一種新型諧波電流雙閉環(huán)控制策略

張雪珍, 王少杰 王文華

(邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng) 422000)

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一種新型諧波電流雙閉環(huán)控制策略

張雪珍, 王少杰 王文華

(邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng) 422000)

針對(duì)有源電力濾波器負(fù)載諧波電流的控制，考慮到逆變器開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)性能差和電流檢測(cè)所帶來(lái)的一些誤差，可能導(dǎo)致逆變器的輸出電流發(fā)生過(guò)電流而損壞功率器件。在分析注入式混合有源濾波器的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)諧波電流單閉環(huán)控制增加一個(gè)電流負(fù)反饋來(lái)控制逆變器的輸出電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的雙閉環(huán)控制。保證了逆變器安全可靠運(yùn)行，提高了整個(gè)系統(tǒng)的抗擾性能以及對(duì)給定參考諧波電流的跟隨性能，仿真結(jié)果驗(yàn)證了諧波電流雙閉環(huán)控制的可行性與優(yōu)越性。

諧波電流；逆變器；混合有源濾波器；負(fù)反饋；雙閉環(huán)控制

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備日益廣泛的應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)和民用領(lǐng)域，使得非線(xiàn)性負(fù)荷大量增加，造成電網(wǎng)面臨嚴(yán)重的諧波污染[1-2]。電網(wǎng)中存在大量的諧波，一方面會(huì)使線(xiàn)路損耗增大，降低電能質(zhì)量，使功率因素降低，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，電網(wǎng)中的諧波還會(huì)對(duì)鄰近的通信信號(hào)產(chǎn)生電磁干擾，影響一定范圍的通話(huà)質(zhì)量，甚至在極端情況下，威脅通信設(shè)備和人員的安全[3]。

由于電網(wǎng)中諧波的存在給供電部門(mén)和用戶(hù)都造成了極大的危害和損失。因此，國(guó)家對(duì)諧波的治理制定了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)雖然在80年代末才開(kāi)始研究諧波治理技術(shù)，但進(jìn)展較快，目前在理論、技術(shù)與工程應(yīng)用方面取得了豐富的研究成果與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。如西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、湖南大學(xué)、西安賽博、上海思源、株洲國(guó)變中心、長(zhǎng)沙博立電氣等大學(xué)和企業(yè)在有源濾波理論和應(yīng)用方面做出了杰出的貢獻(xiàn)。在學(xué)者們的研究基礎(chǔ)上，我們總結(jié)了許多提高功率因素與諧波治理的方法[4-5]，如：通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償屏提高功率因素、采用消諧濾波補(bǔ)償裝置、無(wú)源濾波器、有源濾波器等等。目前，如何對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行優(yōu)化治理仍是學(xué)者們競(jìng)相研究的熱門(mén)課題。

本文針對(duì)注入式混合有源濾波器(Injection Hybrid Active Power Filter, 簡(jiǎn)稱(chēng)IHAPF)提出了一種新型諧波電流雙閉環(huán)控制策略。利用廣義積分控制器[6]137-146對(duì)注入支路輸出電流實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制，但是由于廣義積分器常用于只考慮有限的幾次諧波的情況，而對(duì)于諧波頻率過(guò)多的情況實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較繁瑣，進(jìn)行仿真的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖也比較復(fù)雜。因此，本論文采用遞推積分PI控制器，同樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的無(wú)差控制，且其傳遞函數(shù)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，仿真易于實(shí)現(xiàn)。該控制策略大大減小了基波電流流入逆變器時(shí)輸出電流的增益并且能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能。

1 注入式混合有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 IHAPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 低壓側(cè)折算至高壓側(cè)的單相等效電路圖

圖3 簡(jiǎn)化后的等效電路圖

注入式混合有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)有源濾波器系統(tǒng)由供電和傳輸線(xiàn)路、非線(xiàn)性負(fù)載、注入支路、耦合變壓器、輸出濾波器及電壓型逆變器組成[6]80-115。從圖1可以看出，注入支路的電容C1和電感L1構(gòu)成基波串聯(lián)諧振電路，目的是使得很少的基波電流流入耦合變壓器和逆變器，大大減小逆變器的容量?；ù?lián)諧振電路電容CS(即注入電容)一方面補(bǔ)償電網(wǎng)基波無(wú)功，另一方面盡量使有源濾波器的輸出電流注入到電網(wǎng)以治理電網(wǎng)諧波。為便于下文的分析，輸出濾波器(Output Filter, 簡(jiǎn)稱(chēng)OF)采用簡(jiǎn)單的L型，用于濾除逆變器功率器件的開(kāi)斷所帶來(lái)的高頻毛刺。直流側(cè)電容和電壓型逆變器構(gòu)成有源部分，用于改善整個(gè)濾波系統(tǒng)的濾波性能和濾波效果，抑制無(wú)源濾波器和電網(wǎng)電感形成的串并聯(lián)諧振，彌補(bǔ)無(wú)源電力濾波器存在的缺陷和不足[7-8]。

在對(duì)注入式混合有源電力濾波器進(jìn)行建模時(shí)，將有源濾波器輸出看成諧波電壓源，將非線(xiàn)性負(fù)載看成諧波電流源，將逆變器看成受控電壓源，從而可以得到系統(tǒng)從低壓側(cè)折算至高壓側(cè)的單相等效電路圖(如圖2所示)。

由于本論文所討論的諧波電流主要為負(fù)載電流，因此可將圖2進(jìn)行簡(jiǎn)化，在這里假設(shè)電網(wǎng)電壓輸入為正弦波，其諧波忽略不計(jì)。這樣由逆變器輸出的諧波電流經(jīng)注入支路與非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流相互抵消。可得簡(jiǎn)化后的等效電路圖如圖3所示。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律與基爾霍夫電流定律能得到如下方程：

(1)

(2)

I0(S)=I1(S)+IFh(S)

(3)

UF(S)=I0(s)L0+U1(S)

(4)

IFh(S)=-ILh(S)

(5)

2 注入式混合有源濾波器控制方法

有源濾波器相對(duì)于無(wú)源濾波器而言是一種動(dòng)態(tài)的、靈活的諧波治理手段[9-10]。而有源濾波器的這些優(yōu)良性能的實(shí)現(xiàn)在很大程度上依賴(lài)于對(duì)PWM逆變器的控制上。因此，采取一定的控制策略對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)模式進(jìn)行控制，使逆變器輸出的諧波電流能較好的跟蹤給定的參考諧波電流以消除諧波，達(dá)到諧波治理的目的，是有源濾波器研究的關(guān)鍵[11-12]。

根據(jù)圖1，可畫(huà)出傳統(tǒng)的IHAPF單閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由公式(1)至(5)，可以畫(huà)出IHAPF單閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(如圖5所示)。

圖5 IHAPF單閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖6 逆變器輸出電流I0波形

圖7 注入支路電流IF波形

對(duì)傳統(tǒng)的IHAPF單閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB/Simulink[13-15]仿真，仿真所取參數(shù)為：CS=100 μF,C1=400 μF,L1=25.33 mH,L0=0.25 mH。由于在進(jìn)行諧波電流檢測(cè)時(shí)存在的一些檢測(cè)誤差，因此，諧波檢測(cè)裝置不可能完全濾除基波電流，這樣便使得作為參考的諧波電流中帶有很小一部分的基波電流[11]。這個(gè)很小的基波電流經(jīng)逆變器可能產(chǎn)生很大的輸出電流I0，而這個(gè)輸出電流I0絕大部分流入基波串聯(lián)諧振電路，因此在注入電流IF中幾乎檢測(cè)不到這個(gè)很大的逆變器輸出電流，也不可能經(jīng)反饋環(huán)節(jié)加以抑制。例如：當(dāng)有幅值為0.1 A，相位為零的基波電流流入逆變器時(shí)，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。從仿真圖可以看出逆變器的輸出電流I0會(huì)有很大的增益，其增益約為1 000倍，而注入支路電流IF增益不大，約為25倍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 000。逆變器輸出電流過(guò)大會(huì)燒毀功率器件，因此，需對(duì)逆變器的輸出電流加以限制。根據(jù)自動(dòng)控制原理，要維持被調(diào)量很少變化或基本不變，通常的思路是將被調(diào)量作為反饋量引入系統(tǒng)。而本文將逆變器的輸出電流作為反饋量引入系統(tǒng)，與之前的單閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3 新型雙閉環(huán)控制策略及仿真

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。其中內(nèi)環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，而對(duì)于外環(huán)，由于被控制量為正弦量，用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。本文采用一種基于遞推積分的PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的誤差控制，從而達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)跟隨性能與魯棒控制性能。

圖8 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖9 逆變器輸出電流I0波形

假設(shè)流入逆變器的基波電流幅值仍為0.1 A，相位為零，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)其增益為6遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于采用單閉環(huán)控制的輸出電流1 000。仿真結(jié)果如圖9所示。

對(duì)于采用遞推積分PI調(diào)節(jié)器[8]控制的外環(huán)，研究其對(duì)于給定參考諧波電流信號(hào)的跟隨作用。傳統(tǒng)PI算法的離散形式如式(6)所示，式中u(K)為K時(shí)刻的控制器的輸出，e(K)為K時(shí)刻的誤差采樣值，KP、KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)。這種離散形式PI算法是對(duì)誤差進(jìn)行逐點(diǎn)積分[6]137-146。

(6)

遞推積分PI算法如式(7)所示，式中u(K)為K時(shí)刻的控制器的輸出，e(K)為K時(shí)刻的誤差采樣值，N為一個(gè)周期內(nèi)的采樣數(shù)，KP、KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)，C為K/N取整。這種算法相當(dāng)于對(duì)誤差逐周期積分。

(7)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，可利用u(K)的增量形式進(jìn)行計(jì)算。在K-N時(shí)刻，式(7)可改寫(xiě)為：

(8)

將式(7)減去式(8)得：

△u(K)=KP·e(K)-KP·e(K-N)+KI·e(K)

(9)

也可表示成:

u(K)=u(K-N)+KP·e(K)-KP·e(K-N)+KI·e(K)

(10)

將上式寫(xiě)成s域的傳遞函數(shù)為，

(11)

式中T為采樣時(shí)間間隔，NT=20 ms。從上式可以看出，遞推積分PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)包含了參考信號(hào)的周期信息，但是傳統(tǒng)的PI 調(diào)節(jié)器不包含這些信息。

圖10 參考諧波電流波形

圖11 注入支路輸出電流波形

為了驗(yàn)證遞推積分PI調(diào)節(jié)器具有較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能和控制精度，當(dāng)給定的參考諧波信號(hào)分別為：2次諧波幅值58 A，3次諧波幅值為40 A，5次諧波幅值20 A,7次諧波幅值11 A，相位均為零時(shí)。取遞推積分PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：KP=20,KI=200，觀察給定參考諧波電流與注入支路輸出電流波形，如圖10，圖11所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

從逆變器輸出電流對(duì)于基波增益過(guò)大和采用單閉環(huán)控制時(shí)諧波注入電流對(duì)檢測(cè)電路中給定的參考電流動(dòng)態(tài)跟隨性能不理想這兩個(gè)問(wèn)題對(duì)注入式混合有源電力濾波器進(jìn)行分析。以逆變器的輸出電流作為反饋量引入系統(tǒng)，大大減小了基波電流的增益；用遞推積分PI調(diào)節(jié)器取代傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，獲得了較好的動(dòng)態(tài)跟隨性能。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，表明基于遞推積分PI控制算法的諧波電流雙閉環(huán)控制策略具有一定的優(yōu)越性與可行性。

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A Novel Control Strategy of Double Closed Loop for Harmonic Current

Zhang Xuezhen, Wang Shaojie, Wang Wenhua

(Shaoyang University Department of mechanical and energy engineering, Shaoyang Hunan 422000, China)

Aiming at the control of harmonic current of the load, in consideration of the bad dynamic performance of inverter with open-loop operation and some error caused by current detection, may cause the output current of the inverter accessed and then damage power devices. This paper based on the foundation of traditional single closed-loop control increase a current negative feedback to control output current of the inverter, in order to achieve the double-closed loop control of harmonic current. The method ensures the safe and reliable operation of the inverter, improving immunity performance of the entire system as well as the follow performance of a given reference harmonic current. Simulation results show the feasibility and superiority of harmonic current double closed-loop control.

harmonic current; inverter; hybrid active power filter; negative feedback; double closed-loop control

湖南省教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目(13A089)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年科研項(xiàng)目(12B116)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.008

TM712

A

1000-3886(2016)04-0024-03

張雪珍(1990-)，女，湖南邵陽(yáng)人，研究生，從事高電能質(zhì)量輸配電技術(shù)研究。 王少杰 (1974-)，男，博士，副教授，研究生導(dǎo)師，從事高電能質(zhì)量輸配電技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-01-18