基于模擬電路的有源電力濾波器研制

1、基于前饋控制有源電力濾波器研制唐欣i，涂春鳴2（i.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院）摘要：提出了一種有源濾波器的前饋控制策略對電網(wǎng)電流和逆變器直流側(cè)電壓進(jìn)行了雙閉環(huán)控制。 基于開關(guān)平均模型設(shè)計了前饋控制器和電流控制器，并建立了功率模型對電壓控制器進(jìn)行了設(shè)計。 由于電網(wǎng)電壓在系統(tǒng)啟動時會產(chǎn)生很大沖擊電流，通過引入前饋控制有效地降低了作為擾動的電網(wǎng) 電壓和直流電壓對被控電流的影響，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時，利用直流電壓控制環(huán)直接獲取 電流參考信號對電網(wǎng)電流進(jìn)行控制，簡化了控制算法。此外，本文方法無需檢測負(fù)載電流和逆變器 輸出電流，且無需鎖相環(huán)電路，降低了有源濾波器

2、的成本，有利于工程應(yīng)用。本文利于模擬器件實 現(xiàn)控制電路進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果證明了本文方法的可行性。， 關(guān)鍵詞：有源濾波器，前饋控制，模擬器件 屮圖分類號：tm921development of a single-phase active filter using analogue controllertang xin1, tu chunming2（1. college of electrical engineering, changsha university of science and technology；2. college of electrical engineering, h

3、unan university）abstract: a simple control strategy for active power filter is proposed in order to control the supply current and dc voltage of the inverte匚 based on state-space averaging model the feed-forward controller and the current controller are designed. furthermore, the voltage controller

4、is designed by modeling the power model. the feed-forward controller can effectively reduce the effect of the supply voltage, and then improve the dynamic characteristics of the system. the current reference signal is directly obtained from the voltage control loop and the sensors for detecting the

5、load current or the output current are not necessary. as a result, the control circuit is simple and easy for engineering implementation. analog devices based the control circuit was developed and the experiment results demonstrated the effectiveness of the proposed methodkeywords: active filter, fe

6、ed-forward control, analogue device1.引言隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)的污染日趨嚴(yán)重。傳統(tǒng)的無源濾波器rti 于存在濾波效果不夠理想和易與電網(wǎng)發(fā)生諧振等缺點，正逐步被有源電力濾波器所取代山。有源電力濾波器的基木原理是產(chǎn)生與負(fù)載諧波電流（電壓）方向相反而幅值相等的諧波電流（電 壓）去消除電網(wǎng)屮的有害諧波。這就要求對有源濾波器的控制具有較好的跟蹤性和實時性，大暈的 文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。在輸出電流控制參考信號獲取方法研究方面，fft檢測方法能檢測出 各次諧波的幅值和相位，但其計算暈和延時比較大；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測方法需要大量的時間來訓(xùn)練樣國家自

7、然科學(xué)基金項冃(50907019)project supported by national natural science foundation(50907019)本，它也難以滿足實時的要求。基于自適應(yīng)對消原理的諧波檢測法的自適應(yīng)能力很好，能較好地跟 蹤檢測且精度較高，缺點是動態(tài)響應(yīng)較慢；基于瞬時無功功率理論的檢測算法可以分別檢測諧波 和無功功率，但其算法相對比較復(fù)雜經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒m然在一定程度上降低了檢測算法的 復(fù)雜度，但其計算量仍然相對比較大。在電流跟蹤控制方法研究方面，采用滯環(huán)控制可以獲得良好 的動態(tài)跟蹤性能，但存在控制精度不高和開關(guān)頻率變化的缺點i®；文獻(xiàn)1112對滯環(huán)控

8、制做了改 進(jìn)工作，提高了其控制性能，但增大了控制算法的復(fù)雜度；滑模變結(jié)構(gòu)控制i具有良好的快速性， 但其存在穩(wěn)態(tài)誤差不可消除的缺點；無差拍控制i可快速預(yù)測諧波電流的變化趨勢、易于計算機(jī)執(zhí) 行，但對預(yù)測模型的依賴性較大、因算法復(fù)雜導(dǎo)致預(yù)測周期增大進(jìn)而引起較大的預(yù)測誤差最終影響 補(bǔ)償效果；文獻(xiàn)15161提出了采用廣義積分器對各次諧波分別積分，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差，但增大了 計算量，降低控制的實時性。總的來說，這些方法的算法比較復(fù)雜、應(yīng)用成本高。為減小控制算法的復(fù)雜度和降低控制電路成本，本文提出了一種有源電力濾波器的簡單控制策 略。這種控制策略以電流環(huán)為內(nèi)環(huán)和電壓環(huán)為外環(huán)分別對電網(wǎng)電流和逆變器的直流側(cè)電壓

9、進(jìn)行控 制，利用開關(guān)平均模型設(shè)計控制器，并引入電壓前饋補(bǔ)償消除電網(wǎng)電壓和直流電壓對輸出電流的影 響。2. 系統(tǒng)描述圖1為單相有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)圖，圖屮匚、和心分別為負(fù)載電流、電網(wǎng)電流和 濾波電流，us(r)和他分別是電網(wǎng)電壓和直流支撐電壓，厶為濾波電感。采用開關(guān)平均法可建 立系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為：(1)式中，d(/)為占空比。l if =2d(t) -1% + % c；c("=i_2da).a)3. 電流環(huán)控制3. 1電流環(huán)描述由式(1)可知，如杲直流電壓他能很好的控制為"c，則濾波電流可近似為l if =2ucd(t) - uc (z) + us (r)由此可以畫出電流

10、控制框圖如圖2所示，圖中,；(/)為電網(wǎng)電流控制參考信號，g“($)為電流控制 器。圖2電流控制框圖fig. 2 current control loop為消除電網(wǎng)電壓和直流電壓的影響，本文引入了前饋控制器，其傳動函數(shù)為(3)電流控制器采用傳統(tǒng)的pi算法，其算式為(4)本文利用電網(wǎng)電壓產(chǎn)生電網(wǎng)電流有功分量的正弦因子，再將正弦因子與電壓控制器的輸出相 乘，得到期望的電網(wǎng)有功電流，；(/),因而心是與電網(wǎng)電壓同頻同相的正弦量，其周期為20ms, 因此，電流控制器參數(shù)設(shè)計顯得尤其重要。3.2電流控制器參數(shù)設(shè)計由圖2可知，電網(wǎng)電流對其控制參考信號的傳遞函數(shù)為(5)g (s)=【sg)- 2uc(kp&

11、#176;s + kg)°_ i；(5)_ ls，duckpos + s由于2；是一個周期為20ms的周期量，因此要求閉環(huán)傳遞函數(shù)有一定的帶寬,使得電流環(huán)對5()hz 的參考信號有很好的帶通特性。由式(5)可知，電流環(huán)的特征方程為(6)g) = ls2 + 2uckp()s + 2uckiq© =加2或=l設(shè)計電流環(huán)的無阻尼口然頻率©為工頻九的m倍，得到(7)因而得到電流環(huán)的阻尼率乙由下式確定:(9)設(shè)計電流環(huán)臨界阻尼，即乞=1,可得(10)4. 電壓環(huán)控制4.1電壓環(huán)描述本文基于有功平衡理論對逆變器直流側(cè)電壓進(jìn)行了控制，其控制框圖如圖3所示，圖中。為常 系數(shù)，g

12、cu(5)為電壓控制器。電壓環(huán)的工作原理是當(dāng)apf啟動時，直流側(cè)電容電壓 % 低于 其設(shè)定值；(/),；(/)比較大，從而控制(/)包含有多余的有功電流成分，而對直流側(cè)電容充電，導(dǎo)致電壓uc(t)上升。當(dāng)直流電壓達(dá)到期望的電壓穩(wěn)定時，期望的電網(wǎng)有功電流(；屮僅包 含了負(fù)載電流匚(/)的有功分量和逆變器的功耗電流，否則直流電壓會變化。圖3逆變器直流側(cè)電壓控制梅圖fig. 3 dc voltage control loop本文采用傳統(tǒng)pi控制器作為電圧環(huán)控制器對直流電壓進(jìn)行跟蹤控制，其算式為g。© 一 kp +s(11)4.2電壓控制器參數(shù)設(shè)計根據(jù)能量守恒原理，可以得到：ps =仇 +

13、pf(12)式中，ps、乙和巴分別為電網(wǎng)輸出的有功功率、負(fù)載吸收的有功功率和并網(wǎng)逆變系統(tǒng)吸收的 有功功率。假若電流環(huán)能很好的控制必跟蹤is，貝u is (/) = i； (/) = m/s(r)vv(z)進(jìn)而求得：ps=usis=(t)us2 式中，us和厶分別為電網(wǎng)電壓和電流的有效值。忽略逆變器的損耗，直流電容c的電壓變化市逆變器吸收的有功功率休.確定: 肱(t)dt = 1 c(uc +(o)2 cuc2對上式求laplace變換，并忽略"(/)的影響可得：awc (5) = pe(s)/ scuc(13)(14)(15)(16)因此可以畫出直流電圧uc(t)的增量控制框圖如圖4

14、所示，圖中g(shù)“(q = l/scuc opw、圖4 aucd)的控制框圖fig.4 block diagram of dc voltage increment controlrti圖4可得到電壓環(huán)的特征方程為(s) = cucs2 + au s' k ps + au s' k iw(f)為減小直流電壓受到電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流的影響取電壓環(huán)的自然頻率為電網(wǎng)工頻九的1/n,從而可以求得5f$cucn2aus2(17)得到:(18)(19)電壓環(huán)的阻尼率滿足:cuc取電壓環(huán)臨界阻尼，即僉=1,得gcu cnaus2(21)5. 實驗裝置為驗證所提岀的方法，本文研制了一臺實驗樣機(jī)。逆變橋

15、采用三菱公司的ipm模塊構(gòu)建，模塊 型號為pm15csj060；濾波電感和直流電容分別為50() uh和470uf；逆變器直流側(cè)電壓和開關(guān)頻 率分別被設(shè)置為400v和20khz；參數(shù)0取().01使得aus (r)的最大值約為3.11v (電網(wǎng)供電電壓為 220v),保證了乘法器的輸出不容易飽和；參數(shù)m取為3,得到電流環(huán)控制器參數(shù)kp°和kg分別 為0.0012和0.56；參數(shù)n取10,得到電壓環(huán)控制器參數(shù)心】和k”分別為().017和0.27。此外， 電網(wǎng)供電電壓和頻率分別為220v和50hz；諧波源為二極管整流橋帶阻容負(fù)載。控制電路的電路圖 如圖5所示。圖5控制電路的電路圖fig

16、. 5 control circuit6實驗結(jié)果圖6給出了濾波前電網(wǎng)電流的波形、頻譜、 波前電網(wǎng)電流畸變嚴(yán)重，總畸變率達(dá)到61.8%, 源濾波器濾波后穩(wěn)態(tài)時電網(wǎng)電流的波形、頻譜、 總畸變率和負(fù)載的功率因數(shù)，從圖中可以看出，濾 功率因數(shù)只有0.77o圖7給出了采用本文方法的有 總畸變率和負(fù)載的功率因數(shù)，從圖屮可以看出，電網(wǎng)電流的各次諧波得到了有效濾除，總畸變率只有6.6%,功率因數(shù)提高到0.99。圖8給出了未引入 前饋控制的有源濾波器的動態(tài)響應(yīng)的波形，通道1為直流電壓的波形，通道2為電網(wǎng)電流的波形， 從圖屮可以看出有源濾波器投入時會產(chǎn)生較大的沖擊電流。圖9給出了引入前饋控制的有源濾波器 的動態(tài)響

17、應(yīng)的波形，通道1為直流電壓的波形，通道2為電網(wǎng)電流的波形，從圖中可以看出有源濾波器投入時沖擊電流比較小。prnt u0autorhs78.6 1.54 a50.0 hz0° 1 1prnt u0 autorhs50.0hz1.97 a(a)電流的波形100nr50150r 13 5 7 9 11 13prnt u0range577182910 -11 .4.0.blnjautoa rmsa pka dc久thd-rcfprnt u0autol.lrange0.31 kw 102k0.40kufl0.77pf1 00dpf0.00 » (b)電流的頻譜(d)負(fù)載的功率因數(shù)(c

18、)電流的總畸變率圖6濾波前電網(wǎng)電流的波形、頻譜、總畸變率和負(fù)載的功率因數(shù)fig. 6 waveform, spectrum and thd of supply current and power factor of load without active filterprnt u0 fiutorns50.0hz1.89 a(a)電流的波形prnt u0 fiutorns田82 1.92 a50.0 hz4° 1 1prnt u0 autorange 1 . 535 2.88 -0.016.6 人 1.49arms 廠1dc%thd-rcf(c)電流的總畸變率(b)電流的頻譜prnt

19、u0fiutorange 0.39 kw 11k 0.40kufl0.99pf0 99dpf人 0.05 ad (d)負(fù)載的功率因數(shù)圖7采用本文方法有源濾波器濾波后電網(wǎng)電流的波形、頻譜、總畸變率和負(fù)載的功率因數(shù)fig. 7 waveform, spectrum and thd of supply current and power factor of load with active filter using proposed controller20ms5ks/s stp d： 800 ps smplsv i v i * iv iv >:sweep: trig typeedge chi

20、coupl i ng朮l$gpgf pos1 ®.彳血0qtr iggerub00mu 飯曲詭 02.0 v 1.9 u rutffl+ -100t> program：0ff圖8未引入前饋控制的有源濾波器的動態(tài)波形(通道1：直流電壓，通道2：電網(wǎng)電流)fig.8 dynamic response waveform of active filter without feedforward controller (channel 1: dc voltage, channel 2: supplycurre m)20ms 5ks/s stp d： 800 ps smpl s:vivi*

21、iviv>i： sweep療auto1. i. 1. i. 1. .1. 1. i. 1. i .img.t.y.p.ei sourcechif acedgeslopepos®r i ggerub00mu ®500mv 02.0 v 1.9 u autffl+乞 -10肌 program：off圖9引入前饋控制的有源濾波器的動態(tài)波形(通道1：直流電壓，通道2：電網(wǎng)電流)fig.9 dynamic response waveform of active filter with feedforward controller (channel 1: dc voltage,

22、channel 2: supplycurrent)6結(jié)論本文研制了一臺低成本的有源濾波器，實現(xiàn)諧波和無功同時補(bǔ)償。采用開關(guān)平均法對開關(guān)頻率 較高的逆變器進(jìn)行建模和分析，引入前饋控制降低了電網(wǎng)電壓和直流電壓對被控電流的影響，抑制 了電網(wǎng)電壓在系統(tǒng)啟動時產(chǎn)生的沖擊電流，利用對直流電壓的控制，無需復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算直接獲得 被控電流的參考信號，簡化了控制算法，同時省掉了負(fù)載電流的檢測電路和鎖相環(huán)電路。參考文獻(xiàn)1j singh, b,ai-haddad, k., and chandra, a. a review of active power filters for power quality impro

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