并聯(lián)型有源電力濾波器的電流跟蹤控制實現(xiàn)方法

文小玲，李鳳旭，易 馳，文 超

（武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

電能是現(xiàn)代社會生產(chǎn)和人民生活中必不可少的重要能源.目前，全球電能存在一個普遍的難題，非線性、沖擊性和不平衡用電負(fù)荷大量增加，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化.有源電力濾波器（Active Power Filter，以下簡稱：APF）作為消除電力公害、改善供電質(zhì)量的有力工具，可以達(dá)到消除諧波、提高供電質(zhì)量的目的.

從APF的基本原理可知，控制方法的選擇對有源電力濾波器的補(bǔ)償效果有很大的影響.為了使APF對電網(wǎng)中的諧波及無功成分進(jìn)行實時的動態(tài)補(bǔ)償，在準(zhǔn)確地檢測出補(bǔ)償電流之后，如何有效地進(jìn)行電流跟蹤控制是研究APF的一個重要方向.APF的電流跟蹤控制方法有很多種，滯環(huán)電流控制方法得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是其開關(guān)頻率波動較大，穩(wěn)定性相對不高.為此，文獻(xiàn)［1］提出了基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制法，該法既有較好的電流響應(yīng)速度，又有較好的電流跟蹤性能.單周控制法雖不需檢測諧波和無功電流分量，但控制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且變換器所有開關(guān)都工作在高頻狀態(tài)［2］.無差拍控制法是一種數(shù)字化脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，以下簡稱：PWM）技術(shù)，它對諧波分量有一定的預(yù)測功能，但同時也有一些不足之處，如控制過程的計算量大，使得其對被補(bǔ)償量的預(yù)測周期增大，并易引起較大的預(yù)測誤差，最終影響補(bǔ)償特性［3］.本文以三相并聯(lián)型APF為例，在原有的無差拍控制思想的基礎(chǔ)上，提出了一種基于預(yù)測電流的無差拍控制方法，并對直流側(cè)電容電壓進(jìn)行了控制，解決了在并網(wǎng)過程中，因直流側(cè)電壓大幅度波動而影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的問題.

1 有源電力濾波器系統(tǒng)組成

圖1所示為APF的控制原理圖，可分為主電路和控制電路兩大部分.其中，主電路由電壓型逆變器和連接電感構(gòu)成.控制電路主要包含兩大功能模塊：第一個功能模塊是指令電流檢測模塊，其作用是為了檢測出所需要的補(bǔ)償對象，例如非線性負(fù)載中的諧波和無功電流分量，然后再根據(jù)APF的補(bǔ)償目標(biāo)得出相應(yīng)補(bǔ)償電流的指令信號；其次就是電流跟蹤控制模塊，通過選擇不同的電流跟蹤控制方法來產(chǎn)生PWM脈沖信號，以控制開關(guān)管的通斷狀態(tài)，使APF產(chǎn)生能跟蹤補(bǔ)償指令電流的輸出電流.

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器組成原理圖Fig.1 The structure of shunt active power filter

2 電流跟蹤控制

有源電力濾波器的控制方法有很多種，本文所選用的是基于電流預(yù)測的無差拍控制方法.圖1中，ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓，ica、icb、icc為 APF 輸出電流，L為連接電感，Udc為直流側(cè)電容電壓.假設(shè)主電路的開關(guān)器件為理想開關(guān)，并工作于互補(bǔ)開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)逆變器上橋臂導(dǎo)通時，APF輸出電壓為Udc；當(dāng)下橋臂導(dǎo)通時，APF輸出電壓為0.以A相為例，設(shè)在開關(guān)周期Ts內(nèi)，上橋臂導(dǎo)通時間為daTs，則APF的A相輸出電壓可表示為uan＝daUdc.同理，可求得B、C相電壓.由圖1所示APF主電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)電壓回路定律，可得到三相電壓平衡方程

將APF三相輸出電壓代入方程式（1）并改寫成矩陣形式，就可得到APF的無差拍電流控制數(shù)學(xué)模型

其中

將方程式（2）離散化可得占空比

從方程（3）可以看出，指令電流與反饋電流的差值對占空比的大小有很大的影響.為克服采樣和計算延遲對補(bǔ)償性能的影響，并使控制方法的計算量盡量小，采用線性預(yù)測方法在k采樣時刻預(yù)測逆變器在k＋1時刻的輸出參考電流.由于電流的周期性考慮，可以假設(shè)電流增量在每個控制周期近似相同［4］，經(jīng)過線性推導(dǎo)可以得到k＋1時刻的參考電流預(yù)測值為

3 直流側(cè)電壓控制

APF在動態(tài)過程中，直流側(cè)電容電壓會產(chǎn)生大幅度的波動，這種電壓的不穩(wěn)定性將會直接影響整個裝置的安全可靠運(yùn)行.在啟動、并網(wǎng)和負(fù)載切換等動態(tài)過程中對直流母線電壓的控制是十分必要的［5］.對于直流側(cè)電壓的控制，需要從兩個方面來考慮，一是APF在投入逆變前的直流側(cè)軟啟動，二是在逆變過程中直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓控制.

直流側(cè)電壓控制原理圖如圖2所示.對于直流側(cè)的軟啟動部分，分為直流側(cè)電容的預(yù)充電和升壓過程.這樣，一方面可以使直流側(cè)電壓在一定的時間里呈線性增加，另一方面可以保證電流較小的沖擊量，防止系統(tǒng)在投入逆變時發(fā)生過流過壓的情況.直流側(cè)電壓的預(yù)充電過程，可以利用由逆變器的反并聯(lián)二極管所組成的不控整流橋來實現(xiàn).在充電穩(wěn)定后進(jìn)行的升壓過程，可以通過主電路的三相升壓（Boost）整流電路來實現(xiàn).具體實現(xiàn)方法是，將主電路的三個下橋臂開關(guān)管關(guān)斷，使三個上橋臂開關(guān)管工作，給每個管子以相同的占空比，并通過信號數(shù)字處理器（Digital Signal Processing，以下簡稱：DSP）來控制占空比的大小，使其值從0開始呈線性增加，最后達(dá)到一個固定值，此后主電路以穩(wěn)定的占空比對直流側(cè)電容進(jìn)行充電，直到電壓達(dá)到期望值Uaim.

在直流側(cè)電壓達(dá)到期望值后，利用直流側(cè)電壓瞬時值Udc和直流側(cè)電壓設(shè)定值Uaim的差值，經(jīng)比例－積分控制（Proportional－Integral Control，以下簡稱：PI）閉環(huán)控制環(huán)節(jié)來進(jìn)行穩(wěn)壓控制.這種控制方法一方面能夠快速隨著電網(wǎng)電壓變化，另一方面可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，從而維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定.

圖2 直流側(cè)電壓控制原理框圖Fig.2 Block diagram of direct current link voltage control

4 軟件設(shè)計

本實驗系統(tǒng)的采樣頻率為6.4kHz，即在每個工頻周期內(nèi)采樣128個點.系統(tǒng)主要是由DSP處理器6號捕獲通道CAP6中斷服務(wù)程序、定時器T1中斷服務(wù)程序和模數(shù)轉(zhuǎn)換A／D中斷服務(wù)程序組成［6］.主程序流程圖如圖3所示.其中，CAP6中斷服務(wù)程序是為了解決電壓同步信號及程序內(nèi)部正余弦表指針復(fù)位的問題；T1中斷服務(wù)程序是用來觸發(fā)采樣程序的；A／D中斷服務(wù)程序完成了電流電壓等信號的采樣，并將其結(jié)果經(jīng)基于瞬時有功電流、無功電流的ip－iq算法得到指令電流.最后將指令電流與檢測到的反饋電流的差值，經(jīng)無差拍控制算法處理得出占空比，送入事件管理器（Event Manager以下簡稱：EV）模塊，觸發(fā)主電路工作.

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flowchart of main program

圖4為控制程序流程圖.首先T1中斷服務(wù)程序會在一個時間周期里產(chǎn)生一次中斷，此中斷產(chǎn)生時就會觸發(fā)一次A／D采樣，所以A／D采樣的周期是由T1周期中斷的時間來確定.在本實驗中，所設(shè)定的T1周期寄存器的值為工頻周期的1／128，即在一個工頻周期時間里DSP控制器會采樣128次.先將直流側(cè)的電壓升壓到期望值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后的量，加入到指令電流ip－iq算法過程中.然后經(jīng)過預(yù)測與無差拍電流跟蹤控制，最后計算得到所需的占空比，送入EV模塊，其后DSP發(fā)出相應(yīng)的控制脈沖控制主電路輸出所需的補(bǔ)償電流.發(fā)完一次脈沖之后，DSP將會自動判斷是否完成了128次A／D采樣，如果完成了128次采樣就直接中斷返回，如果沒有完成則正余弦指針自動加1，直到中斷返回.其中，每送一次占空比，就會自動產(chǎn)生一個A／D中斷.

圖4 控制程序流程圖Fig.4 Flowchart of control program

5 實驗結(jié)果分析

為了驗證基于預(yù)測電流的無差拍控制算法的可行性及有效性，在完成所有的軟件、硬件基礎(chǔ)上，以圖1作為實驗?zāi)Ｐ停瑢Σ⒙?lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了實驗.實驗中的電源相電壓為50V，所選的連接電抗器的大小為3mH，負(fù)載為二極管整流橋帶燈箱的非線性負(fù)載，電流有效值3A，實驗結(jié)果波形從TDS3012B型示波器中觀察得出.以c相為例，指令電流、負(fù)載電流和網(wǎng)側(cè)電流波形如圖5所示.

圖5 APF投入前后網(wǎng)側(cè)電流波形比較Fig.5 The comparison of the current waveform of grid side

圖5（a）中上面的波形是采用ip－iq算法得到的指令電流波形icc，圖5（a）中下面的波形是未經(jīng)過APF補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)側(cè)電流波形，即為負(fù)載電流isc.從圖中可以看出，在此控制方法下，可以準(zhǔn)確的得到所要補(bǔ)償?shù)闹噶铍娏?，未?jīng)APF補(bǔ)償時，網(wǎng)側(cè)電流中是含有諧波電流分量的.圖5（b）中上面的波形是經(jīng)過APF補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流，圖5（a）中下面的波形是直流側(cè)電容電壓Udc波形.從圖中可以看出，在本文提出的基于預(yù)測電流的無差拍控制方案下，經(jīng)過APF補(bǔ)償之后，可以得到一個近似正弦波的網(wǎng)側(cè)電流.因此本文提出的控制法可以有效的消除非線性負(fù)載中的諧波電流對電網(wǎng)的影響.

6 結(jié) 語

本文提出了一種基于預(yù)測電流的無差拍電流跟蹤控制方案，并完成了該控制方法在APF系統(tǒng)上的軟件設(shè)計.該法將預(yù)測電流控制算法預(yù)測出的下個采樣周期的參考電流，加入到占空比計算中，推導(dǎo)出了下個采樣周期的開關(guān)占空比信號，克服了傳統(tǒng)無差拍控制因計算延遲而影響補(bǔ)償效果的缺點，達(dá)到了實時跟蹤電流波形的效果.實驗證明，該電流跟蹤控制方法可以有效地濾除電網(wǎng)中的諧波電流分量，使網(wǎng)側(cè)電流趨近于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波；加入的直流側(cè)電壓控制，使系統(tǒng)在啟動、并網(wǎng)和負(fù)載切換等動態(tài)運(yùn)行過程中，直流側(cè)電壓值可以在一定范圍內(nèi)上下波動，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

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