并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器電流控制誤差的研究

1、并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器電流控制誤差的研究趙國鵬，劉進(jìn)軍，王兆安（西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049）摘要：直接電流控制在應(yīng)用于并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器的控制時包含兩個控制環(huán)，分別是電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)。在實(shí)際應(yīng)用的并聯(lián)有源電力濾波器和靜止無功發(fā)生器中，電流環(huán)的跟蹤有一個非常大的誤差，指令電流可能是輸出電流的幾倍，但是補(bǔ)償效果卻可以接受。針對這個比較奇特的現(xiàn)象，本文做了詳細(xì)分析，最終得出了電流環(huán)跟蹤誤差的原因。本文還得出了影響跟蹤誤差的變量，最后給出了誤差的影響以指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。仿真和實(shí)驗結(jié)果證明了本文的分析結(jié)果。關(guān)鍵詞：靜止無功發(fā)生器；并聯(lián)有源電力濾波器；直接電流控制；電流跟蹤誤差1 引言并聯(lián)型

2、電能質(zhì)量控制器在近幾年得到了廣泛的應(yīng)用 1。例如并聯(lián)型有源電力濾波器（Parallel Active power Filters, 簡稱PAPF）和靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator, 簡稱SVG）。在并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器中有一個并網(wǎng)的電壓型變流器。直接電流控制和間接電流控制是電流控制常用的兩種方法，電流控制在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用也非常廣泛1。直接電流控制一般包括兩個控制環(huán)：一個是電流環(huán)，另一個是電壓環(huán)1。在每個控制環(huán)中都有一個PI（比例積分）控制器。在SVG和PAPF系統(tǒng)中，電流環(huán)的跟蹤誤差是指令電流和實(shí)際輸出電流之間的誤差，通常PI參數(shù)越大，跟蹤誤差越小。但是，在很多控制系

3、統(tǒng)中，由于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求和工程實(shí)現(xiàn)的要求電流環(huán)的PI參數(shù)值不能調(diào)節(jié)到近似無窮大。本文應(yīng)用一個具有有源濾波功能的SVG來補(bǔ)償電源中的由負(fù)載引起的無功和諧波電流，補(bǔ)償效果好，輸出的是負(fù)載的無功和諧波電流，但是電流環(huán)中存在一個很大的跟蹤誤差。本文詳細(xì)分析了這個現(xiàn)象。在圖1中，指令電流峰值約為60A，輸出電流峰值約為20A，輸出電流和指令電流之間有約40A的誤差，是一個很大的跟蹤誤差，但是在圖2中，輸出電流峰值約為20A，無功和諧波指令電流峰值約為20A，誤差很小。圖3和圖4給出了補(bǔ)償前后電源電壓和電源電流的關(guān)系。補(bǔ)償后電源電流近似為正弦，無功和諧波的含量很小。這個很大的跟蹤誤差在PAPF和SVG中

4、普遍存在。 圖1 輸出電流和 圖2 輸出電流和 圖3 補(bǔ)償前電源電壓 圖4 補(bǔ)償后電源電壓 指令電流 無功諧波指令電流 和負(fù)載電流 和電源電流在傳統(tǒng)的直接電流控制方法中通常的控制目標(biāo)是輸出電流等于指令電流，但是實(shí)驗現(xiàn)象是輸出電流峰值與指令電流峰值相差40A，且指令電流峰值近似為輸出電流峰值的3倍，以上現(xiàn)象與控制目標(biāo)不符。為什么有如此大的跟蹤誤差卻有好的補(bǔ)償效果？此跟蹤誤差是否是電流環(huán)中的比例控制誤差？本文在電流環(huán)系統(tǒng)框圖和傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上，分析了跟蹤誤差產(chǎn)生的原因，得出了影響跟蹤誤差的變量和跟蹤誤差對系統(tǒng)補(bǔ)償特性的影響，同時分析了在很大的跟蹤誤差情況下補(bǔ)償效果好的原因。仿真和實(shí)驗結(jié)果證明了本文

5、分析的正確性。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有源濾波型SVG的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。圖6為單相等效電路，圖7為控制框圖。指令電流檢測應(yīng)用的是瞬時無功功率理論，系統(tǒng)應(yīng)用雙極性三角波比較直接電流控制方法1。 圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖6 單相等效電路 圖7 指令電流檢測框圖 圖8 雙極性三角波比較直接電流控制框圖3 電流環(huán)跟蹤誤差分析直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示，單位反饋框圖如圖10所示。主電路的損耗等效為R上的損耗，損耗大小由R大小決定2。 圖9 電流環(huán)控制框圖 圖10 單位反饋電流環(huán)控制框圖為諧波和無功的指令電流，為補(bǔ)償變流器損耗的電流，指令電流為。 是PI參數(shù)值，由于積分參數(shù)值較小，所以積分參數(shù)值忽略不計。

6、是AD轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，是跟蹤誤差。PWM環(huán)節(jié)可等效為一個比例環(huán)節(jié)和一個延時環(huán)節(jié)，是PWM延時時間3。為比例系數(shù)， ,為三角波峰值。系統(tǒng)是兩輸入一輸出系統(tǒng)，所以分別討論每個輸入對輸出的影響。3.1指令電流對跟蹤誤差的影響設(shè)電源電壓為0，輸出電流為。輸出電流與輸入指令之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)如式(1)。 (1) 令 , 可得頻率特性如式(2)所示。 (2)由實(shí)際應(yīng)用中的參數(shù)可知，截止頻率為, 此值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于要補(bǔ)償?shù)闹C波頻率, 所以閉環(huán)傳遞函數(shù)表示為式(3)。從式(3)知，當(dāng)只考慮指令電流對跟蹤誤差影響時，輸出電流與輸入的指令電流相等，所以可得式(4)。 (3) (4)3.2 電源電壓對跟蹤誤差的影響假設(shè)輸入

7、電流指令為0。此時輸出電流為?？傻秒娫措妷旱捷敵鲭娏?的閉環(huán)傳遞函數(shù)。頻率特性表示為式(5)。 (5) 假設(shè)電源電壓是50Hz正弦波，不含有諧波，所以，在實(shí)際應(yīng)用中, 、 、 和 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 。所以輸出電流如式(6)所示。 (6)電源電壓影響輸出電流，比例參數(shù)值為無窮大時，輸出電流不受電源電壓影響，但是實(shí)際系統(tǒng)中比例參數(shù)值不能達(dá)到無窮大，所以這個影響在實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)中是普遍存在的，電流跟蹤誤差也是普遍存在的，根據(jù)式(6)知誤差的值是很大的。3.3 兩個輸入同時作用時對跟蹤誤差的影響從式(6)可知，輸出電流受電源電壓的影響，產(chǎn)生一個電流跟蹤誤差，總的輸出電流如式(7)所示,電流跟蹤誤差如下式(8)

8、所示。 (7) (8)由電源電壓引起的落后于電源電壓180o，所以是有功電流，不影響無功和諧波電流的補(bǔ)償。這就是為什么有電流跟蹤誤差但是有可以接受的補(bǔ)償效果的原因。 從式(8)可知，變流器吸收一個很大的有功電流，因為有直流側(cè)電壓控制環(huán)存在，通過改變抑制了電源電壓對輸出電流的影響，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，如圖11所示4。圖11 含有電壓環(huán)的基波有功電流跟蹤控制系統(tǒng)框圖綜上所述，在PAPF和SVG中，電流跟蹤誤差由電源電壓引起，電流環(huán)比例參數(shù)不能調(diào)節(jié)到無窮大，所以很大的電流跟蹤誤差普遍存在。電源電壓影響輸出電流的有功部分，通過電壓環(huán)控制改變指令來抑制電源電壓影響使得輸出電流為期望值，不影響輸出的無功和諧波電

9、流，這就是有很大跟蹤誤差但是有好的補(bǔ)償效果的原因。4 仿真與實(shí)驗為了證明式(8), 對有源濾波型SVG做了仿真研究。如圖12，存在一個很大的電流跟蹤誤差，但是補(bǔ)償效果好。其中KiP=1.5, Udc=750V, KFB=50, UT=5859, ua=311cost。 (a)輸出電流和指令電流 (b)輸出電流和負(fù)載無功諧波電流 (c)補(bǔ)償效果圖12 仿真結(jié)果(a)改變KiP (b)改變Udc (c)改變UT (d)改變KFB (e)改變uk圖13 改變參數(shù)時輸出電流和指令仿真圖在圖13中，KiP、Udc和KFB 增加為原來的2倍，UT 和 減小為原來的一半,此時電流跟蹤誤差減小。通過仿真證明了

10、式(8)的正確性，同時證明了分析的正確性。 實(shí)驗結(jié)果如圖14和圖15所示，因為電源電壓的影響，存在一個很大的電流跟蹤誤差。在圖14中，輸出電流（波形3）和指令電流（波形1）之間存在一個很大的電流跟蹤誤差，輸出電流（波形3）與負(fù)載無功諧波電流（波形2）近似相等（因為補(bǔ)償變流器損耗的電流很?。?。圖15是補(bǔ)償前的電源電壓、負(fù)載電流和補(bǔ)償后的電源電流，從圖中可以看出補(bǔ)償效果好。 圖14指令電流、負(fù)載無功諧波指令電流和輸出電流 圖15 補(bǔ)償后的電源電壓、負(fù)載電流和電源電流公式(8)的實(shí)驗驗證如圖16所示，改變各變量，指令電流由波形1變?yōu)椴ㄐ?,波形3是變流器輸出電流。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電源電壓變化不大，

11、所以省略了變量uk的變化的實(shí)驗。實(shí)驗證明公式(8)的正確性，而且得到同圖13仿真結(jié)果相同的結(jié)論。(a)改變KiP (b)改變Udc (c)改變UT (d)改變KFB圖16 改變參數(shù)時指令電流和輸出電流實(shí)驗波形 仿真和實(shí)驗驗證了本文分析的正確性。5 電流跟蹤誤差的影響如果變量 KiP、 Udc 、KFB 和 UT 選擇不合適，電流跟蹤誤差將非常大，導(dǎo)致在三角波比較時，調(diào)制波峰值大于載波峰值。當(dāng)設(shè)計一個控制系統(tǒng)時，目的是合理選擇參數(shù)KiP、 Udc 、KFB 和 UT使得式子 成立，且調(diào)制波不限幅，即調(diào)制比小于1。調(diào)制比為 (9)圖17是實(shí)驗系統(tǒng)的電源電壓和負(fù)載電流。如果選擇參數(shù)KiP、 Udc

12、、KFB 和 UT不合理，調(diào)制波的峰值會達(dá)到PWM的限幅值，如圖18所示，調(diào)制波峰值達(dá)到限幅值，輸出電流受到了影響，在圖19中，改變參數(shù)KiP、 Udc 、KFB 和 UT, 調(diào)制波峰值小于PWM限幅值，不會影響輸出電流，如圖20。在5中加電源電壓前饋可以減小跟蹤誤差，但是需要增加電壓檢測環(huán)節(jié)，增加成本。本文不檢測電源電壓，通過合理設(shè)計參數(shù)消除了跟蹤電流的影響。綜上，在設(shè)計系統(tǒng)時要避免跟蹤誤差對補(bǔ)償特性的影響，合理選擇參數(shù)。首先根據(jù)需要選擇合理的直流側(cè)電壓Udc，使比例調(diào)節(jié)器參數(shù)值KiP在穩(wěn)定運(yùn)行的前提下取最大值，如果調(diào)制波限幅，那么調(diào)整三角的幅值UT和反饋系數(shù)KFB到合理的值便可避免限幅。這

13、樣就可以消除電流跟蹤誤差就對補(bǔ)償特性的影響。 圖17 補(bǔ)償前 圖18 調(diào)制波限幅 圖19調(diào)制波不限幅 圖20補(bǔ)償結(jié)果6 結(jié)論本文詳細(xì)分析了并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在的很大的電流控制誤差現(xiàn)象，得出了存在電流跟蹤誤差但是有好的補(bǔ)償效果的原因。原因是P調(diào)解器參數(shù)不能無窮大，對電源電壓的影響不能完全抑制，電源電壓影響了輸出電流的有功電流，但是不影響無功和諧波電流，電壓環(huán)提供有功電流平衡了這個影響，致使指令電流與輸出電流之間存在大的跟蹤誤差但輸出的是欲補(bǔ)償?shù)臒o功和諧波電流。本文還推導(dǎo)出了影響電流跟蹤誤差的變量與電流跟蹤誤差的量化關(guān)系。分析了電流跟蹤誤差對補(bǔ)償特性的影響，這些方法可以指導(dǎo)實(shí)際

14、應(yīng)用，設(shè)計出可靠的補(bǔ)償器。仿真和實(shí)驗結(jié)果證明本文的分析的正確性。參考文獻(xiàn)：1 王兆安, 等.諧波抑制和無功補(bǔ)償 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.2 F. Casanellas, “Losses in PWM inverters using IGBTs,” Electric Power Applications, IEE Proceedings, Volume 141,  Issue 5,  Sept. 1994 Page(s):235 239.3 Vladimir Blasko, Vikram Kaura, “A novel control to actively da

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