基于改進(jìn)電流滯環(huán)控制的三電平APF及壓差平衡閉環(huán)控制策略研究

楊 鴿，劉春樂(lè)，卓玉潔

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電力工程系，四川 成都 611231；2.山東泰開(kāi)電力電子有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

有源電力濾波器(APF)是通過(guò)控制裝置中的開(kāi)關(guān)管使得逆變器交流側(cè)輸出電流快速地跟蹤上系統(tǒng)中檢測(cè)到的諧波電流指令值，實(shí)現(xiàn)有效的抵消電力系統(tǒng)中的諧波電流，從而也就實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的諧波電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償〔1-4〕。

目前對(duì)于APF有源電力濾波系統(tǒng)中的控制策略問(wèn)題研究已有很多文獻(xiàn)論述。文獻(xiàn)〔5〕提出了一種PR與滯環(huán)復(fù)合(PR+滯環(huán))的電流環(huán)控制策略，有效解決傳統(tǒng)滯環(huán)控制存在較大紋波和比例諧振(PR)控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜問(wèn)題。文獻(xiàn)〔6〕提出了一種dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下基于比例復(fù)數(shù)積分控制器的有源電力濾波器控制系統(tǒng)，有效提高電力濾波器的補(bǔ)償能力。文獻(xiàn)〔7〕針對(duì)電流環(huán)控制策略中PI控制器不能有效補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，設(shè)計(jì)了將重復(fù)控制與模糊自適應(yīng)PI結(jié)合的優(yōu)化控制策略。文獻(xiàn)〔8〕在通過(guò)對(duì)三相三電平逆變器進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，應(yīng)用解耦控制的間接電流控制策略，實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的輸出諧波電流控制，但由于其控制策略中與輸出側(cè)電感參數(shù)的引入，其控制效果會(huì)隨著電感參數(shù)的準(zhǔn)確性而改變，因此這種方法有其固有的缺陷；而有些文獻(xiàn)提出直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上引入了空間矢量控制及預(yù)測(cè)控制思想，可以克服直接轉(zhuǎn)矩控制中開(kāi)關(guān)頻率不固定的不足；或者提出無(wú)需輸出側(cè)電感參數(shù)的控制方法等，這些控制方法都在一定程度上增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和實(shí)現(xiàn)難度，并不具有數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的可操作性。

本文主要在上述文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，就傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制開(kāi)展研究〔9〕，由于傳統(tǒng)的滯環(huán)電流控制策略在三電平APF上的實(shí)現(xiàn)有缺陷，因此本文比較了兩電平和三電平滯環(huán)電流控制的特點(diǎn)，再結(jié)合各自優(yōu)點(diǎn)提出了改進(jìn)型控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)三電平有源電力濾波器的控制；然后由于三電平直流側(cè)母線存在壓差不平衡的問(wèn)題，提出了一種基于改進(jìn)滯環(huán)電流控制的零序電流注入新型閉環(huán)控制方法，對(duì)零序電壓環(huán)路和外環(huán)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了控制策略的正確型和有效性。

1 電流滯環(huán)控制工作原理

圖1所示為電流滯環(huán)控制器的原理圖。其基本工作原理就是根據(jù)電流誤差的方向，控制相應(yīng)的IGBT通斷，使得被控電流限制在給定電流的給定的誤差范圍內(nèi)。

圖1 電流滯環(huán)控制器的原理圖

如圖2所示。圖中，iL*為電感電流給定，iL為電感電流，H為滯環(huán)寬度，ton為電感電流的上升時(shí)間，toff為電感電流減小的時(shí)間。由圖2可知，滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)周期為T(mén)=ton+toff。當(dāng)電感電流小于iL*-H時(shí)，開(kāi)通IGBT，使得電感電流增加。當(dāng)電感電流大于iL*+H時(shí)，開(kāi)通另一個(gè)IGBT，使得電感電流減小，如此反復(fù)，從而把電感電流限制在iL*的范圍內(nèi)〔10〕。

圖2 電流滯環(huán)控制器的示意圖

2 三電平逆變器改進(jìn)滯環(huán)電流控制

2.1 兩電平和三電平滯環(huán)電流控制比較

兩電平和三電平滯環(huán)電流控制具體可參見(jiàn)文獻(xiàn)〔11〕。文獻(xiàn)〔11〕詳細(xì)分析了兩電平和三電平電流滯環(huán)控制器的開(kāi)關(guān)頻率和脈沖寬度與電網(wǎng)電壓的相位關(guān)系。在相同條件下，兩電平和三電平滯環(huán)電流控制有如下關(guān)系：

(1)三電平滯環(huán)電流控制器最大開(kāi)關(guān)頻率為兩電平滯環(huán)電流控制器的一半。

(2)三電平滯環(huán)電流控制器的平均開(kāi)關(guān)頻率比兩電平滯環(huán)電流控制器小。

(3)三電平滯環(huán)電流控制器的最大開(kāi)關(guān)頻率出現(xiàn)在Ua=Udc/2處，兩電平滯環(huán)電流控制器的最大開(kāi)關(guān)頻率出現(xiàn)在Ua=0處。

(4)三電平滯環(huán)電流控制器的最小脈沖比兩電平滯環(huán)電流控制器的最小脈沖寬度大。這個(gè)特點(diǎn)有利于三電平滯環(huán)電流控制器的數(shù)字化。

(5)三電平滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率范圍為〔0,fmax〕；而兩電平滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)集中為〔fmin,fmax〕；這使得三電平滯環(huán)電流控制器的濾波器很難設(shè)計(jì)。

2.2 三電平改進(jìn)滯環(huán)電流控制策略

由上述可知，三電平滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率范圍為〔0,fmax〕，這個(gè)頻率范圍已經(jīng)進(jìn)入了50次諧波范圍。這個(gè)特點(diǎn)加大了采用三電平滯環(huán)電流控制器的APF的輸入濾波器的設(shè)計(jì)難度。

由于一方面三電平逆變器能送出〔1, 0, -1〕三種電平；另一方面，兩電平滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)集中?？梢钥紤]將兩者結(jié)合起來(lái)，在市電電壓過(guò)零附近，逆變器按兩電平方式控制，從而縮小逆變器的開(kāi)關(guān)頻率范圍，同時(shí)也可以增大三電平滯環(huán)電流控制器的最小脈沖寬度，有利于逆變器的數(shù)字化。

實(shí)際上，為了解決IGBT均壓的問(wèn)題，當(dāng)三電平逆變器按兩電平方式工作時(shí)，在1和-1電平切換期間，必須插入0電平。這會(huì)導(dǎo)致跟蹤電流出現(xiàn)一定的畸變。然而，只要能把0電平的作用時(shí)間減到足夠小，就能忽略這種畸變的影響。

此外，由于兩電平滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率比三電平滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率高2倍，而且，電壓過(guò)零附近正是兩電平逆變器的最高開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)。工作方式的切換，會(huì)導(dǎo)致逆變器的最大開(kāi)關(guān)頻率成倍增加?？梢钥紤]采用改變滯環(huán)寬度的方式去解決這個(gè)問(wèn)題；即：當(dāng)逆變器切換到兩電平工作模式時(shí)，將滯環(huán)寬度增加一倍，就可以維持最大開(kāi)關(guān)頻率不變，同時(shí)增大過(guò)零點(diǎn)附近的脈沖寬度，有利于滯環(huán)電流控制器的數(shù)字化。

改進(jìn)型滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率、脈沖寬度和電網(wǎng)電壓相位關(guān)系如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可知，改進(jìn)后的滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)集中，而且最小脈沖寬度也變大了，這有利于數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)。

圖3 改進(jìn)型滯環(huán)電流控制器的開(kāi)關(guān)頻率與電網(wǎng)電壓相位關(guān)系圖

圖4 改進(jìn)型滯環(huán)電流控制器的脈沖寬度與電網(wǎng)電壓相位關(guān)系圖

3 壓差平衡新閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)已查的文獻(xiàn)，有兩種方案能夠解決三電平逆變器的母線不平衡問(wèn)題〔12-14〕。一種方案是根據(jù)母線電壓的差異調(diào)整三電平逆變器輸出的小矢量，從而使得流入母線中點(diǎn)電流的平均值為0，解決母線差的問(wèn)題。然而，這種方案更適用于SVM調(diào)制的三電平逆變器。對(duì)于使用SPWM和滯環(huán)電流控制的三電平逆變器，其小矢量的選擇變得很復(fù)雜。另一種方案是通過(guò)向調(diào)制波注入零序電壓的方式來(lái)解決母線平衡的問(wèn)題。這種方案非常適用于采用SPWM調(diào)制方式的三電平逆變器。

本文的三電平逆變器采用了滯環(huán)電流控制方案，這種控制方案沒(méi)有載波和調(diào)制波這個(gè)概念。故無(wú)法直接采用向調(diào)制波注入零序電壓的方法。但是由于該方法核心思想在于控制逆變器輸出一個(gè)零序電壓，以改變流入母線電流的平均電流。為此，我們提出了一種基于改進(jìn)滯環(huán)電流控制的零序電流注入新型閉環(huán)控制方案,其閉環(huán)控制方案如圖5所示。其中電流控制采用滯環(huán)電流控制，不需要設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)的控制系統(tǒng)；而零序電壓U0環(huán)路設(shè)計(jì)和外環(huán)設(shè)計(jì)詳細(xì)如下。

圖5 基于改進(jìn)滯環(huán)電流控制的零序電流注入新型閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

3.1 零序電壓環(huán)路設(shè)計(jì)

當(dāng)電流控制采用滯環(huán)電流控制時(shí)，電壓型逆變器可以等效為一個(gè)受控電流源。則對(duì)于零序分量而言，APF濾波系統(tǒng)可以等效如圖6所示。

圖6 零序電壓控制對(duì)象等效框圖

在圖6中，電流源i0由三電平逆變器，逆變電感和滯環(huán)電流控制器等效過(guò)來(lái)的。R1/R2/R3、L3和C都是輸出LCL濾波器的參數(shù)。零序電壓環(huán)路的控制目標(biāo)就是通過(guò)控制逆變器向LCL濾波器注入一個(gè)零序電流，從而在電容上產(chǎn)生一個(gè)直流分量V0，從而影響三電平逆變器流入母線中點(diǎn)的平均電流。

圖6所示電路的傳遞函數(shù)如式(1)所示。零序電壓控制系統(tǒng)的控制簡(jiǎn)化框圖如圖7所示。

圖7 零地電壓控制系統(tǒng)的控制簡(jiǎn)化圖

(1)

圖7中，G1為控制對(duì)象為

G1=G(s)Kad

(2)

圖7中H1為反饋環(huán)節(jié)，就50 A APF裝置機(jī)型，H1=4 096/230(零序電壓以230 V為基值定標(biāo))，C為PID控制器。圖8所示是系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)伯德圖。

圖8 系統(tǒng)控制環(huán)路開(kāi)環(huán)伯德圖

從圖8可以看出，系統(tǒng)以-20 dB斜率穿越0分貝線，系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。但是在低頻段、中頻段和高頻段，系統(tǒng)都以小于-20 dB的斜率衰減，系統(tǒng)的抗擾性不足。

采用PID校正，使得系統(tǒng)在高頻段和低頻段以-40 dB斜率衰減。保持-20 dB斜率穿越0分貝線，并保留足夠的寬度。這樣，系統(tǒng)擁有較高的響應(yīng)時(shí)間，以及較好的抗擾性，如圖9和圖10所示。圖9為校正后的開(kāi)環(huán)伯德圖。圖10為校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖。校正傳遞函數(shù)為：

圖9 校正后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)伯德圖

圖10 校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線圖

(3)

3.2 外環(huán)設(shè)計(jì)

由文獻(xiàn)〔15〕可知，注入調(diào)制波的直流分量與零序電流之間的關(guān)系可由式(4)所示。

(4)

其中：I是電流有效值；θ是功率因數(shù)角；δ是注入的零序電壓；A為調(diào)制波的幅值。

由方程4可知，這是一個(gè)非線性方程。在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，僅能考慮其中的一種條件。假設(shè)δ≤A成立，則式(4)可以化簡(jiǎn)為式(5)。

(5)

零序電流僅僅與負(fù)載電流的大小、輸出功率因數(shù)和注入的零序電壓有關(guān)。

圖11所示是母線差與零序電流之間的等效電路圖。由圖11可知，母線差與零序電流之間的關(guān)系可以由式6表示。

圖11 母線差與零序電流等效電路圖

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行拉普拉斯變換，可得式(7)。

(7)

其中：C為母線電容。

圖12是母線差調(diào)節(jié)器的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)伯德圖。由圖12可知，一個(gè)P調(diào)節(jié)器就能使系統(tǒng)穩(wěn)定，并保證足夠的穩(wěn)定裕量，按照系統(tǒng)參數(shù)選擇Kp=2.8。

圖12 母線差調(diào)節(jié)器開(kāi)環(huán)系統(tǒng)伯德圖

值得注意的是，由于零序電流與系統(tǒng)輸出的功率因數(shù)和輸出電流大小有關(guān)。所以P系數(shù)還應(yīng)該根據(jù)功率因數(shù)的方向和電流大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提高系統(tǒng)的性能。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖13所示為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。在圖13中，直流側(cè)電容為逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓。三電平逆變器向電網(wǎng)注入諧波電流分量。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

圖13 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主電路示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖14所示為突加突卸100 %純阻性負(fù)載時(shí)母線電壓波形圖，由圖可知系統(tǒng)的平衡能力強(qiáng)。從圖15可知，突加突卸阻感性負(fù)載(PF=0.8滯后)時(shí)，系統(tǒng)能具備足夠的平衡能力，動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)也能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最終保持壓差平衡。由此證明了本文提出的基于改進(jìn)滯環(huán)電流控制的三電平APF母線壓差平衡控制方法的正確和有效性。

圖14 突加突卸100%純阻載時(shí)母線電壓平衡波形圖

圖15 PF=0.8(滯后)時(shí)母線電壓平衡波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

(1)本文主要分析了滯環(huán)電流控制下兩電平和三電平的優(yōu)缺點(diǎn)，在三電平下提出改進(jìn)滯環(huán)電流控制策略，保證三電平APF在開(kāi)關(guān)頻率和脈沖寬度上實(shí)現(xiàn)滯環(huán)電流控制的數(shù)字化和簡(jiǎn)單化。

(2)就三電平逆變器母線壓差不平衡的固有問(wèn)題，提出基于改進(jìn)滯環(huán)電流控制的直流母線壓差閉環(huán)控制系統(tǒng)，并就零序電壓控制環(huán)節(jié)和外環(huán)控制參數(shù)展開(kāi)了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

(3)搭建試驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了純阻性負(fù)載和阻感性負(fù)載下電流波形補(bǔ)償能力和母線電壓平衡能力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于改進(jìn)滯環(huán)電流控制母線壓差控制策略的正確和有效性。