中性線有源濾波器重復學習控制及其數(shù)字算法實現(xiàn)

1、    中性線有源濾波器重復學習控制及其數(shù)字算法實現(xiàn)        胡洪飛1，吳 笛2，朱 亮3 時間:2008年10月15日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        ? 摘? 要：? 關(guān)鍵詞： 中性線有源濾波器；重復學習控制；DSP；FPGA?1；情

2、況嚴重的甚至會因諧波電流太大超過中性線的設(shè)計承受值而導致中性線燒毀進而引起事故。因此，對于中性線上的零序諧波電流的治理十分必要。? 采用有源方式消除電力系統(tǒng)的諧波電流是目前的研究熱點2。針對中性線上的諧波電流同樣也可以采用有源方式。目前，應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)的有源濾波器主電路絕大多數(shù)采用電壓型三相全橋逆變電路。根據(jù)中線連接方式的不同又分為電容中點式3和四橋臂式4，但這兩種拓撲結(jié)構(gòu)開關(guān)器件多，直流側(cè)均需承受基波電壓，開關(guān)損耗高，且三相之間存在耦合，控制復雜。? 在控制策略方面，針對電流補償目的的有源濾波器如何根據(jù)須補償?shù)闹C波電流轉(zhuǎn)化為電壓型逆變電路的控制電壓，并且確保系統(tǒng)在任何擾動下仍能正確補償

3、諧波電流，是關(guān)系到有源濾波器的補償效果的重要一環(huán)。對于采用PWM技術(shù)控制的逆變器實現(xiàn)的有源濾波器，因其控制目標是使系統(tǒng)線電流中諧波電流為零，采用前饋控制要求精確的系統(tǒng)參數(shù)和逆變器參數(shù)，實際中難以做到；而采用反饋控制要求控制器具有內(nèi)部模型或增益無窮大的控制系統(tǒng)。? 重復學習控制是一種智能控制方法5，適合于可重復操作或周期系統(tǒng)。通過重復學習，可以克服跟蹤控制中模型參數(shù)或動態(tài)結(jié)構(gòu)先驗知識不完全所造成的跟蹤誤差。因此，有源濾波器中的逆變器參考電壓可通過重復學習控制得到。? 本文首先針對中性線上零序諧波電流的治理提出了一種低耐壓的中性線諧波治理裝置的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，通過重復學習控制策略直接獲取逆變器的部

4、分參考電壓分量，最終使控制器獲得逆變器的準確參考電壓，從而使中性線諧波電流補償為零。?1 低耐壓中性線有源濾波主電路拓撲結(jié)構(gòu)? 圖1所示為中性線諧波有源濾波主電路結(jié)構(gòu)示意圖。逆變器采用單相全橋逆變電路，其輸出通過隔離變壓器與系統(tǒng)相連。隔離變壓器原邊為Y0接法，副邊為開口三角形接法。逆變器直流側(cè)由一個三相不可控橋式整流提供電源，該整流電路不會向系統(tǒng)產(chǎn)生附加的零序諧波電流，即不會在中性線上產(chǎn)生附加的諧波電流。補償零序諧波電流時逆變器與系統(tǒng)交換的瞬時功率為零，因此直流電壓的波動主要由開關(guān)器件的開關(guān)損耗、補償不對稱電流和連接電感儲能作用產(chǎn)生，為了將直流電壓穩(wěn)定在一定水平，可以通過選擇適當?shù)碾娙萘縼韺崿F(xiàn)

5、。?2 重復學習控制策略? 如圖2所示為基于恒頻Boost變換技術(shù)的逆變器參考電壓學習控制策略原理圖，它是通過在反饋控制引入學習控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)的。根據(jù)重復學習控制算法5，該控制器的數(shù)學描述為：? 其中，下標k表示計數(shù)學習周期，t0，T并且T表示學習周期，它是基波周期的整數(shù)倍；uc(t)表示Boost變換控制的輸出；ul(t)表示學習控制的輸出；e(t)表示學習控制重復誤差，它直接取值于系統(tǒng)中性線電流的補償分量ish；Re為學習增益。?3 中性線有源濾波器重復學習控制的實現(xiàn)?3.1 硬件設(shè)計方案? 有源逆變電路控制器由DSP和FPGA兩部分組成。DSP和FPGA的任意I/O均可直接相連，兩者之間可

6、以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，具有靈活的數(shù)據(jù)傳輸方式和很強的編程能力，其框圖如圖3所示。? 器件選型如下：DSP選用TI公司的TMS320LF2407芯片，它是一種低價格、高性能的DSP芯片,其控制能力強,同時具有較高的運算能力,能夠滿足系統(tǒng)對微處理器的要求,從而實現(xiàn)復雜的管理控制功能。FPGA選用的是Altera公司的EP1C6T144芯片，其內(nèi)核采用1.5V電源供電，功耗小，端口工作電壓為3.3V，可直接和DSP相連，最高運行頻率可達到200MHz，具有速度快、運行穩(wěn)定等特點，作為功能模塊具有很好的穩(wěn)定性和靈活性。?3.2 軟件實現(xiàn)? DSP運行重復學習算法，根據(jù)FPGA產(chǎn)生同步脈沖從FPGA中低速

7、重采樣數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA提供重采樣同步脈沖并根據(jù)同步電路向DSP提供工頻同步，DSP控制流程圖如圖4所示。?4 仿真? 根據(jù)以上分析選擇參數(shù)，利用仿真軟件Matlab6.1中的Simulink建立系統(tǒng)模型，學習增益Re選為0.1，仿真結(jié)果如圖5、圖6所示?？紤]到諧波檢測算法所需時間，濾波器從0.04s開始補償?？梢钥吹?，由于三相負載不平衡，補償前系統(tǒng)中性線電流波形畸變嚴重，其中3次諧波有效值（I3）高達基波有效值（I1）60%以上，5次、7次諧波含量也較高。加入重復學習控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)中性線電流波形改善明顯，諧波總含量減小到3%以下。? 本文提出了一種低耐壓中性線諧波治理裝置的拓撲結(jié)構(gòu)，對三相四線

8、配電網(wǎng)中零序次諧波進行補償從而抑制中性線上諧波含量，相對于傳統(tǒng)的三相四線補償裝置有效降低了系統(tǒng)開關(guān)損耗及控制復雜程度。通過建立其簡化電路模型，采用重復學習控制策略，實現(xiàn)等效電壓源的辨識并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；最后基于DSP和FPGA實現(xiàn)了該裝置有源逆變電路重復學習數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計。該控制系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、強魯棒性、低跟蹤誤差和快速跟蹤等特點；且該設(shè)計提供的硬件平臺具有很強的擴展性，針對不同的控制需求只要合理設(shè)計程序及稍微修改外圍電路即可完成設(shè)計。?參考文獻?1 SPITSA V，ALEXANDROVITZ A.Current harmonics analysis?of non-linear sing

9、le-phase loads in a three-phase network.Electrical and Electronics Engineers in Israel, 2004.Proceedings 2004 23rd IEEE Convention.?2 CHEN Donghua，XIE Shaojun.Review of the control strategies applied to active power filtersC.2004 IEEE International Conference on Electric Utility Deregulation，Restruc

10、turing and Power Technologies(DRPT2004)，2004，4：666-670.?3 卓放，楊軍，胡軍飛，等.三相四線制有源電力濾波器主電路的結(jié)構(gòu)形式與控制J.電工電能新技術(shù)，2000，(2)：1-6.?4 ZHOU Lin，SHEN Xiaoli，ZHOU Luowei，et al.Unified constant-frequency integration control of four-arm three-phase?four-wire active power filter with vector operationC.2004?the 30th IEEE Interna