有源滤波器定频滞环电流控制新方法

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其中的 ea、eb、ec 等可视为系统电压。假定交流侧中性 点对地绝缘, 则相应的系统电路方程为
u= R i+ L
d d
i t
+
e+
uN 1
(8)
图4 三相电压源逆变器等值电路 F ig. 4 Three-pha se VSI equ iva len t c ircu it
式中 u、i 分别为逆变器的 a、b、c 三相电压矢量 (ua,
2u3 E 的不断变化, 开关频率将随之波动。若调节滞
环宽度2h, 使8hL (E (1- (u0) 2) 保持定常, 则根据式
( 7) 可知, 开关周期 T (即开关频率 f ) 将保持不变。
这就是定频滞环控制方法的基本思想[2]。图3 (b) 即
为用比例积分器调节滞环宽度的定频滞环控制框
图。将开关信号 s 与一频率固定的方波信号 (时钟信 号) 相比较, 得到其相位差 < 后经过比例积分环节得 到期望的滞环比较器带宽2h。实际上, 这是一个跟踪 8hL (E (1- (u0) 2) 变化的简单闭环控制回路。
与单相系统不同, 传统的三相滞环电流控制中
三相开关控制不独立, 相互干扰, 即每相的开关周期
受其他两相开关的影响, 难以直接采用上面的定频
化技术。文献[ 2 ]中提出了消除三相之间相互干扰的
方法, 使每相的控制等同于单相滞环控制, 从而能应
用定频控制技术。
(2) 三相系统中的定频滞环电流控制
三相有源滤波器可简化成图4所示的等值电路,
ABSTRACT: In th is paper a novel hysteresis cu rren t con tro l m ethod based on quasi2op tim ized space vo ltage vecto rs fo r A c2 tive Pow er F ilters (A PF) w ith con stan t sw itch ing frequency is p ropo sed. T he location region of reference vo ltage vecto r is detected by a set of hysteresis com parato rs. Tw o app rop riate sw itches are then selected to con tro l the tw o co rrespond ing in2 ter2phase cu rren ts independen tly. T h is m ethod is character2 ized by con stan t sw itch ing frequency w ithou t estim ating the param eter of the system , the h igh u tilizing rate of DC vo ltage and good con tro l accu racy. T he com p rehen sive perfo rm ance of A PF is im p roved no ticeab ly w h ich is verified by com pu ter sim 2 u lation resu lts.
第 24 卷 第 2000 年 6
月6 期 Pow
电 网 技 术 er System T echno
V
logy
J
o l. un.
24 N o. 6 2000
文章编号: 100023673 (2000) 0620001208
有源滤波器定频滞环电流控制新方法
KEY WORD S: A ctive Pow er F ilters (A PF ) ; pow er system harm on ics; pow er quality, hysteresis cu rren t con tro l; vo ltage space vecto r 摘要: 提出了一种基于优化电压矢量的有源滤波器定频滞环 电流控制新方法。该方法用一组滞环比较器判定参考电压矢 量所在区域, 并据此选择适当的两相开关独立地用定频滞环 控制技术控制相应的相间电流, 以实现良好的电流跟踪。 这 一方法的主要特点是无需估计系统阻抗参数即可用优化电 压矢量实现定频滞环控制, 因此既具有较高的直流电压利用 率和较高的控制精度, 又保持了稳定的开关频率, 从而有效 地提高了有源滤波器的综合性能。计算机仿真结果表明了本 方法的有效性。
目前应用于有源滤波器的电流控制方法一般有 两类, 即滞环电流控制方法和三角波电流控制方 法[1]。前者精度较高且响应快, 但开关频率可能波动 很大, 而后者开关频率恒定, 装置安全性较高, 但响 应较慢, 精度较低。 通过三相解耦后调节滞环宽度, 文献[ 2 ]~ [ 5 ]中的方法应用于电机驱动时实现了滞 环控制的定频化, 同时还保持了滞环控制精度高和 响应速度快的优点, 文献[ 6 ]将其带宽拓宽后应用于 有源滤波器, 其控制效果优于定频控制的三角波电 流控制法, 但这种方法的直流电压利用率比较低, 增 大了有源滤波器的容量、损耗及造价。而基于电压矢 量的控制方法[7~ 10]有较高的直流电压利用率和控制 精度, 尤其是文献[ 10 ]中的方法能判定参考电压矢 量所在区域从而应用最优电压矢量进行控制, 使其 性能进一步提高, 但这类方法的开关频率仍有波动。 因此, 研究一个既保持恒定的开关频率, 又有较高的 直流电压利用率的滞环电流控制方法成为目前同时 提高有源滤波器性能和效率的难题。
图1 有源滤波器原理图 F ig. 1 APF pr inc ipa l c ircu it
2. 1 定频滞环电流控制
(1) 单相定频滞环电流控制
图2 (a) 为单相电压源逆变器的等值电路, 逆变
器输出电压为 u, 经元件 R、L 与一电压源 e 相连接,
其输出电流为 i。显然, 瞬时值电路方程为
L
曾 江1, 焦连伟1, 倪以信2, 陈寿孙1, 张宝霖1
(1. 清华大学电机系, 北京 100084; 2. 香港大学电机与电子工程系, 香港)
A NEW CURRENT CONTROL M ETHOD FOR ACT IVE POW ER F IL TERS W ITH CONSTANT SW ITCH FREQUENCY
d d
i t
+
R i=
u-
e
(1)
若要控制输出电流 i 跟踪某参考 (指令) 电流
i3 , 其误差幅值不允许超过 h, 假定输出电流为参考
电流 i3 时, 则有
L
d i3 dt
+
R i3
=
u3
-
e
(2)
上式中 u3 为与参考电流 i3 对应的 V S I 端电压,
可称为参考电压。在这一电压下, 逆变器输出电流将
的变化速率不仅与本相输出电压有关, 还取决于其
他两相的输出电压, 因此对三相系统来说, 在每相的
开关周期 T 和参考电压之间并不存在如式 (7) 那样
的关系, 难以通过调节滞环宽度来稳定开关频率。在
文献[ 2 ]中提出的三相解耦方法的基础上可应用定
ub, uc) T 和电流矢量 ( ia, ib, ic) T; e 为系统电压矢量;
1为各项值均为1的单位矢量; uN 为中性点 N 的电
压, uN = (ua + ub + uc) 3= (sa + sb + sc - 3 2) E 3=
u 0。
定义参考电压矢量 u3 为
u3 = R i3 + L
L
d∃ dt
i=
u 2u 3
(3)
V S I 端电压为
E 2 (s= 1) u= - E 2 (s= 0)
这里 E (E > 2 um3 ax ) 为直流电压源电压值。相应的滞
环电流控制如图2 (b) 所示。
2 有源滤波器及其滞环电流控制方法
一典型的基于电压源逆变器 (V S I) 的有源滤波 器 (A PF) 的基本框图如图1所示。图中的指令电流运 算电路计算出有源滤波器应输出的补偿电流 ic3 , 电 流跟踪控制电路则根据当前的实际输出的补偿电流 ic 与指令电流 ic3 之差 ∃ ic 确定有效减小其幅值的开 关状态。显然当计算出指令电流后电流跟踪控制电 路的控制方法将是决定 A PF 性能的关键环节。
d i3 dt
+
e
(9)
式中 i3 为参考电流矢量 ( ia3 , ib3 , ic3 ) T。
若定义电流误差矢量为 ∃ i= i- i3 , 将式 (8) 和
(9) 相减, 可得
L
d∃ dt
i+
R ∃ i=
u-
u3 -
uN 1
(10)
由式 (10) 可知, 由于 uN 1的存在, 每相电流误差
ZEN G J iang1, J IAO L ian2w ei1, N I Y i2x in2, CH EN Shou2sun1, ZHAN G B ao2lin1 (1. D epartm en t of E lectrical Engineering, T singhua U n iversity, B eijing 100084, Ch ina; 2. D epartm en t of E lectrical & E lectron ic Engineering, T he U n iversity of Hong Kong, Hong Kong SA R , Ch ina)
负荷中的谐波。 由于有源滤波器的输出电流包含高 次谐波和暂态电流, 要求其实际输出电流对指令电 流有很高的跟踪能力, 当有源滤波器的主回路及控 制对象均已确定的情况下, 其输出电流的控制方法 将对有源滤波器性能和效率有着重要影响。