBT同時導(dǎo)通產(chǎn)生過電流，通常還要添加死區(qū)電路進行保護。圖10和圖11分別為補償前和補償后電源側(cè)A相電流波形圖。由圖可知補償效果良好。

圖10 補償前電源側(cè)A相電流

圖11 補償后電源側(cè)A相電流

圖12 逆變電流與開關(guān)變化關(guān)系

為了便于觀察逆變電流與開關(guān)變化的關(guān)系，在此通過示波器對其中一相的逆變電流和對應(yīng)橋臂的開關(guān)狀態(tài)進行觀察，由圖12可以看出，采用論文所述的開關(guān)控制方法，補償電流可以很好的跟蹤開關(guān)的變化。

6 結(jié)束語

滯環(huán)和三角波比較是兩種基本的控制方法，滯環(huán)方法簡單且易于實現(xiàn)，跟蹤速度快且誤差是固定的，但該方法會由于開關(guān)頻率不穩(wěn)定造成開關(guān)發(fā)熱甚至燒毀，鑒于此，在實際設(shè)計中采用定時滯環(huán)方法，通過仿真和實驗驗證了所述方法的正確性，設(shè)計從提高補償精度、降低開關(guān)頻率，同時便于工程實現(xiàn)的角度出發(fā)，對電力濾波器原理和開關(guān)控制方法進行了分析和實際驗證，本文對整流逆變裝置的開關(guān)控制設(shè)計有很好的借鑒意義。

[1] 王兆安,楊君,劉進君,等.諧波抑制與無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005：12-55.

[2] 董海燕.PWM變流器設(shè)計與實驗研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué), 2012：21-23.

[3] 趙偉.電氣化鐵道綜合補償裝置中的檢測與控制技術(shù)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2012：19-21.

[4] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].第三版.北京：機械工業(yè)出版社, 2003：154-155.

[5] 沈龍大,朱兆年,許遐.電網(wǎng)高次諧波有源抑制裝置的工業(yè)應(yīng)用[J].電氣傳動,1993,23(5)：39-47.