无变压器串联电压质量调节器的复合控制

无变压器串联电压质量调节器的复合控制AnalysisofTransformerlessVoltageQualityRegulatorwithcompoundControl胡志亮肖国春刘莉王兆安西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049Tel/Fax:(86+29)82665223,e-mail:[e-mail]摘要：无变压器串联电压质量调节器是一种用来解决多种电压质量问题的新型装置。为了提高其性能，本文提出了双闭环（负载电压外环、电感电流内环）加负载电流前馈的复合控制方法。文章详细分析了有无负载电流前馈时此串联电压质量调节器的性能。通过比较分析，可以看出本文提出的控制方法比单纯的双闭环优越。最后利用仿真和实验验证了本文提出方法的有效性和合理性。Abstract:Thetransformerlessvoltagequalityregulatorisanewpowerelectronicequipmentdesignedtomitigatethevoltagedisturbance.Performanceofthevoltagequalityregulatorinimprovingthequalityofpowersupplyisexamined.Inordertoimprovetheperformance,acombinedloadcurrentfeed-forwardanddual-loop(outervoltageloopandinnerfilterinductorcurrentloop)controlschemeisproposedinthispaper.Thispaperanalyzesthecontrolschemethatwithandwithoutloadcurrentfeedforwardindetail.Throughcomparativeanalysis,theproposedschemeisverifiedtobebetterthantraditionaldual-loopcontrolmethods.Atlast,thevalidityandeffectivenessoftheproposedcontrolschemeareverifiedbythecomputersimulationandlaboratoryexperimentalresults.关键词：无变压器，电压质量调节器，滤波电感电流，负载电流，控制Keywords:transformerless，voltagequalityregulator,filterinductorcurrent,loadcurrent,control1引言电能质量问题大多可以归结为电压质量问题，特别是公共结点的电压质量问题。电网电压存在的各种干扰，如电压升高、跌落、瞬变、谐波等，将导致一些重要负载或对电能质量敏感的设备性能降低、寿命缩短，还会造成一些生产设备无法正常运行、甚至损坏。对于敏感负荷端，解决这个问题的一种直接有效措施是在电网和敏感负荷之间加装串联电压质量调节器，通过向电网注入补偿电压来保证用户端的电压质量。然而，目前大多数串联电压质量控制器都采用变压器与电网进行耦合或隔离，以便将系统所需补偿的缺损电压耦合到电网或与电网进行必要的电气隔离。变压器的接入不仅为装置和系统提供了隔离，还可以扩大装置的容量，使得电力电子器件的选择更加灵活。但是变压器体积大，价格高并且有磁饱和等问题，还增加了装置的损耗。就目前来看，在电压等级较低或者是开关器件容量足够的情况下引入耦合或隔离变压器所带来的缺陷远远大于所带来的优势。本文提出了一种无变压器的串联电压质量调节器，其基本结构来源于文献[1].开环控制方法由于控制简单，具有较快的动态特性，因此在许多场合采用这种方法[2]。但是系统存在稳定裕度不够和弱阻尼特性的缺点。针对开环控制的缺点，文献[3]采用负载电压与参考电压的差值作为反馈信号，偏差信号通过PI校正环节后经PWM控制输出电压。这种单反馈环的控制方法存在负载调节特性差，动态响应慢的缺点。文献[4-6]采用了负载电压外环加电流内环的双闭环控制方法。电流内环可以是滤波电容电流或者是电感电流。当内环为电感电流时，使得逆变器的过流保护很容易加入到控制电路中；当内环是电容电流时却不可以。但是电感电流内环在抑制负载扰动方面要比电容电流内环差。本文采用了外环为负载电压闭环、内环为电感电流闭环的双闭环控制。为了克服其抗负载扰动能力的不足，引入了负载电流前馈。通过分析可以看到负载电流前馈可以有效地抑制由负载扰动引起的电压降落。文章的最后用仿真和实验验证了本文提出方法的有效性和合理性。2结构和原理无变压器串联电压质量调节器通过向电网注入补偿电压来保证敏感用户端的电压质量。其单相主电路结构如图1所示，主要包含四部分，分别是整流单元、逆变单元、储能电容和控制部分。其工作原理为：电压质量调节器首先检测到电网的偏差量，然后通过控制电路产生PWM信号去控制逆变器。逆变器的输出经一滤波器滤除开关次谐波后注入到电网中，达到保护敏感负载的目的。三个相同的单相电路就可以构成一三相四线制系统。图1主电路结构文献[1][6]采用这种电路解决电压跌落问题，这里将其用作电压质量调节器来解决包括电压跌落、突升、谐波等的多种电压质量问题。3传统的双环控制采用滤波电感电流内环和输出电压外环的瞬时值反馈控制方法如图2所示。当载波频率远高于逆变器的输出频率时，可以将逆变器等效为一个功率放大环节，其放大倍数为。VPWMkref、Vs和VL分别是参考电压，源电压和负载电压的拉普拉斯变换。为电感电流，为外环电压系数，是内环电流系数。iIvkck图2传统双环控制框图从图2我们可以得到下面的表达式：LvrefrefvssILLVGVGVGI=++（1）其中、和分别表示负载电压对电源电压vrefGvsGILGLVsV、负载电压对参考电压和负载电压对负载电流LVrefVLVLI的传递函数。其中表示参考电压对于负载电压的影响，可以理解为有源电压质量控制器的指令执行能力；而表示电源电压对负载电压的影响，可以理解为有源电压质量控制器抑制电源电压波动，保证负载电压稳定的能力；则表示负载电流对负载电压的影响，可以认为是系统的内阻。vrefGvsGILG实际系统中，参考电压是幅值为220V，频率约在50±10％Hz之间波动的正弦电压，而由于开关频率的限制，有源电压质量控制器一般处理只25次内的谐波，高频分量一般由无源器件处理。即有源电压质量控制器需要处理的电源电压refVsV的干扰频率限制在1.25kHz之内。令sjω=，在理想条件下，若要求负载电压完全跟随参考电压，需要同时满足如下三个条件：（1）在vrefGω＝314±10％rad/s处模为1，相角为零；（2）在所有vsGω取值范围内（0～7850rad/s）模为零；（3）在所有ILGω取值范围内尽可能小，理想情况是0。由图2可以得到如下的传递函数：21LvPWMcvrefreffffPWMcvPWMcVkkkGVCLsCkkskkk==+++(2)211LvssfffPWMcvPWMcVGVCLsCkkskkk==+++(3)21LfPWMcILLfffPWMcvPWMcVsLkkGICLsCkkskkk−−==+++(4)从式（2）可以得到无阻尼自然频率0nω和阻尼系数0nξ，如下式：0vPWMcnffkkkCLω≈04PWMcfnvfkkCkLξ≈(5)同样也可以得到如（6）所示的误差传递函数()Es：221()1fffPWMcreffffPWMcvPWMcCLsCkksEsCLsCkkskkk++=+++V(6)从式（5）和式（6）可以看出，通过合理选择和可以得到比较好的阻尼和较小的稳态误差。ckvk对图1所示的主电路采用表1所示的参数，可以很容易得到当时，阻尼和稳态误差相对的变化情况，如图3所示。从图3可以看出减小可以增加系统阻尼，但同时也使稳态误差增加。所以应该合理选择，使稳态误差和阻尼都比较合适。这里选择为1.5，此时阻尼系数为0.47，并且稳态误差小于1.5％。46.5cPWMkk=vkvkvkvk表1系统参数Lf0.75mHCf20μFkPWM31kc1.5图3阻尼和稳态误差随的变化情况vk选择好参数之后，就可以画出、和的bode图，如图4、图5和图6所示。从图4可以看出在在50Hz左右模基本为1，相角基本为0。同时从图5可以看出的幅值在0～1.25kHz模内基本为0。也就是说和可以满足要求。下面来分析，从图6明显可以看到的模值并不接近于零，特别是在低频的时候。这就意味着电流中的低频成分会影响系统的性能。对于非线性负载来说，低次谐波占主要成分。例如在50Hz附近系统的输出阻抗约为0.66Ω，也就是说当负载为纯阻性负载，10A的电流就可以引起6.6V的压降。vrefGvsGILGvrefGvsGvrefGvsGILGILG图4的bode图vrefG图5的bode图vsG图6的bode图ILG4复合控制从上面的分析可以看出，传统的电感电流内环在上文确定的参数下抗负载扰动能力比较差。为了改善其性能，这里引入了负载电流前馈来抑制负载电流引起的扰动。其控制框图如图7所示。其中k为负载电流前馈系数。图7复合控制框图从图7可以很容易得到、和的传递函数。其中和的传递函数和上述控制方法的一样。这里就只分析的特性，其传递函数如式（7）所示。vrefGvsG1ILGvrefGvsG1ILG12(1)1LfPWMcILLfffPWMcvPWMcVsLkkkGICLsCkkskkk−+−==+++(7)前面已经提到，理想情况下在所有频率范围内应该为0，即系统输出不受负载波动影响。这样可以通过式（7）求得：1ILG1fPWMcsLkkk=+（8）从式（8）可以看出，前馈系数k与内环系数和滤波电感有关，并且表达式分子的阶数高于分母的阶数。这样使得实现起来比较困难。在这里取一个常数0.95，也能得到较好的效果。需要说明一下的是，当k＝1时，此控制方法与内环为电容电流控制方法效果相同。确定了前馈系数k之后，就可以得到的bode图，如图8所示。从图8可以看出系统的输出阻抗在低频时接近于零，也就是说负载电流对负载电压的影响会很小。还是以50Hz附近为例，系统阻抗约为0.02Ω，也就是说当负载为纯阻性负载，10A的电流就可以引起0.2V的压降，仅仅是前一种方案的1/33。1ILG图8的bode图1ILG从以上分析可以看出，当闭环系数选的一样时，本文所提出的方案有较大的优越性。如果想要使传统的控制方法和本文的方法有同样的效果，则需要增加外环系数的值。但是这样会导致系统阻尼减小并会引起系统不稳定。所以可以这样说，在相同的参数（包括器件参数和调节器参数）的情况下，本文提出的方案相当于增加了系统的稳定裕量。vk5仿真和实验结果为了验证本文提出的控制方法的有效性和合理性，利用MATLAB中的simulink进行了仿真验证，并搭建了一2kVA/220V的装置进行了相关的实验验证。图9显示了有源电压质量调节器补偿电压跌落和突升的仿真情况。可以看出补偿后的负载电压一直保持220V左右，基本上没有受到大的影响。图9补偿电压跌落和突升的仿真结果图10给出了有源电压质量调节器同时补偿欠电压和谐波电压的仿真波形。其中源电压基波有效值为198V并且含有有效值均为15V的3次、7次和17次谐波。补偿以后负载电压波形基本为正弦并且幅值达到期望的要求。图10补偿电压谐波的仿真结果图11和图12分别给出了仿真时没有负载电流前馈和有电流前馈这两种控制方法下加载时负载电压的变化情况。从图11可以看出，当加载时负载电压会变低，其有效值从219.8V降到了212.9V。图12则表明当加载时负载电压几乎没用变化，其有效值从219.8V变化为219.5V。图11无负载电流前馈加载时的仿真结果图12有负载电流前馈加载时的仿真结果图13和图14分别给出了实验时没有负载电流前馈和有电流前馈这两种控制方法下加载时负载电压的变化情况。