基于PI控制的有源濾波器中的研究*

李正明,唐　靜

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

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基于PI控制的有源濾波器中的研究*

李正明*,唐靜

(江蘇大學電氣信息工程學院,江蘇 鎮江 212013)

摘要:提出了基于并聯型三相三線制有源濾波器的優化設計的PI控制方法,該方法的優點是對檢測到電流誤差信號為控制對象,用滯環比較器構成區域判別器,在此基礎上實行滯環電流控制。在同樣的控制精度下,該方法可以有效得降低開關頻率,減小有源濾波器開關損耗。計算機仿真結果驗證了這一方法的有效性。

關鍵詞:有源濾波器;滯環電流控制;PI控制;MATLAB/Simulink仿真;d-p旋轉坐標系

近年來,隨著電力系統中各類非線性負荷的大量投入,電能質量的問題正日益加劇[1]。有源電力濾波器(APF)是處理這類問題的一種有效手段,其性能很大程度上取決于電流跟蹤性能。目前,APF有眾多的控制方法,如三角載波控制方法[2-3];滯環電流控制方法[4-5];重復控制方法等[6];空間矢量控制方法[7]。

本文提出了基于三相三線制并聯型有源電力濾波器的一種優化設計的PI控制的方法,即在d-p旋轉坐標系下建立有源濾波器的模型,在d-p軸上分別對電流進行PI控制的控制方法,并對相應的有源濾波器系統設計一種合理的PI控制器,從而控制輸出電流跟蹤指令信號,進行實時補償。

1　APF電路結構和工作原理

三相三線制并聯型有源濾波器的系統運行,電路結構如圖1所示。

圖1　并聯型APF的電路結構

在電路結構圖中,右側上方的非線性負載—三相不控整流橋用于產生各次諧波,右側下方的PWM電路用于產生補償波,以濾除電路中的諧波[8]。

圖2　APF工作原理圖

2　基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波檢測

本文采用的諧波計算方法是ip-iq法,它是基于三相瞬時無功功率理論的一種具有實時的高精度的檢測方法,是對基于三相瞬時無功功率理論的p-q諧波電流檢測法進行的一種改進方法。其優點是它并不需要檢測出三相系統側電網電壓,因而可以在電網電壓發生畸變時也能準確的檢測出高次諧波電流,其原理圖如圖3所示。

圖3　ip-iq諧波檢測原理圖

3　滯環電流控制

滯環電流控制(HysteresisCurrentControl)應用比較廣泛,其實質,就是一種原理簡單的Bang-Bang控制。系統將逆變器的實際輸出電流值與系統的補償電流參考值做差,這個差值作為滯環比較器輸入信號,滯環比較器將會依據逆變器的實際輸出電流值與系統的補償電流參考值的大小輸出1或者0,這些信號便可作為控制開關管導通與關斷的控制信號,這樣就可以使得補償電流參考值被逆變器輸出值實時跟蹤,達到預期的控制效果。

其控制的基本原理可以概括為:將APF的補償電流信號定義為參考值,并以補償電流信號作為基準,選取一個寬度適當的滯環帶,當實際的補償電流的大小超出滯環帶的區域時,系統為了維持實際補償電流在滯環帶的區域中,就會利用控制策略控制逆變器開關的導通與關斷,控制的最終結果就是實際補償電流始終圍繞著參考值上下波動[7]。

在滯環電流控制法中,起著決定性的作用是滯環寬度,它影響著系統的開關頻率、控制精度以及系統的損耗。想要提高系統控制的精度,就要減小滯環的寬度,但與此同時系統的開關頻率也增大,開關損耗也隨之加大,因此就要在控制精度以及開關損耗兩者之中找到一個最好的平衡點。

滯環電流控制具有以下優點:控制算法簡單;系統動態響應速度快、魯棒性好;當系統負載的變化時,系統仍有很強的適應能力。

滯環控制器的具體仿真圖如圖4所示。

圖4　滯環控制器仿真圖

4　PI控制

4.1d-p旋轉坐標系下有源濾波器的模型

(1)

由式(1),可以得出:

(2)

對上式進行clark和park變換后得出:

(3)

式(3)是有源濾波器在d-p旋轉坐標系下的模型,從式子中可以看出,存在耦合項Lwiqi和Lwidi[6]。

4.2PI控制器

對式(3)進行拉氏變換得出:

(4)

由于d-p軸間存在電流耦合,本文采用狀態反饋交叉解耦法抵消電流控制回路耦合的影響,具體設計的控制器的形式如圖5所示。

圖5　旋轉坐標系下PI控制

5　仿真結果及分析

采用MATLABR2008a/Simulink作為本系統的仿真平臺,對APF的仿真模型進行仿真分析。主電路參數為:APF交流側電壓源輸入電壓有效值220V,頻率50Hz,直流側給定電壓Udc的值設為700V、電容Cdc的值設為4 700μF,非線性阻感負載中,電阻R的值設為4Ω,平波電抗器L設為2mH。

在MATLAB/Simulink環境下搭建的PI控制器如圖6所示。

圖6　PI控制器仿真圖

下面以A相電流為對象,對APF的電流補償效果進行觀察和記錄,仿真結果如下:(以下的圖7(a)表示滯環控制的仿真圖,圖7(b)表示滯環控制和PI控制共同作用的仿真圖)。

圖7　A相負載電流

圖8　負載諧波電流波形圖

圖8中APF輸出的補償電流與非線性負載的諧波電流在波形上都比較吻合,這表明APF交流側輸出的補償電流能夠很好的跟蹤指令電流,滿足系統實時性的要求。

圖9為系統的諧波畸變率圖。從圖可以看出,滯環控制,在0.03 s到0.04 s時間段有點小的波動,電流跟蹤效果不是很好。通過PI控制,系統中的諧波得到很好的控制。

圖10、圖11為非線性負載的頻譜分析。從圖中可以看出,滯環控制時,其諧波畸變率(THD)從13.11%降低到了4.53%,再經過PI控制,其諧波畸變率降低到了3.43%,表明2個控制方法的結合具有良好的濾波效果,系統的穩定性較好。

圖9　諧波畸變率圖

圖10　補償前的頻譜分析圖

5　結論

本文提出了基于有源濾波器的PI控制的策略,在d-p軸上分別對電流進行PI控制的控制,其積分環節的控制器能夠使系統輸出誤差的跟蹤給定信號,減小電流跟蹤誤差,并且對檢測到的誤差信號能產生校正作用,改善濾波性能。此外,該控制策略簡單可靠,魯棒性強,易于在DSP上離散化實現。仿真及后續實驗結果證明其可行性及良好的暫穩態補償性能。實驗結果證明了該方法的正確性和可行性。

圖11　補償后的頻譜分析圖

參考文獻:

[1]程浩忠,艾芊,張志剛,等.電能質量[M].北京:清華大學出版社,2006.

[2]張興,張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:機械工業出版社,2012.

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[4]Trzynadlowski A M,Kirlin R L.Space Vector PWM Technique with Minimum Switching Losses and Variable Pulse Rate[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1997,4(2):173-181.

[5]謝治中,何杞鑫.一種新型滯環電流控制電路的設計[J].電子器件,2008,31(6):1895-1898.

[6]唐欣,馬迎召,李紅濤.基于重復控制的有源濾波器雙閉環控制[J].電機與控制學報,2009,(增刊1):67-71.

[7]曾江,刁勤華,倪以信,等.基于最優電壓矢量的有源濾波器電流控制新方法[J].電力系統自動化,2000,24(6):25-31.

[8]陳國柱,呂征宇,錢照明.有源電力濾波器的一般原理及應用[J].中國電機工程學報,2000,20(9):17-21.

李正明(1958-),男,漢族,江蘇沭陽人,現任電氣信息工程學院副院長、教授、博士生導師,主要從事智能電網與電力系統遠程監控,工業控制計算機網絡與應用,現代信息處理等方面的研究工作,lzming@ujs.edu.cn;

唐靜(1988-),女,漢族,江蘇鹽城人,現為江蘇大學碩士研究生,研究方向為電能質量管理,xstangjing@163.com。

ResearchofActivePowerFilterBasedonPIControl*

LIZhengming*,TANGJing

(College of Electrical Information and Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)

Abstract:An optimization design method of PI control is introduced,which is based on parallel form of APF.It is characterized that the control objectives are phase current errors,hysteresis comparators are used to consist of the detector,hysteresis current controlling is applied in this system.With the same control precision,this method can effectively lower the switching frequency,reduce the swithing loss and improve the performance of APF.It is validated by the computer simulation results.

Key words:active power filter;hysteresis current control;PI control;MATLAB/Simulink;d-p rotating coordinate system2

doi:EEACC:1220;814010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.040

中圖分類號:TM51

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0987-04

收稿日期:2013-09-05修改日期:2013-09-26

項目來源:江蘇省高校優勢學科建設工程項目(蘇政辦發[2011]6號)