有源电力滤波器的自适应滞环电流跟踪策略

曹培培, 周凯杰

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

有源电力滤波器的自适应滞环电流跟踪策略

曹培培, 周凯杰

(淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

针对有源电力滤波器(APF)传统滞环电流跟踪方式逆变器的开关频率高且频率范围大的问题,提出了一种可变环宽的滞环电流跟踪控制策略．该策略根据系统开关频率、直流侧电压、主电路电感等参数动态的调节滞环比较器的环宽,不仅能够有效的降低开关频率和频率变化范围,而且在跟踪精度和动态性能上也比传统滞环比较法优越．通过MATLAB仿真表明,该策略的电流跟踪精度满足有源电力滤波器的要求．

有源电力滤波器; 滞环比较法; 电流跟踪; 自适应

0 引言

电力电子设备的大规模使用给人们生产生活带来便利的同时,也给电网注入了大量谐波,致使电网污染日益严重,目前有源电力滤波器(APF)是公认的治理谐波污染的有效手段之一[1]．有源电力滤波器(APF)不仅能够主动抑制谐波,而且能够对无功功率进行补偿,具有良好的动态性能,可以弥补传统无源滤波器补偿方法的不足．APF的原理是产生与谐波源谐波电流大小相同、相位相反的补偿电流,从而实现滤除谐波电流的目的．而产生的补偿电流必须能实时准确的跟踪指令电流的变化,目前APF中常用的电流跟踪控制方式主要有三角波比较方式和滞环电流比较方式．三角波比较方式采用固定的开关频率可以实现无静差跟踪,但由于是定频控制,因而误差较大;并且由于它采用三角载波,因而在输出波形中会存在载波分量[2]．滞环电流比较方式开关频率并不固定,且不需要载波,跟踪精度高,响应快,鲁棒性好,且在输出中不会存在载波分量．但是,由于在传统滞环电流比较方式中是采用固定的环宽H,由此带来的问题是:当电流偏差过大或偏差变化率过大时,环宽H小会使得 APF补偿能力不足或不能实时准确的跟踪指令电流;而当电流偏差过小或电流偏差变化率过小时,固定环宽H又会使得产生的补偿电流过大,导致APF滤波效果不好,尤其是在电流过零点和峰值的时候尤为明显[3]．

针对上述问题,本文提出了一种可变环宽的自适应滞环电流跟踪策略,该策略能够该策略根据系统开关频率、直流侧电压、主电路电感等参数动态的调节滞环比较器的环宽,从而有效的弥补传统固定环宽滞环比较策略的缺陷,并在此基础上利用matlab软件搭建仿真模型,对这两种策略进行仿真比较,验证所设计的可变环宽的自适应滞环电流跟踪策略的准确性和有效性．

1 自适应滞环电流跟踪方式数学建模

图1为并联型有源电力滤波器(SAPF)原理图．APF通过电压和电流传感器检测出负载侧电压、电流的补偿电流,从而达到抑制谐波的目的[1]．SAPF能否有效的抑制谐波与指令电流的跟踪精度密切相关,因此采取有效的电流跟踪策略就显得尤为重要．目前,滞环电流跟踪方式是采用的较为广泛且有效的一种电流跟踪策略,因此对其进行研究和分析就很有意义．

图1 并联型有源电力滤波器原理图 图2 A相滞环电流和电压PWM波形

图2为A相电流和电压PWM波形．滞环比较方式的基本原理使用指令电流与补偿电流的偏差作为滞环控制器的输入,而输出则为PWM脉冲信号,如果偏差超过滞环上限时,则主电路的上面开关管导通,下面关断;反之偏差低于滞环下限时,则上面关断,下面开关管导通．由此可知,这些半导体开关器件的开关频率是随着滞环控制器的输入即电流偏差信号变化而变化的,并不是固定的．因此针对传统滞环固定环宽控制器开关器件开关频率高且范围广的问题,建立如下数学模型[4-5]．

根据基尔霍夫电压定律,由图1可得:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

将式(2)、(4)和(5)联立可得:

(6)

2 自适应可变环宽滞环控制器的设计

传统滞环电流控制策略存在固定环宽所固有的问题,本文在前文对APF建模的基础上得到了环宽HB与直流侧电压、电源电压以及指令电流偏差之间的数学关系,可变环宽滞环控制结构图如图3所示．将指令电流与补偿电流之间的偏差信号送入滞环比较器后输出PWM脉冲信号,来驱动主电路产生所需的补偿电流．其中滞环比较器的滞环宽度由滞环宽度计算器得到,滞环宽度计算器输入分别是电源电压、直流侧电压以及指令电流偏差．本文利用matlab中simulink搭建仿真模型,滞环宽度计算器如图4所示．

图3 可变环宽滞环控制结构图

图4 滞环宽度计算器模块

3 仿真结果及其分析

针对以上分析,利用matlab软件对其进行仿真,对两种电流控制算法进行直观的比较．仿真模型中包括3个部分:三相对称电源、谐波负载以及SAPF．为了对两种算法进行对比,仿真中采取相同的参数,三相电源380V/50Hz,谐波负载三相可控硅整流桥,交流侧滤波电感8mh．

图5 可变环宽滞环电流控制器

利用MATLAB软件搭建的滞环电流可变宽控制器如图5所示,本文分别对两种电流跟踪算法(固定环宽滞环电流和可变环宽滞环电流)进行仿真. 两种算法对电流跟踪的图形如图6和图7所示．从图中不难看出,可变环宽滞环电流跟踪算法无论是在跟踪精度上,还是在响应速度上都要比固定环宽的滞环电流跟踪算法优越,而在指令电流比较大的时刻,效果尤为明显．

图6 可变环宽滞环电流跟踪图 图7 固定环宽滞环电流跟踪图

4 结论

本文针对固定环宽滞环电流跟踪算法的不足,对算法进行改进,提出了可变环宽的滞环电流跟踪策略,并将该算法应用到SAPF中,通过MATLAB软件进行仿真比较,从仿真结果中可以看出,该算法在跟踪精度、响应速度以及在降低开关频率上更具优势,验证了该算法的可行性和正确性．

[1] 郭自勇.有源电力滤波器检测与控制技术的研究与应用[D].长沙:湖南大学,2007.

[2] 周雪松, 周永兵, 马幼捷. 一种先进的APF补偿电流自适应谐波检测法[J]. 电力电子技术, 2008, 42(4): 9-11.

[3] 王大志, 葛帅, 李俊, 等. 有源电力滤波器锁相倍频电路的参数优化[J]. 电力电子技术, 2010, 44(12): 14-17.

[4] 黄志刚,蒋辉平. 并联混合型有源电力滤波器的模糊自适应PI控制[J]. 装备制造技术, 2008(1): 21-23.

[5] 曾江,叶晓军,刘艳. 低开关损耗有源电力滤波器的滞环电流控制[J]. 华南理工大学学报:自然科学版, 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, 江苏涟水人, 助教, 硕士, 研究方向为信号与信息处理．

TM711

A

1671-6876(2013)03-0218-04

[责任编辑蒋海龙]