《武汉工程大学学报》 2013年05期
73-77
出版日期：2013-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
并联型有源电力滤波器的电流跟踪控制实现方法
0引言电能是现代社会生产和人民生活中必不可少的重要能源.目前，全球电能存在一个普遍的难题，非线性、冲击性和不平衡用电负荷大量增加，使电网的电能质量恶化.有源电力滤波器（Active Power Filter,以下简称：APF）作为消除电力公害、改善供电质量的有力工具，可以达到消除谐波、提高供电质量的目的.从APF的基本原理可知，控制方法的选择对有源电力滤波器的补偿效果有很大的影响.为了使APF对电网中的谐波及无功成分进行实时的动态补偿，在准确地检测出补偿电流之后，如何有效地进行电流跟踪控制是研究APF的一个重要方向.APF的电流跟踪控制方法有很多种，滞环电流控制方法得到了较为广泛的应用，但是其开关频率波动较大，稳定性相对不高.为此，文献\[1\]提出了基于电压空间矢量的滞环电流控制法，该法既有较好的电流响应速度，又有较好的电流跟踪性能.单周控制法虽不需检测谐波和无功电流分量，但控制器的结构复杂，而且变换器所有开关都工作在高频状态\[2\].无差拍控制法是一种数字化脉宽调制（Pulse Width Modulation,以下简称：PWM）技术,它对谐波分量有一定的预测功能, 但同时也有一些不足之处,如控制过程的计算量大，使得其对被补偿量的预测周期增大,并易引起较大的预测误差,最终影响补偿特性\[3\].本文以三相并联型APF为例，在原有的无差拍控制思想的基础上，提出了一种基于预测电流的无差拍控制方法，并对直流侧电容电压进行了控制，解决了在并网过程中，因直流侧电压大幅度波动而影响系统稳定运行的问题.1有源电力滤波器系统组成图1所示为APF的控制原理图，可分为主电路和控制电路两大部分.其中，主电路由电压型逆变器和连接电感构成.控制电路主要包含两大功能模块：第一个功能模块是指令电流检测模块，其作用是为了检测出所需要的补偿对象，例如非线性负载中的谐波和无功电流分量，然后再根据APF的补偿目标得出相应补偿电流的指令信号i*c；其次就是电流跟踪控制模块，通过选择不同的电流跟踪控制方法来产生PWM脉冲信号，以控制开关管的通断状态，使APF产生能跟踪补偿指令电流的输出电流.图1并联型有源电力滤波器组成原理图Fig.1The structure of shunt active power filter2电流跟踪控制有源电力滤波器的控制方法有很多种，本文所选用的是基于电流预测的无差拍控制方法.图1中，ea、eb、ec为电网电压，ica、icb、icc为APF输出电流，L为连接电感，Udc为直流侧电容电压.假设主电路的开关器件为理想开关，并工作于互补开关状态，当逆变器上桥臂导通时，APF输出电压为Udc；当下桥臂导通时，APF输出电压为0.以A相为例，设在开关周期Ts内，上桥臂导通时间为daTs，则APF的A相输出电压可表示为uan=daUdc.同理，可求得B、C相电压.由图1所示APF主电路结构，根据电压回路定律，可得到三相电压平衡方程-Ldicadt+uan-ubn+Ldicbdt=ea-eb-Ldicbdt+ubn-ucn+Ldiccdt=eb-ec-Ldiccdt+ucn-uan+Ldicadt=ec-ea（1）第5期文小玲，等：并联型有源电力滤波器的电流跟踪控制实现方法武汉工程大学学报第35卷将APF三相输出电压代入方程式（1）并改写成矩阵形式，就可得到APF的无差拍电流控制数学模型ZX·=AX+Be（2） 其中Z=-LL000-LL0L0-L0000C,A=000-(da-db)000-(db-dc)000-(dc-da)dadbdc 0,B=1-10001-10-10100000,X=\[ica icb icc Udc\]T, e=\[ea eb ec 0\]T.将方程式（2）离散化可得占空比da=13(2A+B+1.5)db=13(-A+B+1.5)dc=13(-A-2B+1.5)（3）式（3）中：A=LUdc×Ts(-xa+xb)+ea-ebUbc,B=LUdc×Ts(-xb+xc)+eb-ecUdc，参考电流与反馈电流的差值，xj=-(i*cj-icj),j∈(a,b,c).从方程（3）可以看出，指令电流与反馈电流的差值对占空比的大小有很大的影响.为克服采样和计算延迟对补偿性能的影响，并使控制方法的计算量尽量小，采用线性预测方法在k采样时刻预测逆变器在k+1时刻的输出参考电流.由于电流的周期性考虑，可以假设电流增量在每个控制周期近似相同\[4\]，经过线性推导可以得到k+1时刻的参考电流预测值为i*ck(k+1)=2i*cj(k)-i*cj(k-1), j∈(a,b,c)（4）式（4）中，i*cj(k)、i*cj(k-1)为k、k-1时刻的参考电流瞬时值，该预测方法对谐波的线性变化段有比较好的预测效果.3直流侧电压控制APF在动态过程中，直流侧电容电压会产生大幅度的波动，这种电压的不稳定性将会直接影响整个装置的安全可靠运行.在启动、并网和负载切换等动态过程中对直流母线电压的控制是十分必要的\[5\].对于直流侧电压的控制，需要从两个方面来考虑，一是APF在投入逆变前的直流侧软启动，二是在逆变过程中直流侧电压的稳压控制.直流侧电压控制原理图如图2所示.对于直流侧的软启动部分，分为直流侧电容的预充电和升压过程.这样，一方面可以使直流侧电压在一定的时间里呈线性增加，另一方面可以保证电流较小的冲击量，防止系统在投入逆变时发生过流过压的情况.直流侧电压的预充电过程，可以利用由逆变器的反并联二极管所组成的不控整流桥来实现.在充电稳定后进行的升压过程，可以通过主电路的三相升压（Boost）整流电路来实现.具体实现方法是，将主电路的三个下桥臂开关管关断，使三个上桥臂开关管工作，给每个管子以相同的占空比，并通过信号数字处理器（Digital Signal Processing，以下简称：DSP）来控制占空比的大小，使其值从0开始呈线性增加，最后达到一个固定值，此后主电路以稳定的占空比对直流侧电容进行充电，直到电压达到期望值Uaim.在直流侧电压达到期望值后，利用直流侧电压瞬时值Udc和直流侧电压设定值Uaim的差值，经比例-积分控制（ProportionalIntegral Control，以下简称：PI）闭环控制环节来进行稳压控制.这种控制方法一方面能够快速随着电网电压变化，另一方面可以提高系统的动态响应速度，从而维持直流侧电压的稳定.图2直流侧电压控制原理框图Fig.2Block diagram of direct current link voltage control4软件设计本实验系统的采样频率为6.4 kHz，即在每个工频周期内采样128个点.系统主要是由DSP处理器6号捕获通道CAP6中断服务程序、定时器T1中断服务程序和模数转换A/D中断服务程序组成\[6\].主程序流程图如图3所示.其中，CAP6中断服务程序是为了解决电压同步信号及程序内部正余弦表指针复位的问题；T1中断服务程序是用来触发采样程序的；A/D中断服务程序完成了电流电压等信号的采样，并将其结果经基于瞬时有功电流、无功电流的ipiq算法得到指令电流.最后将指令电流与检测到的反馈电流的差值，经无差拍控制算法处理得出占空比，送入事件管理器（Event Manager以下简称：EV）模块，触发主电路工作.图3主程序流程图Fig.3Flowchart of main program图4为控制程序流程图.首先T1中断服务程序会在一个时间周期里产生一次中断，此中断产生时就会触发一次A/D采样，所以A/D采样的周期是由T1周期中断的时间来确定.在本实验中，所设定的T1周期寄存器的值为工频周期的1/128，即在一个工频周期时间里DSP控制器会采样128次.先将直流侧的电压升压到期望值，经过PI调节后的量，加入到指令电流ipiq算法过程中.然后经过图4控制程序流程图Fig.4Flowchart of control program预测与无差拍电流跟踪控制，最后计算得到所需的占空比，送入EV模块，其后DSP发出相应的控制脉冲控制主电路输出所需的补偿电流.发完一次脉冲之后，DSP将会自动判断是否完成了128次A/D采样，如果完成了128次采样就直接中断返回，如果没有完成则正余弦指针自动加1，直到中断返回.其中，每送一次占空比，就会自动产生一个A/D中断.5实验结果分析为了验证基于预测电流的无差拍控制算法的可行性及有效性，在完成所有的软件、硬件基础上，以图1作为实验模型，对并联型有源电力滤波器进行了实验.实验中的电源相电压为50 V，所选的连接电抗器的大小为3 mH，负载为二极管整流桥带灯箱的非线性负载，电流有效值3 A，实验结果波形从TDS3012B型示波器中观察得出.以c相为例，指令电流、负载电流和网侧电流波形如图5所示.图5APF投入前后网侧电流波形比较Fig.5The comparison of the current waveform of grid side图5（a）中上面的波形是采用ipiq算法得到的指令电流波形icc，图5（a）中下面的波形是未经过APF补偿的网侧电流波形，即为负载电流isc.从图中可以看出，在此控制方法下，可以准确的得到所要补偿的指令电流，未经APF补偿时，网侧电流中是含有谐波电流分量的.图5（b）中上面的波形是经过APF补偿后的网侧电流，图5（a）中下面的波形是直流侧电容电压Udc波形.从图中可以看出，在本文提出的基于预测电流的无差拍控制方案下，经过APF补偿之后，可以得到一个近似正弦波的网侧电流.因此本文提出的控制法可以有效的消除非线性负载中的谐波电流对电网的影响.6结语本文提出了一种基于预测电流的无差拍电流跟踪控制方案，并完成了该控制方法在APF系统上的软件设计.该法将预测电流控制算法预测出的下个采样周期的参考电流，加入到占空比计算中，推导出了下个采样周期的开关占空比信号，克服了传统无差拍控制因计算延迟而影响补偿效果的缺点，达到了实时跟踪电流波形的效果.实验证明，该电流跟踪控制方法可以有效地滤除电网中的谐波电流分量，使网侧电流趋近于标准的正弦波；加入的直流侧电压控制，使系统在启动、并网和负载切换等动态运行过程中，直流侧电压值可以在一定范围内上下波动，提高了系统的稳定性.致谢本研究过程中，武汉工程大学电气信息学院刘健老师提供了三相滤波电抗器，在此表示感谢!