諧波對滯環(huán)電流跟蹤控制性能的影響

許斌,張建生

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院江蘇南京211000)

0 引言

隨著石化資源的緊缺日益加劇,太陽能等新能源的發(fā)電技術(shù)開始崛起,但其具有波動(dòng)性,間歇性且運(yùn)行時(shí)需要具備一定的電能存儲(chǔ)系統(tǒng)。為了保證儲(chǔ)能設(shè)備的壽命和并網(wǎng)的穩(wěn)定性,必須采取合理的控制策略和實(shí)施方案。滯環(huán)電流控制作為一種優(yōu)良的跟蹤控制方法,被廣泛的應(yīng)用于逆變技術(shù)之中。但是當(dāng)直流側(cè)存在諧波時(shí),滯環(huán)電流跟蹤控制性能會(huì)因此而下降,甚至?xí)櫴?跟蹤波形嚴(yán)重畸變。本文就直流電源中含有的諧波對滯環(huán)電流控制性能的影響進(jìn)行分析研究。

1 滯環(huán)電流控制的基本原理及工作過程

滯環(huán)電流控制電路工作原理[1,2]:電流參考方向如圖1所示,當(dāng)指令電流Iref處于正半周期時(shí),且當(dāng) I0—Iref>△I時(shí),滯環(huán)電流控制器給VT1開關(guān)管施加門極關(guān)斷信號,給VT2開關(guān)管延時(shí)施加正向門極觸發(fā)信號;此時(shí),由于負(fù)載是阻感負(fù)載,先通過VD2續(xù)流二極管向電源側(cè)饋能,VT2開關(guān)管由于承受反壓不能導(dǎo)通;負(fù)載電流逐漸減小,當(dāng)I0—Iref＝0時(shí),饋能過程結(jié)束后,VT2導(dǎo)通,負(fù)載電流繼續(xù)減小;當(dāng)I0—Iref<—△I,滯環(huán)電流控制器輸出給VT2施加門極關(guān)斷信號,給VT1開關(guān)管延時(shí)施加正向門極觸發(fā)信號;同理,此時(shí)由VD1向直流電源側(cè)饋能,當(dāng)I0—Iref＝0,饋能過程結(jié)束后,VT1導(dǎo)通,負(fù)載電流繼續(xù)增大;當(dāng) I0—Iref>△I時(shí),滯環(huán)電流控制器給VT1開關(guān)管施加門極關(guān)斷信號,給VT2開關(guān)管延時(shí)施加正向門極觸發(fā)信號,如此循環(huán)下去。當(dāng)指令電流在負(fù)半周期時(shí),同理分析。工作過程及觸發(fā)脈沖形成原理如圖2所示。

圖1 滯環(huán)電流控制電路

圖2 滯環(huán)電流控制工作原理及形成VT1的觸發(fā)信號

2 整流輸出波形紋波分析

在整流電路中,為了使輸出波形為一基本恒定的直流電壓,在整流電路輸出端并聯(lián)大電容。其工作過程:當(dāng)電容電壓低于整流后的直流脈動(dòng)電壓,電源向電容充電,同時(shí)向負(fù)載供能,電容存儲(chǔ)電能;當(dāng)整流后的脈動(dòng)直流電壓低于電容電壓時(shí),電容器放電,電容器將電能傳送給負(fù)載。在放電過程中,電容電壓隨RC時(shí)間常數(shù)按指數(shù)形式下降,直到電容再次充電,輸出電壓也因此呈現(xiàn)出周期性紋波[1,3]。

當(dāng)整流電路工作在穩(wěn)定狀態(tài),經(jīng)過三相不可控整流器后,得到波形如圖3所示,可以確定整流后電壓波形函數(shù)為:

圖3 三相不可控整流輸出波形

其中:U為三相電源相電壓幅值最大值。當(dāng)電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),且由于電容充電時(shí)間極短,可以認(rèn)為電容的電壓與所并聯(lián)的電源電壓是相同的。因此充電時(shí),電壓變化率為:

放電時(shí),電容電壓隨RC時(shí)間常數(shù)按指數(shù)形式變化,則電容電壓可表示為:

放電時(shí)的電壓變化率為:

當(dāng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),認(rèn)為充放電一周期內(nèi)電容電量是不變的。且當(dāng)整流輸出電路并聯(lián)電容容值較大,電路輸出紋波較小時(shí),可以認(rèn)為,圖3中t1

3 主電路圖

基于滯環(huán)電流控制電路之上,建立主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖4所示。主電路由整流電路與滯環(huán)電流跟蹤控制電路組成。整流電路為滯環(huán)電流跟蹤控制電路的直流電源部分。整流濾波電路通過改變并聯(lián)電容容值來實(shí)現(xiàn)直流電源波動(dòng)性模擬,由上述分析可知,并聯(lián)電容器的容值大小。直接影響到直流電源紋波大小電容器容值越大,直流電源輸出紋波越小,反之亦然。

圖4 主電路圖

4 實(shí)驗(yàn)仿真及波形分析

本文就滯環(huán)環(huán)寬為±0.5 A,交流電線電壓為380 V,對直流側(cè)并聯(lián)單電容容值分別為100 μF,1 000 μF的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。其中指令信號為幅值10 A頻率50 Hz的正弦電流波。直流電壓輸出電壓波形如圖5、圖6所示。從圖中可以看出,并聯(lián)電容容值越大,直流側(cè)紋波波動(dòng)范圍越小,即含有諧波量越少,同時(shí)從圖7、圖8可以看出,并聯(lián)電容值越大,滯環(huán)電流跟蹤控制輸出電流波形跟蹤程度越好。此外從圖5、圖7中能夠發(fā)現(xiàn)在并聯(lián)電容值較小時(shí),直流輸出電壓波形波動(dòng)范圍很大,且跟蹤電流輸出波形出現(xiàn)跟蹤失敗的結(jié)果,使得輸出波形品質(zhì)嚴(yán)重畸變,在實(shí)踐中一定要避免此現(xiàn)象的發(fā)生。圖9、圖10分別輸出電流的FFT結(jié)果,從圖中可以看出,增大直流側(cè)并聯(lián)電容器容值,可以增大基波含有量,減小電流諧波總畸變率(THD)。但是在并聯(lián)電容器容值增大到一定情況下,通過增大并聯(lián)電容容值來改善波形質(zhì)量效果不大。因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí),需要綜合考慮進(jìn)行折中選擇,才能使其達(dá)到最優(yōu)化。

圖5 并聯(lián)電容為100 μF直流側(cè)輸出電壓波形

圖6 并聯(lián)電容值為1 000 μF直流側(cè)輸出電壓波形

圖7 并聯(lián)電容為100 μF時(shí)的跟蹤電流輸出波形

圖8 并聯(lián)電容1 000 μF跟蹤電流輸出波形

5 結(jié)論

通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了直流電源中諧波對滯環(huán)控制電流跟蹤控制技術(shù)的性能影響,實(shí)驗(yàn)表明諧波使得滯環(huán)電流跟蹤控制技術(shù)性能下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成跟蹤失敗,輸出波形畸變嚴(yán)重,可能會(huì)對其他系統(tǒng)造成干擾甚至破壞。

圖9 并聯(lián)電容值為100 μF輸出電流波形FFT分析

圖10 并聯(lián)電容值為1 000 μF輸出電流波形FFT分析

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]李宋,葉滿園.隨機(jī)帶寬滯環(huán)電流控制技術(shù)[J].電力電子技術(shù),2010,44(9):72－73.

[3]Paul Scherz.夏建生,王仲奕,劉曉輝,等譯.實(shí)用電子元器件與電路基礎(chǔ)(第二版)[M].電子工業(yè)出版社,2009.