并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述及对比研究

整理文档很辛苦,赏杯茶钱您下走!

免费阅读已结束,点击下载阅读编辑剩下 ...

阅读已结束,您可以下载文档离线阅读编辑

资源描述

并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述及对比研究GeneralExpressionandComparisonoftheControlMethodsforParallelActivePowerFilter西安交通大学王晓钰刘进军袁敞Email:xywang@ieee.org摘要﹕本文研究有源电力滤波器的控制方法。首先对比研究了串联型和并联型有源电力滤波器的常见控制方法。然后提出一种将并联型有源电力滤波器控制为电压源的控制方法,称为电压模式控制。之后,与传统的电流模式控制方法进行了比较,发现电流模式控制是电压模式控制的一种特例,直接控制变流器的输出电压更一般。进一步提出并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述,分析了控制方法有效的必要条件,并系统化地推导出几种新型控制方法。仿真和实验证明了推导的新控制方法的有效性。Abstract:Thispaperdiscussesasystematicmethodtoanalyzeanddesignthecontrolofparallelactivepowerfilters(PAPF).Thediscussionbeginswiththecomparisonofpopularcontrolschemesforseriesandparallelactivepowerfilter.Thenanewvoltage-modecontrolschemeforPAPFisproposedandcomparedwithcurrent-modecontrolscheme.Withcomparison,thevoltage-modecontrolisfoundmoregeneralthancurrent-modecontrol,whichstimulatedfurtherstudyofageneralexpressionofthecontrolmethods,andleadstoasystematicanalysisanddesignmethod.Inaviewofthewholesystem,ageneralcontroldiagramisproposedtoexpressanylinearcontrolmethodbasedoncurrentdetection.Withdifferentgainsofdetectedcurrent,differentcontrolschemecanbeobtained.Althoughthegainofeachcurrenthasmanyoptions,onlyfourtypicalkindsofgainsarediscussedforsimplicity,andthenall64possiblecontrolschemesareobtainedfromthegeneralcontroldiagram.Toverifytheirvalidity,necessaryconditionsareproposed,withwhichseveralnewvoltage-modecontrolschemesarederivedinasystematicway.Theirvalidityisverifiedbybothtime-domaincomputersimulationsandexperimentaltestsonhardwareprototypes.关键词﹕谐波补偿;有源电力滤波器;电压模式控制;电流模式控制;Keywords:HarmonicsCompensation;ActivePowerFilter;Voltage-ModeControl;Voltage-ModeControl1引言随着电力电子技术的迅速发展,各种电力电子设备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用,其产生的谐波以及造成的危害日益严重,使世界各国对谐波问题都给予了十分的关心和重视[1]。消除谐波,可以将产生谐波的非线性负载进行改造,也可以增加无源滤波器或有源电力滤波器进行补偿。随着大功率可关断器件的不断进步,以及新型控制器和控制理论的发展,有源电力滤波器的研究和应用越来越广泛[2]。有源电力滤波器有两类基本拓扑,串联型有源电力滤波器(SAPF–SeriesActivePowerFilter)和并联型有源电力滤波器(PAPF-ParallelActivePowerFilter),如图1所示。一般来说,串联型的拓扑适合补偿电压源型的谐波源负载,而并联型的拓扑适合补偿电流源型的谐波源负载[3]。由于控制方法对有源电力滤波器的性能具有关键作用,本文选择这两种典型拓扑进行分析,侧重对其控制方法的研究。所采用的研究方法和思路,也可能适用于其他的主电路结构。本文首先对比研究了串联型有源电力滤波器的两类常见控制方法。通常,串联型有源电力滤波器被控制为谐波电压源,抑制流入电网的谐波电流,这种控制方法可称为电压模式控制。2000年左右,有人提出一种电流模式的控制方法,将变流器控制为基波电流源。(,)or(,)ssdftidgtiωω==a)串联型有源电力滤波器的系统结构b)并联型有源电力滤波器的系统结构图1有源电力滤波器的基本拓扑图2示意了这两类控制方法的基本思想。本文通过对这两种控制方法的框图进行对比,发现了这两种控制方法的共通之处。usuC++usiSa)电压模式控制方法b)电流模式控制方法图2串联型有源电力滤波器的两类控制方法受串联型有源电力滤波器控制方法的启发,本文对并联型有源电力滤波器的两类主要的控制方法进行了比较研究,然后提出了一种电压模式的控制方法,即直接控制变流器的补偿电压,如图3b)所示意。与常用的电流模式的控制方法进行了比较研究,发现电流模式的控制方法是电压模式控制方法的一种特例,因此对于电压源型的变流器,控制变流器的补偿电压更通用。受此启发,本文提出了一种并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述,分析了控制方法有效的必要条件,并系统化地推导出了一定条件下所有可能的四种控制方法。在对新控制方法的充分分析和比较后,分析了各控制方法在稳态精度、稳定性和相应速度上的差别。仿真和实验证明了新控制方法的有效性。iCLSusa)电流模式的控制方法b)电压模式的控制方法图3并联型有源电力滤波器的两类控制方法2串联型有源电力滤波器控制方法的比较研究串联型有源电力滤波器可以抑制电压型谐波源负载产生的谐波电流,通常控制为谐波电压源,如图4a)所示。当变流器输出的谐波电压uC为电网谐波电流的k倍数时,串联型有源电力滤波器可等效为虚拟的谐波阻抗。对谐波来讲,有源电力滤波器可等效为阻值是kΩ的电阻,而对基波来讲,其阻值为0Ω。通过控制串联型电能质量控制器的参数,让k充分大,就能减小电网电流中的谐波成份,提高功率因数。图4b)为电压模式控制算法框图。电压模式控制方法中,当增益k增大时,系统容易不稳定。2000年左右,有人提出将变流器控制为基波电流源,即可以获得更好的补偿效果,又能提高系统的稳定性[4-7],即电流模式控制,或基波磁通控制方法[7],如图5a)。利用电流跟踪控制,通过控制变流器的输出电流i2跟随电网电流i1的基波分量,可以抑制流过电网的谐波电流,其控制结构如图5b)所示。其中电流跟踪控制有多种选择,可采用滞环比较,也可用三角波比较。a)等效电路b)控制算法框图图4串联型有源电力滤波器的电压模式控制方法a)等效电路1N−b)控制算法框图图5串联型有源电力滤波器的电流模式控制方法新提出的电流模式控制方法和电压模式的控制方法检测相同的信号,控制相同的主电路,为什么可以获得更好的补偿效果,又能不影响系统的稳定性呢?通过对控制框图的比较,可以发现这两种控制方法其实具有相通之处。如图6所示,从系统的角度看,包含有源电力滤波器的整个系统包含两部分:主电路和控制算法。对上述两种控制方法的比较,需要结合主电路和控制算法,研究整体的控制结构。文献[1]推导了并联型有源电力滤波器的主电路,结论如图7所示,图中uS为电源电压,uL为电压源型谐波源负载的等效谐波电压,uC为控制变流器输出的补偿电压。对于电压型逆变器构成的串联有源电力滤波器,任何控制方法,最终都是通过控制逆变器输出的补偿电压uC来实现控制的。图6串联型有源电力滤波器的系统框图2210323210asasabsbsbsb+++++10323210cscbsbsbsb++++图7串联型有源电力滤波器主电路模型结合该主电路模型和两种控制方法,可以得到电流模式和电压模式控制方法下串联有源电力滤波器的系统控制框图,分别如图10和图9所示。根据控制框图等效的原则,可以对电流模式控制的系统框图进行变换,得到图10的形式。与电压源控制的系统整体控制框图相比较,可以发现两者几乎一样,唯一的差别是调节器不同。值得借鉴的是,电压模式控制方法中的比例系数k实际相当于闭环回路中的调节器,可以选择其它的调节器以达到更好的控制效果和更好的稳定性。3并联型有源电力滤波器控制方法的比较研究通常,并联型有源电力滤波器的控制算法需要检测电流谐波,产生补偿电流的指令,并利用电流反馈跟踪控制,输出相应的谐波补偿电流。图11为其一般的控制结构。*CiCi*CuCi图11并联型有源电力滤波器控制结构由于谐波检测的重要性,高性能、快速的谐波检测方法一直是研究的重点内容之一。近年来,有人提出无谐波检测的控制方法,引起广泛研究。比较典型无谐波检测的控制方法是检测支流侧电容电压的控制方法[9,10]和单周2210323210asasabsbsbsb+++++10323210cscbsbsbsb++++1N−1N−图10电流模式控制方法下的串联有源电力滤波器系统控制框图2210323210asasabsbsbsb+++++10323210cscbsbsbsb++++图9电压模式控制方法下的串联有源电力滤波器系统控制框图2210323210asasabsbsbsb+++++10323210cscbsbsbsb++++1N图10电流模式控制方法下的串联有源电力滤波器系统控制框图的另一种形式控制[11,12]。图12为其一般的控制结构,其基本的控制思想是将通过电源电流反馈,使其跟踪一正弦指令,而获得正弦的电网电流;而正弦电流的幅度,可以通过检测变流器的直流侧电容电压来获得。*DCu*REFi图12无谐波检测控制方法的基本结构受上节串联型有源电力滤波器控制方法比较研究的启发,本节对并联型有源电力滤波器的检测谐波和不检测谐波的这两类控制方法进行比较研究。为了比较两者的控制框图,将含有谐波检测算法的控制框图图13a)进行一系列等效变换,得到图13d)的形式。与图12无谐波检测控制方法的控制框图相比,唯一的差别是负载电流基波的前馈通道。经过比较研究发现,无谐波检测的控制方法(包括检测直流侧电容电压的控制方法、单周控制等),是检测负载谐波电流的控制方法中的直流侧控制环节[13]。谐波检测的作用,就是增加了负载基波电流的前馈通道。两种控制方法对谐波的控制效果是一样的,而当负载基波发生变换时,含谐波检测的控制方法对负载基波的变换具有更好更快的响应。可以说,无谐波检测的控制方法是反馈控制,而检测谐波电流的控制方法是符合控制,是反馈控制加负载基波电流的前馈控制。4并联型有源电力滤波器的一种新型电压源控制方法受对偶思想及对串联型有源电力滤波器控制方法比较研究的启发,本文提出一种并联有源电力滤波器的电压模式控制方法。并联型有源电力滤波器一般被控制为谐波电流源。通过各种谐波检测算法,得到变流器要输出的补偿电流的指令,通过电流跟踪控制,产生相应的补偿电流。图14为其电流内环控制框图,其中iC为PAPF输出的补偿电流,*Ci为补偿电流指令,uS为电源电压。当变流器的补偿电流iC能够快速、准确的跟踪指令时,整个并联型有源电力滤波器可以看作谐波电流源。+−PWMs1KTs+1LsR++−Ci∆1−CiiPK−()HsSu*CiCiFBK−图14电流源控制方法的电流内环控制框图.然后补偿电流不仅受有源电力滤波器的变流器控制,还受电网电压、电网

1 / 10
下载文档,编辑使用

©2015-2020 m.777doc.com 三七文档.

备案号:鲁ICP备2024069028号-1 客服联系 QQ:2149211541

×
保存成功