有源電力濾波器直流側(cè)電壓優(yōu)化控制研究

徐 鋒，程漢湘，何紹洋

(1.浙江臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系，浙江 臺(tái)州318000;2.廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，廣東 廣州510006)

1 引言

有源電力濾波器(APF)是目前使用較為普遍的諧波及無功功率補(bǔ)償裝置，APF的補(bǔ)償性能取決于主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式。目前APF的主電路結(jié)構(gòu)比較成熟，且大多采用PWM變流器作為其主電路，因此有源電力濾波器的性能依賴于所采用的控制方法，在整個(gè)控制策略中，直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制是十分重要的環(huán)節(jié)。因此，對(duì)直流側(cè)電容電壓進(jìn)行控制，使其保持穩(wěn)定對(duì)APF的補(bǔ)償效果具有重要的意義。同時(shí)，有源電力濾波器(APF)是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，選擇合適的控制方式實(shí)現(xiàn)較好的控制特性是十分困難的，因?yàn)榭刂剖窃谥麟娐樊a(chǎn)生復(fù)雜時(shí)變的諧波和無功電流情況下同時(shí)進(jìn)行的。本文通過研究有源電力濾波器、電源、非線性負(fù)載之間能量交換的機(jī)理，提出直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的控制方法，使電壓波動(dòng)程度減小，有效降低了補(bǔ)償后系統(tǒng)電流諧波畸變率［1］。

2 有源濾波器直流側(cè)電壓波動(dòng)分析

有源電力濾波器系統(tǒng)中，負(fù)載的變化會(huì)引起負(fù)載有功電流的變化，直流側(cè)電壓控制不能立刻反應(yīng)，導(dǎo)致變流器吸收或釋放有功功率，引起直流側(cè)電壓波動(dòng)［2］。為使有源電力濾波器正常工作，達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償效果，直流側(cè)必須有足夠高的電容電壓并保持穩(wěn)定，以保證在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜魏嗡查g能根據(jù)控制要求輸出所需的補(bǔ)償電流。但由于補(bǔ)償電流的時(shí)變性和變流器的自身損耗，IGBT器件開關(guān)損耗，也會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動(dòng)。如不采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧绷鱾?cè)電容電壓將發(fā)生衰減或很大的波動(dòng)，造成變流器不能正常運(yùn)行。

實(shí)驗(yàn)可以看出直流側(cè)電壓波動(dòng)微小，電壓看似平穩(wěn)，如圖1(a)所示，但是會(huì)隨著電網(wǎng)周期電壓起伏呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。電壓一直處于動(dòng)態(tài)調(diào)整之中，并在5～15V的范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖1(b)所示。

圖1 APF空載運(yùn)行直流側(cè)電壓波形Fig.1 DC-link voltage waveform of APF unloaded operation

圖1中，電壓探頭比例為1∶500，兩圖刻度分別為縱軸1格1V對(duì)應(yīng)500V，1格10mV對(duì)應(yīng)5V，電壓波動(dòng)峰峰值約為15V，波動(dòng)周期為20ms(電網(wǎng)工頻周期)。電壓波動(dòng)為直流側(cè)電容隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)充放電所致，必定伴隨電容充放電電流。這些電流為電網(wǎng)電流注入了毫無規(guī)則的諧波，對(duì)補(bǔ)償極為不利。從實(shí)驗(yàn)觀察可知，直流側(cè)電壓會(huì)發(fā)生周期性的波動(dòng)，雖然波動(dòng)很微小，但是其造成的過補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償能夠給系統(tǒng)補(bǔ)償精度帶來巨大影響。保證直流側(cè)電壓穩(wěn)定度，是提高APF跟蹤性能的重要環(huán)節(jié)。

空載運(yùn)行時(shí)，采樣電流輸入端為零，相對(duì)于工頻周期，PWM占空比為50%，相對(duì)于采樣周期，PWM占空比只有兩個(gè)值，0和100%，如圖2(a)所示。這是在空載運(yùn)行且直流側(cè)電壓完全恒定時(shí)的理想情況。把這些PWM脈沖上升沿放大發(fā)現(xiàn)，其上升和下降沿存在一串連續(xù)的抖動(dòng)脈沖，這些抖動(dòng)脈沖是在模塊開斷時(shí)電流交換導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動(dòng)，直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)整電壓波動(dòng)過程中產(chǎn)生的，如圖2(b)所示。在占空比從0～100%轉(zhuǎn)換之間有一過渡過程，若干采樣周期內(nèi)，PWM占空比從0逐漸增大到100%，表現(xiàn)一系列過渡抖動(dòng)。細(xì)微波動(dòng)過渡時(shí)間反映電壓控制響應(yīng)時(shí)間，PWM脈沖過渡抖動(dòng)時(shí)間偏長，則補(bǔ)償效果變差。

圖2 APF空載運(yùn)行PWM輸出波形Fig.2 PWM waveforms of APF unloaded operation

因此，可以通過PWM脈沖的上升下降沿過渡時(shí)間來研究直流側(cè)電壓波動(dòng)，如果脈沖抖動(dòng)越少，過渡時(shí)間越短，直流側(cè)電壓越穩(wěn)定，說明直流電壓控制效果越好，對(duì)系統(tǒng)諧波補(bǔ)償更有利。直流側(cè)電壓波動(dòng)對(duì)補(bǔ)償效果有影響。

3 直流側(cè)電壓波動(dòng)對(duì)補(bǔ)償效果的影響

在APF試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電壓波動(dòng)對(duì)補(bǔ)償效果有極其關(guān)鍵的影響［3］。解決此關(guān)鍵問題可采用 PI控制器將直流側(cè)電容電壓維持在要求的水平，具體做法是將電容電壓與設(shè)定的電壓參考值進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果送入PI控制器，PI控制器的輸出就是電源側(cè)電流期望的幅值，也即負(fù)載側(cè)電流基波有功分量的幅值。直流側(cè)電壓控制方式采用PI控制方式下，補(bǔ)償后電流波形如圖3所示，補(bǔ)償后電網(wǎng)電流波形有很多毛刺，特別是在負(fù)載電流突變的時(shí)刻，有許多尖峰。這些尖峰一方面是系統(tǒng)延時(shí)所致，另一方面即因電流突變時(shí)引起電壓波動(dòng)所致。

圖3 PI控制直流側(cè)電壓補(bǔ)償后電流圖Fig.3 System current after compensation of PI control DC-link voltages

根據(jù)瞬時(shí)能量守恒控制理論分析如下［4］:在并聯(lián)型APF中，直流側(cè)電容用于為逆變器主電路提供穩(wěn)定的直流電壓。瞬時(shí)有功功率關(guān)系如圖4所示。Ps為電網(wǎng)中電源傳輸?shù)乃矔r(shí)有功功率，Pl為負(fù)載側(cè)傳輸?shù)乃矔r(shí)有功功率，Pc為APF傳輸?shù)挠泄β?，三者滿足關(guān)系 Ps=Pl－Pc，其平均值之間同樣滿足=－，忽略APF損耗，根據(jù)瞬時(shí)能量守恒，可得

由式(1)可得APF傳輸?shù)乃矔r(shí)有功功率的平均值 Pc，為一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)直流電容電壓變化值的平方差，即

由式(2)和有功功率滿足的三者關(guān)系可得

設(shè)Us、Is分別為系統(tǒng)相電壓、相電流的幅值，電源平均功率為=UsIs/2，則有:

由式(4)與式(5)表明，Is與直流側(cè)電容電壓Udc在一個(gè)周期內(nèi)的平方差成線性關(guān)系。直流側(cè)電壓波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電流變化，給系統(tǒng)輸入諧波，影響諧波補(bǔ)償效果。

4 優(yōu)化控制設(shè)計(jì)及補(bǔ)償效果

圖4 并聯(lián)型有源電力濾波器能量關(guān)系圖Fig.4 Energy exchange relations of shunt APF

直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)，一般通過檢測到的直流電壓與給定電壓的偏差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過瞬時(shí)有功電流直流分量反饋調(diào)節(jié)，使直流側(cè)電壓保持恒定，如圖5(a)所示。PI算法簡單，可靠性好，但是其依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性差，適用于穩(wěn)態(tài)情況。模糊控制不依賴于精確的系統(tǒng)模型，可以克服系統(tǒng)非線性影響，魯棒性強(qiáng)。模糊控制可以彌補(bǔ)單純PI調(diào)節(jié)的不足。模糊控制中，控制輸出量的大小由ΔUdc的大小、正負(fù)情況決定。模糊控制規(guī)則中，當(dāng)Udc遠(yuǎn)小于時(shí)，大大增加控制量;當(dāng) Udc遠(yuǎn)大于時(shí)，大大減小控制量;當(dāng) Udc與正負(fù)偏差不大時(shí)，根據(jù)變化趨勢來確定控制量［5］。

根據(jù)模糊控制規(guī)則，檢測量Udc與給定量U*dc得出偏差，偏差值與輸出量不是呈線性的增大或減小，而是呈非線性的。根據(jù)這一原則，采用一種優(yōu)化控制方式來替代模糊控制，基本實(shí)現(xiàn)模糊控制的功能，又可以使程序代碼精簡，節(jié)約程序運(yùn)行時(shí)間，從而減小系統(tǒng)延時(shí)。優(yōu)化控制方法簡述為:取電壓偏差的平方，且保留偏差正負(fù)號(hào)，把帶正負(fù)號(hào)的電壓偏差平方值作為控制量，再進(jìn)行PI調(diào)節(jié)輸出控制量。這樣就可以使電壓偏差量與控制輸出量呈非線性關(guān)系，偏差大時(shí)將控制量放大，偏差小時(shí)將控制量縮小，如圖5(b)所示。

圖5 兩種直流側(cè)電壓控制方法流程圖Fig.5 Two DC-link voltage control process

根據(jù)上述優(yōu)化控制方式，進(jìn)行直流側(cè)電壓控制，控制前后直流側(cè)電壓波動(dòng)情況如圖6所示。圖中電壓值為750V，示波器2.5V/格，優(yōu)化控制后直流側(cè)電壓波動(dòng)情況有明顯改善。

圖6 兩種電壓控制方法下電壓波形細(xì)節(jié)圖Fig.6 DC-link voltage waveforms details in two control methods

通過APF空載電流試驗(yàn)，直流側(cè)電壓在普通PI控制和優(yōu)化控制方式下，PWM脈沖邊沿抖動(dòng)對(duì)比如圖7所示。

圖7 PWM脈沖過渡邊沿對(duì)比Fig.7 PWM pulse transition edge contrast

從圖7可知，在IGBT開通關(guān)斷時(shí)刻，抖動(dòng)脈沖的個(gè)數(shù)明顯減少，反映出直流側(cè)電壓能夠迅速跟蹤保持恒定，電壓調(diào)整過渡時(shí)間縮短。通過APF諧波補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化控制直流側(cè)電壓與普通PI控制方式兩種情況下，補(bǔ)償后系統(tǒng)電流波形如圖8(a)所示，通過示波器泰克軟件FFT頻譜分析，大部分諧波含量大幅度減小，計(jì)算50次以內(nèi)諧波，總諧波畸變率(THD)從7.72%下降至5.51%，如圖8(b)所示。

圖8 優(yōu)化控制后的效果圖Fig.8 Effect after optimization control

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)觀察直流側(cè)電壓的細(xì)微波動(dòng)和空載時(shí)PWM脈沖邊沿抖動(dòng)，兩方面都可以作為衡量直流側(cè)電壓穩(wěn)定的依據(jù)。直觀反映出直流側(cè)電壓波動(dòng)對(duì)補(bǔ)償效果的影響，并通過理論分析工頻周期內(nèi)電壓波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電流的影響。通過類似于模糊控制的優(yōu)化控制方式，減小直流側(cè)電壓波動(dòng)而且減少了PWM脈沖抖動(dòng)次數(shù)，取得了比較理想的補(bǔ)償效果。

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