基于PI控制的有源濾波器中的研究*

李正明,唐　靜

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)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(xué)電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

摘要:提出了基于并聯(lián)型三相三線制有源濾波器的優(yōu)化設(shè)計的PI控制方法,該方法的優(yōu)點是對檢測到電流誤差信號為控制對象,用滯環(huán)比較器構(gòu)成區(qū)域判別器,在此基礎(chǔ)上實行滯環(huán)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(guān)頻率,減小有源濾波器開關(guān)損耗。計算機仿真結(jié)果驗證了這一方法的有效性。

關(guān)鍵詞:有源濾波器;滯環(huán)電流控制;PI控制;MATLAB/Simulink仿真;d-p旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

近年來,隨著電力系統(tǒng)中各類非線性負(fù)荷的大量投入,電能質(zhì)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(huán)電流控制方法[4-5];重復(fù)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(lián)型有源電力濾波器的一種優(yōu)化設(shè)計的PI控制的方法,即在d-p旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下建立有源濾波器的模型,在d-p軸上分別對電流進(jìn)行PI控制的控制方法,并對相應(yīng)的有源濾波器系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行實時補償。

1　APF電路結(jié)構(gòu)和工作原理

三相三線制并聯(lián)型有源濾波器的系統(tǒng)運行,電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　并聯(lián)型APF的電路結(jié)構(gòu)

在電路結(jié)構(gòu)圖中,右側(cè)上方的非線性負(fù)載—三相不控整流橋用于產(chǎn)生各次諧波,右側(cè)下方的PWM電路用于產(chǎn)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(jìn)行的一種改進(jìn)方法。其優(yōu)點是它并不需要檢測出三相系統(tǒng)側(cè)電網(wǎng)電壓,因而可以在電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時也能準(zhǔn)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(huán)電流控制

滯環(huán)電流控制(HysteresisCurrentControl)應(yīng)用比較廣泛,其實質(zhì),就是一種原理簡單的Bang-Bang控制。系統(tǒng)將逆變器的實際輸出電流值與系統(tǒng)的補償電流參考值做差,這個差值作為滯環(huán)比較器輸入信號,滯環(huán)比較器將會依據(jù)逆變器的實際輸出電流值與系統(tǒng)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(guān)管導(dǎo)通與關(guān)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(dá)到預(yù)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(zhǔn),選取一個寬度適當(dāng)?shù)臏h(huán)帶,當(dāng)實際的補償電流的大小超出滯環(huán)帶的區(qū)域時,系統(tǒng)為了維持實際補償電流在滯環(huán)帶的區(qū)域中,就會利用控制策略控制逆變器開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷,控制的最終結(jié)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(huán)電流控制法中,起著決定性的作用是滯環(huán)寬度,它影響著系統(tǒng)的開關(guān)頻率、控制精度以及系統(tǒng)的損耗。想要提高系統(tǒng)控制的精度,就要減小滯環(huán)的寬度,但與此同時系統(tǒng)的開關(guān)頻率也增大,開關(guān)損耗也隨之加大,因此就要在控制精度以及開關(guān)損耗兩者之中找到一個最好的平衡點。

滯環(huán)電流控制具有以下優(yōu)點:控制算法簡單;系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快、魯棒性好;當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載的變化時,系統(tǒng)仍有很強的適應(yīng)能力。

滯環(huán)控制器的具體仿真圖如圖4所示。

圖4　滯環(huán)控制器仿真圖

4　PI控制

4.1d-p旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下有源濾波器的模型

(1)

由式(1),可以得出:

(2)

對上式進(jìn)行clark和park變換后得出:

(3)

式(3)是有源濾波器在d-p旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(jìn)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(tài)反饋交叉解耦法抵消電流控制回路耦合的影響,具體設(shè)計的控制器的形式如圖5所示。

圖5　旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PI控制

5　仿真結(jié)果及分析

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

在MATLAB/Simulink環(huán)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(jìn)行觀察和記錄,仿真結(jié)果如下:(以下的圖7(a)表示滯環(huán)控制的仿真圖,圖7(b)表示滯環(huán)控制和PI控制共同作用的仿真圖)。

圖7　A相負(fù)載電流

圖8　負(fù)載諧波電流波形圖

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

圖9為系統(tǒng)的諧波畸變率圖。從圖可以看出,滯環(huán)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(tǒng)中的諧波得到很好的控制。

圖10、圖11為非線性負(fù)載的頻譜分析。從圖中可以看出,滯環(huán)控制時,其諧波畸變率(THD)從13.11%降低到了4.53%,再經(jīng)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(jié)合具有良好的濾波效果,系統(tǒng)的穩(wěn)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(jié)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(jìn)行PI控制的控制,其積分環(huán)節(jié)的控制器能夠使系統(tǒng)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(chǎn)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(xiàn)。仿真及后續(xù)實驗結(jié)果證明其可行性及良好的暫穩(wěn)態(tài)補償性能。實驗結(jié)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(xiàn):

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李正明(1958-),男,漢族,江蘇沭陽人,現(xiàn)任電氣信息工程學(xué)院副院長、教授、博士生導(dǎo)師,主要從事智能電網(wǎng)與電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控,工業(yè)控制計算機網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用,現(xiàn)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(xiàn)為江蘇大學(xué)碩士研究生,研究方向為電能質(zhì)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(xiàn)標(biāo)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(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項目(蘇政辦發(fā)[2011]6號)