有源電力濾波器ＰＷＭ信號(hào)控制方法初探

1、有源電力濾波器信號(hào)控制方法初探         10-07-08 16:18:00     作者：尹發(fā)根    編輯：studa20摘要:有源電力濾波已成為了最有效的電力諧波抑制手段,PWM控制廣泛的應(yīng)用在有源電力濾波器的控制系統(tǒng)中。本文對(duì)各種PWM信號(hào)控制方式進(jìn)行了介紹和比較,重點(diǎn)分析了滯環(huán)比較PWM控制方式和三角波比較PWM控制方式的原理,總結(jié)了各種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。 關(guān)鍵詞:PWM控制;諧波抑制;滯環(huán)比較;三角波比較 0 引言 有

2、源電力濾波器由于其優(yōu)良的性能而在電力濾波中逐漸替代無源濾波器。由于有源濾波器的原理是自身實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與諧波方向相反,幅值相同的補(bǔ)償電壓(電流),這就要求濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓(電流)必須具有很好的跟蹤性和準(zhǔn)確性。PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制是有源電力濾波器控制系統(tǒng)中最常用,也是最有效的控制方法。當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到諧波后,指令運(yùn)算電路根據(jù)檢測到的諧波產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào),該信號(hào)通過跟蹤控制電路生成PWM信號(hào),最后驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM信號(hào)產(chǎn)生補(bǔ)償電壓(電流)。目前采用的PWM控制方式主要有滯環(huán)比較方式、三角波比較方式、無差拍控制、單周控制等,以上方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn),本文將對(duì)幾種常用的PWM控制方式進(jìn)行探討。 1

3、 滯環(huán)比較PWM控制方式 滯環(huán)比較控制方法是將補(bǔ)償電流(電壓)的指令信號(hào)與逆變器實(shí)際電流(電壓)補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行比較,兩者之差輸入到具有滯環(huán)特性的比較器,通過比較器的輸出來控制開關(guān)的開合,從而達(dá)到變流器輸出值實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流(電壓)參考值。 補(bǔ)償電流的指令信號(hào)i*c與實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)ic進(jìn)行比較,兩者的偏差ic作為滯環(huán)比較器的輸入。用H表示滯環(huán)比較器的環(huán)寬,當(dāng)icH時(shí),滯環(huán)比較器的輸出將翻轉(zhuǎn),則補(bǔ)償電流ic的方向隨之改變,使ic減小,保證了補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的變化。這種控制方法硬件電路簡單,屬于實(shí)時(shí)控制方式的一種,補(bǔ)償量響應(yīng)快,開關(guān)損耗小,而且不用載波,在逆變器的輸出中不含特定頻率的諧波分量。

4、缺點(diǎn)是系統(tǒng)的開關(guān)頻率、響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度會(huì)受滯環(huán)帶寬影響。帶寬固定時(shí),開關(guān)頻率會(huì)隨補(bǔ)償電流變化而變化,從而引起較大的脈動(dòng)電流和開關(guān)噪聲。 2 三角波比較PWM控制方式 三角載波比較的跟蹤控制方法是最簡單的一種控制方法。 該方式將補(bǔ)償電壓的指令信號(hào)U*c與實(shí)際的補(bǔ)償電壓信號(hào)Uc進(jìn)行比較,兩者的偏差Uc經(jīng)放大器A之后再與三角波比較,所得到的矩形脈沖作為變流器各開關(guān)元件的控制信號(hào),從而在變流器輸出端獲得所需的波形。放大器A往往采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把Uc控制為最小來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該調(diào)制方法的最大優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率固定,簡單易行,響應(yīng)速度快,對(duì)具有足夠高開關(guān)頻率的

5、系統(tǒng)有良好的控制特性,缺點(diǎn)是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量,開關(guān)損耗較大,在大功率應(yīng)用中受到限制。      10-07-08 16:18:00     作者：尹發(fā)根    編輯：studa203 無差拍控制 無差拍控制是一種建立在精確數(shù)學(xué)模型與嚴(yán)密數(shù)學(xué)推導(dǎo)之上的狀態(tài)反饋控制,控制質(zhì)量很大程度上依賴于控制器參數(shù)與主電路參數(shù)的配合。無差拍控制的主要特點(diǎn)是采用預(yù)測的手段,其基本思想是根據(jù)在第K個(gè)采樣時(shí)刻所檢測的負(fù)載電流和補(bǔ)償電流,計(jì)算第K+l時(shí)刻的指令電流值和各種

6、可能開關(guān)狀態(tài)下補(bǔ)償電流的預(yù)測值。然后計(jì)算某種特定的目標(biāo)函數(shù)(一般為指令值和預(yù)測值的累計(jì)誤差),選擇目標(biāo)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài)作為K+l時(shí)刻的開關(guān)依據(jù)。這種控制方法的動(dòng)態(tài)性能好,可以消除穩(wěn)態(tài)誤差,并且能在最短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束過渡過程,它的缺點(diǎn)是對(duì)模型參數(shù)敏感而且魯棒性差。另外控制器參數(shù)是根據(jù)主電路元件標(biāo)稱參數(shù)計(jì)算得到的,標(biāo)稱參數(shù)與元件的實(shí)際參數(shù)存在著一定的差,且受溫度、運(yùn)行條件的影響會(huì)有一定的漂移,這樣就會(huì)導(dǎo)致控制器參數(shù)與主電路參數(shù)不能很好地配合,從而引起系統(tǒng)極點(diǎn)改變,破壞無差拍控制條件。 4 單周控制 單周控制是一種非線性控制法,將非線性控制的本質(zhì)與開關(guān)電路有機(jī)的結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)。這種方法

7、的基本思想是:控制開關(guān)占空比,在每個(gè)周期內(nèi)使開關(guān)變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例,從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差,使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期,實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參考的瞬時(shí)跟蹤。 單周控制法作為一種新型非線性控制法,具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、響應(yīng)速度快,特別是具有控制性能對(duì)系統(tǒng)和電源參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn),克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足,適用于各種脈寬調(diào)制、軟開關(guān)、諧振開關(guān)等開關(guān)逆變器,用用于有源電力濾波器控制時(shí),具有不需要檢測、可分離畸變信號(hào)和控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。 5 最優(yōu)矢量控制 最優(yōu)矢量控制方法選取最優(yōu)的空間電壓矢量,對(duì)電流(電壓)偏差微分矢量進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流(電壓)偏差矢量的控制。

8、在獲得電流(電壓)的快速響應(yīng)的同時(shí),抑制了輸出電流(電壓)的高次諧波,降低了功率器件的工作頻率,降低了有源濾波器的損耗。 6 結(jié)束語 本文對(duì)有源電力濾波器主要的幾種PWM信號(hào)控制方法進(jìn)行了介紹和比較,另外PWM信號(hào)控制方法還有空間矢量控制法、模糊邏輯控制法、自適應(yīng)控制法以及學(xué)習(xí)控制法等,它們在應(yīng)用中都各有優(yōu)勢和不足。在實(shí)際應(yīng)用中一般根據(jù)側(cè)重點(diǎn)以及具體環(huán)境、條件的不同而選擇最適合的方法。 參考資料 1葉忠明等.一種混合有源電力濾波器的研究.電力系統(tǒng)自動(dòng)化.1998(7) 2孫輝等.電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)及其應(yīng)用.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào).2003,3 3李玉梅,馬偉明.無差拍控制在串聯(lián)電力有源濾波器中的應(yīng)用.

9、電力系統(tǒng)自動(dòng)化.2001,25 4萬健如,裴瑋等.統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器同步無差拍控制方法研究.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào).2005,25(13) 5蔣強(qiáng).基于DSP的三相有源電力濾波器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.四川大學(xué).2002 6 胡銘,陳珩.有源濾波技術(shù)及其應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2000,24(3) 7 胡俊達(dá),張著彬.電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生、危害和抑制J.電氣時(shí)代.2003,12      10-07-08 16:18:00     作者：尹發(fā)根    編輯：studa203 無差拍控制 無差

10、拍控制是一種建立在精確數(shù)學(xué)模型與嚴(yán)密數(shù)學(xué)推導(dǎo)之上的狀態(tài)反饋控制,控制質(zhì)量很大程度上依賴于控制器參數(shù)與主電路參數(shù)的配合。無差拍控制的主要特點(diǎn)是采用預(yù)測的手段,其基本思想是根據(jù)在第K個(gè)采樣時(shí)刻所檢測的負(fù)載電流和補(bǔ)償電流,計(jì)算第K+l時(shí)刻的指令電流值和各種可能開關(guān)狀態(tài)下補(bǔ)償電流的預(yù)測值。然后計(jì)算某種特定的目標(biāo)函數(shù)(一般為指令值和預(yù)測值的累計(jì)誤差),選擇目標(biāo)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài)作為K+l時(shí)刻的開關(guān)依據(jù)。這種控制方法的動(dòng)態(tài)性能好,可以消除穩(wěn)態(tài)誤差,并且能在最短的時(shí)間內(nèi)結(jié)束過渡過程,它的缺點(diǎn)是對(duì)模型參數(shù)敏感而且魯棒性差。另外控制器參數(shù)是根據(jù)主電路元件標(biāo)稱參數(shù)計(jì)算得到的,標(biāo)稱參數(shù)與元件的實(shí)際參數(shù)存在著一定的差

11、,且受溫度、運(yùn)行條件的影響會(huì)有一定的漂移,這樣就會(huì)導(dǎo)致控制器參數(shù)與主電路參數(shù)不能很好地配合,從而引起系統(tǒng)極點(diǎn)改變,破壞無差拍控制條件。 4 單周控制 單周控制是一種非線性控制法,將非線性控制的本質(zhì)與開關(guān)電路有機(jī)的結(jié)合,可以實(shí)現(xiàn)快速的瞬態(tài)響應(yīng)。這種方法的基本思想是:控制開關(guān)占空比,在每個(gè)周期內(nèi)使開關(guān)變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例,從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差,使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期,實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參考的瞬時(shí)跟蹤。 單周控制法作為一種新型非線性控制法,具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、響應(yīng)速度快,特別是具有控制性能對(duì)系統(tǒng)和電源參數(shù)變化不敏感等優(yōu)點(diǎn),克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足,適用于各種脈寬

12、調(diào)制、軟開關(guān)、諧振開關(guān)等開關(guān)逆變器,用用于有源電力濾波器控制時(shí),具有不需要檢測、可分離畸變信號(hào)和控制電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。 5 最優(yōu)矢量控制 最優(yōu)矢量控制方法選取最優(yōu)的空間電壓矢量,對(duì)電流(電壓)偏差微分矢量進(jìn)行控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流(電壓)偏差矢量的控制。在獲得電流(電壓)的快速響應(yīng)的同時(shí),抑制了輸出電流(電壓)的高次諧波,降低了功率器件的工作頻率,降低了有源濾波器的損耗。 6 結(jié)束語 本文對(duì)有源電力濾波器主要的幾種PWM信號(hào)控制方法進(jìn)行了介紹和比較,另外PWM信號(hào)控制方法還有空間矢量控制法、模糊邏輯控制法、自適應(yīng)控制法以及學(xué)習(xí)控制法等,它們在應(yīng)用中都各有優(yōu)勢和不足。在實(shí)際應(yīng)用中一般根據(jù)側(cè)重點(diǎn)以及具體環(huán)境、條件的不同而選擇最適合的方法。 參考資料 1葉忠明等.一種混合有源電力濾波器的研究.電力系統(tǒng)自動(dòng)化.1998(7) 2孫輝等.電能質(zhì)量調(diào)節(jié)技術(shù)及其應(yīng)用.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào).2003,3 3李玉梅,馬偉明.無差拍控制在串聯(lián)