基于反馈解耦控制和畸变矫正的单相无功补偿策略

第3期2011年5月电源学报JournalofPowerSupplyNo.3May.2011王盼袁刘飞袁陈佰锋袁孙建军袁查晓明(武汉大学电气工程学院袁武汉430072)摘要院分析了单相逆变系统并建立了单相逆变器在d-q轴下的有功无功模型遥该有功无功模型和三相系统一样袁可以借用反馈解耦控制进行有功无功的控制遥为了实现单相d-q变换袁论文给出了一种滑动窗口滤波的方法遥但是滑动窗口使得有功和无功不能完全解耦袁从而反馈解耦控制系统的动态效果较差遥为了克服这些缺点袁文中提出了一种畸变矫正的方法袁这种方法不仅改善了控制系统的动态特性袁还消除了电流畸变袁最后仿真验证了该方法的有效性遥关键词院单相逆变器曰无功补偿曰反馈解耦曰畸变矫正曰滑动窗口平均中图分类号院TM48文献标志码院A文章编号院CN12-1420渊2011冤03-0007-06单相并网逆变器被广泛的运用到分布式发电系统和其他电力设备袁比如混合动力车尧分布式发电整流器[1-3]遥单相逆变器提供一个能量变换的接口单元袁为系统提供可靠高效的交流和直流电源遥同时袁单相逆变器还可以进行无功和谐波的补偿袁所有的这些应用都要求有一个高效的控制系统袁即快速的动态响应尧零误差跟踪以及尽量小的输出电压电流畸变遥对于单相逆变器的建模和控制袁文献[4-5]给出了一些成功的运用实例袁但是单相系统的特点限制了其控制系统的性能遥例如三线系统的d-q变换可以瞬时地得到有功和无功分量袁从而使得控制系统可以在d-q下很好地分析和设计遥但是单相系统不能瞬时得到有功无功分量袁使得控制系统必须动态性能变差遥本文提出了一种基于畸变矫正的单相无功补偿策略遥本文的结构为院第一部分简述了d-q轴下的单相模型曰第二部分分析了单相系统的特点并引入了有功无功解耦控制策略曰第三部分给出了基于正交分解的单相d-q变换曰第四部分分析了系统并提出了畸变矫正策略曰第五部分为仿真验证遥图1给出了单相系统的结构图袁Vs是系统连接点电压袁设其为基准向量袁Vc是逆变器输出电压袁ic是输出电流遥适当选取同步旋转坐标系渊d袁q冤的初始参考方向袁假设d轴与系统电压矢量Vs重合袁则d轴表示有功参考分量袁q轴表示无功参考分量遥故其表达式分别如(1)尧(2)和(3)式所示遥L和R是连接电抗器的等效电抗和电阻袁则系统电压和逆变器的输出电压的关系为式(4)院(1)(2)(3)(4)由式(1)耀式(4)袁可推出d-q轴上两电压分量的关系如式(5)和式(6)袁故可知单相系统的dq模型与收稿日期院2010-10-08基金项目院中国博士后科学基金资助项目遥电源学报总第35期三相系统在两相同步旋转坐标系渊d袁q冤中的数学模型一致袁所以反馈解耦控制也可以用于单相系统有功和无功的控制袁其模型结构如图2所示遥(5)(6)图1单相逆变系统结构图图2d-q坐标下的模型结构有功和无功的耦合可以通过一个前馈解耦控制实现袁但前提是要知道等效电抗和电阻的精确参数遥实际当中的参数不确定性会影响控制系统的动态和稳态性能袁不过反馈解耦控制可以实现完全的解耦遥在三相系统中袁引入解耦控制后袁控制系统变为为一阶系统[6]遥基于解耦控制的单相系统控制系统机构图如图3所示遥控制系统中信号的检测对整个控制系统的性能有重要影响遥在三相系统中袁借助于三相信息袁有功和无功分量可以通过d-q变换瞬时的得到遥但是单相系统中有功和无功不能够瞬时的得到遥尽管文献[7]介绍了一种虚拟正交电路实现d-q变换袁但是实际很难实现曰还有一种方法就是延迟90毅袁由于四分之一周期延迟的引进袁控制系统的动态性能将变差遥另外一种方法就是利用微分方法生产虚拟电路袁但是微分不可靠袁会放大干扰信号袁在数字化控制器当中很难实现[8-9]遥图4单相d-q变换结构图图5滑动窗口结构图本文通过正交变换和滑动窗口平均实现d-q变换袁滑动窗口平均结构图如图5所示遥和三相系统相比袁滑动窗口平均引入了时延遥本文的正交变换系统如图4所示遥锁相环PLL为正交变换提供相位信息遥当电流同sin棕t和cos棕t分别相乘的时候袁电流信号被分解为一个交流信号和一个直流信号遥两路直流信号分别为有功分量和无功分量遥通过滑动窗口平均袁交流信号可以被滤除袁从而得到直流信号遥正交变换的数学过程如式(7)和式(8)所示院(7)(8)图3反馈解耦控制8传统的滑动窗口平均的窗宽为一个工频周期0.02s袁然而式(7)尧(8)说明滑动窗口可以为0.01s遥假设A/D采样频率为100kHz袁即一个工频周期采样2000个点遥传统滑动窗口和本文提出的滑动窗口的表达式为院(9)(10)两个滑动窗口的Bode图分别如图6和图7所示遥传统的滑动窗有很好的谐波滤除效果袁然而本文提出的滑动窗可以仅仅滤除偶次谐波袁并且延时小遥图6传统滑动窗口图7本文所提出的滑动窗口本文所提出的基于反馈解耦的控制系统如图8所示遥在三相系统中袁无功电流可瞬时检测袁故其无功补偿不受延时影响遥然而在单相系统中袁由于滑动窗口的存在袁势必影响系统控制的实时性及动态性能袁等效的系统控制图如图9所示袁其中图渊a冤为无功电流等效控制图袁图(b)为有功电流等效控制图遥图9渊a冤无功电流等效控制图图8基于反馈解耦控制的结构图王盼袁等院基于反馈解耦控制和畸变矫正的单相无功补偿策略第3期9电源学报总第35期图9渊b冤有功电流等效控制图由图5和式(10)可知袁滑动窗口的传递函数为院(11)可知滑动窗口是一个非线性延时环节袁必定影响系统控制性能遥尽管合理设计控制系统可以改善控制系统的性能袁但是非线性延时的存在以及其他非线性因素如死区袁开关动作等仍会使系统输出电流出现谐波袁从而出现畸变遥本文对这种情况进行了仿真分析袁仿真模型将在第五部分详述遥仿真结构如图10所示院图10渊a冤补偿电流图10渊b冤补偿电流的THD图10渊c冤系统侧电流图10渊d冤系统测无功分量图10的仿真结果表明控制系统的响应特性较差遥其中一个原因是滑动窗口有时延袁所以控制系统动态响应差袁并有震荡现象袁如图10(d)所示遥其二是系统非线性因素袁使得输出电流具有畸变遥如图10(a)尧(b)所示袁系统输出电流有15.42%的畸变袁并且大都为低次谐波遥为了克服上述问题袁本文提出了一种基于畸变图11控制系统框图10矫正的控制策略袁这种策略相似于有源电力滤波器的谐波控制原理[10]遥换句话说袁畸变矫正环节可以被设计来消除输出电流的谐波遥如果输出谐波电流被消除袁控制系统仅仅处理基波信号袁系统畸变会消失袁震荡现象也会被抑制遥另外袁和有源电力滤波器系统相比袁畸变矫正的目的是调节指令信号Vc+袁使得没有谐波电流流入电力系统遥畸变矫正系统是通过输出电流的反馈控制实现的袁输出谐波电流的检测如图4所示遥正交变换可以分离出谐波电流分量袁谐波电流的反馈控制是比例控制遥基于畸变矫正的单相无功补偿策略如图11所示遥输入为院负载侧电流尧变流器输出电流尧系统电压和直流电压遥为了证实本文所提出的控制系统有效性袁进行了仿真验证遥单相系统的结构图如图1所示袁系统参数见表1遥表1系统参数负载侧有103A的无功电流遥当没有畸变矫正环节时袁仿真结果如图10所示遥控制参数为KP=0.05袁KP=2遥动态响应时间为0.1s袁并有震荡遥另外袁输出电流的谐波总畸变率(THD)为15.42%遥基于畸变矫正的控制策略的仿真结果图如图12所示遥畸变矫正环节的比例系数为2遥控制参数为KP=1,KI=5遥控制器的响应时间为0.04s遥另外输出电流的THD为1.44%遥所以畸变矫正环节不仅可以减小电流畸变袁还可以改善控制系统的动态性能遥图12渊a冤补偿电流图12渊b冤补偿电流的THD图12渊c冤系统侧电流图12渊d冤系统测无功分量本文建立了单相系统的有功无功d-q模型袁并引入反馈解耦控制进行无功补偿遥单相系统的d-q变换时通过正交变换和一个新滑动窗口袁该滑动窗口是一个时延非线性环节遥为了克服滑动窗口以及一些非线性因素的影响袁本文提出了一种既可以消除畸变还可以改善控制系统动态性能的畸变矫正策略遥仿真验证了该控制策略的可行性和高效性遥本文所提出的基于畸变矫正的单相控制策略可以用于单相PWM整流器尧有源电力滤波器以及级联式多电平的无功补偿器遥参考文献院[1]BSingh,BNSingh,AChandra,KAl-Haddad,APandeyandDPKothari.Areviewofsingle-phaseimprovedpowerqualityac-dcconverters.IEEETransactionsonIndustrialElectronics,October2003袁50渊5冤院962-981.系统侧数值变流器数值V220VL0.2mHf50HzR0.01赘ILq103AVdc600V王盼袁等院基于反馈解耦控制和畸变矫正的单相无功补偿策略第3期11电源学报总第35期[2]KPLouganskiandJSLai.ReactivePowerControlReal鄄izationinSingle-PhaseActiveFrontEndConverters.inProceedingsofIEEEAPEC,Anaheim.USA,pp.797-803,Feb2007.[3]YXue,LChang,SBKjaer,JBordonauandTShimizu.Topologiesofsingle-phaseinvertersforsmalldistributedpowergenerators:anoverview.IEEETransactionsonPowerElectronics,Vol.19,Issue5,Page(s):1305–1314,Sept.2004.[4]MJRyan,WEBrumsickle,RDLorenz.Controltopologyoptionsforsingle-phaseUPSinverters.IEEETransactionsonIndustryApplications,Vol.33,Issue2,Page(s):493-501,March-April1997.[5]RArman,BRolandoandACBaisden.Ad-qframecon鄄trollerforafull-bridgesingle-phaseinverterusedinsmalldistributedpowergenerationsystems.inProceedingsofIEEEAPEC,Anaheim.USA,pp.641-647,February2007.[6]FZPengandJSLai.DynamicPerformanceandControlofaStaticVarGeneratorUsingCascadeMultilevelInverters.IEEETransactionsonIndustryApplications,1997袁33渊3冤院748-755.[7]RZhang,MCardinal,PSzczesny,MDame.Agridsimula鄄torwithcontrolofsingle-phasepowerconvertersinD-Qrotatingframe.inProceedingsofIEEE33thPESC,Vol.3,23-27.pp.1431-1436,Jun.2002.[8]UAMiranda,LGBRolimandMAredes.ADQsyn鄄chronousreferenceframecurrentcontrolforsingle-phaseconverters.inProceedingsofIEEE36thPESC,pp.1377–1381,Jun.2005.[9]JSalaet,SAlepuz,AGilabertandJBordonau.ComparisonbetweentwomethodsofDQtransformationforsingle-phaseconverterscontrol.Applicationtoa3-levelboostrectifier.inProceedingsofIEEE35thP