有源電力濾波器的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略

曹培培, 周凱杰

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

有源電力濾波器的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略

曹培培, 周凱杰

(淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

針對(duì)有源電力濾波器(APF)傳統(tǒng)滯環(huán)電流跟蹤方式逆變器的開關(guān)頻率高且頻率范圍大的問題,提出了一種可變環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤控制策略．該策略根據(jù)系統(tǒng)開關(guān)頻率、直流側(cè)電壓、主電路電感等參數(shù)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)滯環(huán)比較器的環(huán)寬,不僅能夠有效的降低開關(guān)頻率和頻率變化范圍,而且在跟蹤精度和動(dòng)態(tài)性能上也比傳統(tǒng)滯環(huán)比較法優(yōu)越．通過MATLAB仿真表明,該策略的電流跟蹤精度滿足有源電力濾波器的要求．

有源電力濾波器; 滯環(huán)比較法; 電流跟蹤; 自適應(yīng)

0 引言

電力電子設(shè)備的大規(guī)模使用給人們生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí),也給電網(wǎng)注入了大量諧波,致使電網(wǎng)污染日益嚴(yán)重,目前有源電力濾波器(APF)是公認(rèn)的治理諧波污染的有效手段之一[1]．有源電力濾波器(APF)不僅能夠主動(dòng)抑制諧波,而且能夠?qū)o功功率進(jìn)行補(bǔ)償,具有良好的動(dòng)態(tài)性能,可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)無源濾波器補(bǔ)償方法的不足．APF的原理是產(chǎn)生與諧波源諧波電流大小相同、相位相反的補(bǔ)償電流,從而實(shí)現(xiàn)濾除諧波電流的目的．而產(chǎn)生的補(bǔ)償電流必須能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的跟蹤指令電流的變化,目前APF中常用的電流跟蹤控制方式主要有三角波比較方式和滯環(huán)電流比較方式．三角波比較方式采用固定的開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤,但由于是定頻控制,因而誤差較大;并且由于它采用三角載波,因而在輸出波形中會(huì)存在載波分量[2]．滯環(huán)電流比較方式開關(guān)頻率并不固定,且不需要載波,跟蹤精度高,響應(yīng)快,魯棒性好,且在輸出中不會(huì)存在載波分量．但是,由于在傳統(tǒng)滯環(huán)電流比較方式中是采用固定的環(huán)寬H,由此帶來的問題是:當(dāng)電流偏差過大或偏差變化率過大時(shí),環(huán)寬H小會(huì)使得 APF補(bǔ)償能力不足或不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的跟蹤指令電流;而當(dāng)電流偏差過小或電流偏差變化率過小時(shí),固定環(huán)寬H又會(huì)使得產(chǎn)生的補(bǔ)償電流過大,導(dǎo)致APF濾波效果不好,尤其是在電流過零點(diǎn)和峰值的時(shí)候尤為明顯[3]．

針對(duì)上述問題,本文提出了一種可變環(huán)寬的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略,該策略能夠該策略根據(jù)系統(tǒng)開關(guān)頻率、直流側(cè)電壓、主電路電感等參數(shù)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)滯環(huán)比較器的環(huán)寬,從而有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)固定環(huán)寬滯環(huán)比較策略的缺陷,并在此基礎(chǔ)上利用matlab軟件搭建仿真模型,對(duì)這兩種策略進(jìn)行仿真比較,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的可變環(huán)寬的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略的準(zhǔn)確性和有效性．

1 自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤方式數(shù)學(xué)建模

圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器(SAPF)原理圖．APF通過電壓和電流傳感器檢測(cè)出負(fù)載側(cè)電壓、電流的補(bǔ)償電流,從而達(dá)到抑制諧波的目的[1]．SAPF能否有效的抑制諧波與指令電流的跟蹤精度密切相關(guān),因此采取有效的電流跟蹤策略就顯得尤為重要．目前,滯環(huán)電流跟蹤方式是采用的較為廣泛且有效的一種電流跟蹤策略,因此對(duì)其進(jìn)行研究和分析就很有意義．

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖 圖2 A相滯環(huán)電流和電壓PWM波形

圖2為A相電流和電壓PWM波形．滯環(huán)比較方式的基本原理使用指令電流與補(bǔ)償電流的偏差作為滯環(huán)控制器的輸入,而輸出則為PWM脈沖信號(hào),如果偏差超過滯環(huán)上限時(shí),則主電路的上面開關(guān)管導(dǎo)通,下面關(guān)斷;反之偏差低于滯環(huán)下限時(shí),則上面關(guān)斷,下面開關(guān)管導(dǎo)通．由此可知,這些半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率是隨著滯環(huán)控制器的輸入即電流偏差信號(hào)變化而變化的,并不是固定的．因此針對(duì)傳統(tǒng)滯環(huán)固定環(huán)寬控制器開關(guān)器件開關(guān)頻率高且范圍廣的問題,建立如下數(shù)學(xué)模型[4-5]．

根據(jù)基爾霍夫電壓定律,由圖1可得:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

將式(2)、(4)和(5)聯(lián)立可得:

(6)

2 自適應(yīng)可變環(huán)寬滯環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制策略存在固定環(huán)寬所固有的問題,本文在前文對(duì)APF建模的基礎(chǔ)上得到了環(huán)寬HB與直流側(cè)電壓、電源電壓以及指令電流偏差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,可變環(huán)寬滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示．將指令電流與補(bǔ)償電流之間的偏差信號(hào)送入滯環(huán)比較器后輸出PWM脈沖信號(hào),來驅(qū)動(dòng)主電路產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流．其中滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度由滯環(huán)寬度計(jì)算器得到,滯環(huán)寬度計(jì)算器輸入分別是電源電壓、直流側(cè)電壓以及指令電流偏差．本文利用matlab中simulink搭建仿真模型,滯環(huán)寬度計(jì)算器如圖4所示．

圖3 可變環(huán)寬滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖4 滯環(huán)寬度計(jì)算器模塊

3 仿真結(jié)果及其分析

針對(duì)以上分析,利用matlab軟件對(duì)其進(jìn)行仿真,對(duì)兩種電流控制算法進(jìn)行直觀的比較．仿真模型中包括3個(gè)部分:三相對(duì)稱電源、諧波負(fù)載以及SAPF．為了對(duì)兩種算法進(jìn)行對(duì)比,仿真中采取相同的參數(shù),三相電源380V/50Hz,諧波負(fù)載三相可控硅整流橋,交流側(cè)濾波電感8mh．

圖5 可變環(huán)寬滯環(huán)電流控制器

利用MATLAB軟件搭建的滯環(huán)電流可變寬控制器如圖5所示,本文分別對(duì)兩種電流跟蹤算法(固定環(huán)寬滯環(huán)電流和可變環(huán)寬滯環(huán)電流)進(jìn)行仿真. 兩種算法對(duì)電流跟蹤的圖形如圖6和圖7所示．從圖中不難看出,可變環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤算法無論是在跟蹤精度上,還是在響應(yīng)速度上都要比固定環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤算法優(yōu)越,而在指令電流比較大的時(shí)刻,效果尤為明顯．

圖6 可變環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤圖 圖7 固定環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)固定環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤算法的不足,對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn),提出了可變環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤策略,并將該算法應(yīng)用到SAPF中,通過MATLAB軟件進(jìn)行仿真比較,從仿真結(jié)果中可以看出,該算法在跟蹤精度、響應(yīng)速度以及在降低開關(guān)頻率上更具優(yōu)勢(shì),驗(yàn)證了該算法的可行性和正確性．

[1] 郭自勇.有源電力濾波器檢測(cè)與控制技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2007.

[2] 周雪松, 周永兵, 馬幼捷. 一種先進(jìn)的APF補(bǔ)償電流自適應(yīng)諧波檢測(cè)法[J]. 電力電子技術(shù), 2008, 42(4): 9-11.

[3] 王大志, 葛帥, 李俊, 等. 有源電力濾波器鎖相倍頻電路的參數(shù)優(yōu)化[J]. 電力電子技術(shù), 2010, 44(12): 14-17.

[4] 黃志剛,蔣輝平. 并聯(lián)混合型有源電力濾波器的模糊自適應(yīng)PI控制[J]. 裝備制造技術(shù), 2008(1): 21-23.

[5] 曾江,葉曉軍,劉艷. 低開關(guān)損耗有源電力濾波器的滯環(huán)電流控制[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2009:37(11):76-82.

ADaptiveHysteresisBandCurrenttrackingStrategyforActivePowerFilter

CAO Pei-pei, ZHOU Kai-jie

(College of Physics and Electronic Electrical engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)

active power filters (APF); hysteresis; current tracking; adaptive

2013-05-20

曹培培(1986-), 女, 江蘇漣水人, 助教, 碩士, 研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理．

TM711

A

1671-6876(2013)03-0218-04

[責(zé)任編輯蔣海龍]