有源电力滤波器优化变结构电流控制策略.pdf

第 5 1卷第 2 2期 2 0 1 4年l 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I ns t I u me nt a fio n Vo 1 5 1 No 2 2 No v 2 5, 2 0 1 4 有 源 电力滤 波器优化 变结构 电流控 制策 略 术 刘保连 ， 王钰霖 ， 丁祖军 ( 1 淮阴工学院 电子与电气工程学院， 江苏 淮安， 2 2 3 0 0 3 ； 2 空军航 空大学， 长春 1 3 0 0 2 2 ) 摘要 ： 为了抑制三相并联有源 电力滤波器运行过程中参数变化对补偿效果的影响， 在对并联型三相电力有源滤 波器建模与分析的基础上设计 了一种分段趋近律 的变结构电流补偿控制策略 ， 在初始 阶段变结构控制采用恒 指数趋近律以提高系统响应速度， 然后采用变指数趋近律使系统进人滑模面， 能够有效抑制消除传统变结构控 制存在的抖振问题。仿真和实验结果表 明， 该控制策略对系统扰动不敏感 ， 系统动态响应快 ， 网侧电流为正弦 波且基本与电压同相位， 波形畸变率低， 电流补偿效果明显优于传统变结构控制策略。 关键词 ： 有源 电力滤波器 ； 趋近律 ； 变结构控制 ； 电流补偿 中图分类号 ： T M4 6 文献标识码： B 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 2 2 0 0 6 7 0 5 Ac t i v e Po we r F i l t e r Op t i ma l Va r i a b l e S t r u c t u r e Cu r r e n t Co n t r o l S t r a t e g y L I U B a 0一 l i a n WA N G Y u一 l i n D I N G Z u j u n ( 1 F a c u h y o f E l e c t r o n i c a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， H u a i y i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H u a i a n 2 2 3 0 0 3 ， J i a n g s u， C h i n a 2 T h e Ae r o n a u t i c a l U n i v e r s i t y o f t h e C h i n a P e o p l e L i b e r a t i o n A i r f o r c e ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 ，C h i n a ) Abs t r a c t ：A p i e c e wi s e r e a c h i n g l a w v a r i a b l es t r u c t u r e c u r r e n t c o mp e n s a t i o n c o n t r o l s t r a t e g y wa s d e s i g n e d b a s e d o n t h e mo de l i n g a n d a n a l y s i s o f t h e t hr e e p h a s e s h u n t a c t i v e p o we r fil t e r s i n o r d e r t o s u p p r e s s t h e i n fl ue n c e o f t he p a r a me t e r v a ri a t i o n o n t h e c o mp e n s a t i o n e f f e c t i n t h e o p e r a t i o n p r o c e s s o f t h e t h r e ep h a s e s h u n t a c t i v e p o w e r fi l t e r s I n t h e i n i t i a l s t a g e ，t h e v a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o l a d o p t e d t h e c o n s t a n t e x p o n e n t i a l r e a c h i n g l a w t o i n c r e a s e t h e r e s p o n s e s p e e d o f t he s y s t e m ，t h e n t h e v a r i a b l e e x po n e n t i a l r e a c hi ng l a w wa s a d o p t e d t o ma k e t h e s y s t e m c o n v e r g e n t t o t h e s l i d - i n g mo d e s u r f a c e s o t h a t t he c h a t t e r i n g p r o b l e m e x i s t i n g i n t h e t r a d i t i o n a l v a r i a b l e s t r u c t u r e c o n t r o l wa s e f f e c t i v e l y e l i mi n a t e dTh e s i mu l a t i o n a n d e x p e rime n t r e s u l t s s h o we d t h a t t h e p r o p o s e d v a r i a b l es t ru c t u r e c o n t r o l s t r a t e g y wa s i n s e ns i t i v e t o t h e s y s t e m di s t u r b a n c e，t he d y n a mi c r e s p o n s e s p e e d o f t h e s y s t e m wa s f a s t ，t he c u r r e n t o n t h e l i n e s i d e wa s s i n e wa v e a n d ha d n e a r l y t h e s a me p h a s e a s t he v o l t a g e，t h e THD o f t he c u r r e n t wa s l o w a n d t he c omp e n s a t i o n e f f e c t wa s o b v i o u s l y b e t t e r t ha n t h a t o f t h e t r a d i t i o n a l v a r i a b l es t r u c t ur e c o n t r o l s t r a t e gy Ke y wo r ds： a c t i v e po we r fil t e r ，r e a c hi ng l a w，v a ria b l es t r u c t u r e c o nt r o l ，c u r r e n t c o mp e n s a t i o n 0 引 言 目前 ， 电力 电子技术 得到广泛 的发展与应用 ， 工 业现场大量使用的电力电子装置和非线性负载的普 遍使用 ， 使谐波 电流和无功电流大量注入电网， 可引 起 电力系统局部并联谐振 或串联 谐振 ， 使谐波含 量 放大， 造成电容器等电网和电气设备问题 。有源 电力滤波器是一种动态抑制谐波的新 型电力 电子装 基金项 目： 江 苏 省高 校 自然科 学 基础 研 究 面上 项 目资助 ( 1 】 K J I M7 0 0 0 2 ) 置， 能够对各次谐波及无功进行补偿。补偿 电流的 跟踪控制精度决定实 际的补偿效果 ， 决定有 源电力 滤波器能否实用的最关键 因素 J 。 变结构控制 ( V a ri a b l e S t r u c t u r e C o n t r o l ，V S C) 具 有对被控对象 的数学模型要求不高 ， 对 系统参 数变 化和外界扰动不敏感等特点 。文中在 A P F数学 模型的基础上设计 了基于变结构控制的电流补偿控 制策略。针 对传统趋 近律 变结构控 制存在 抖 振问 题 ， 文 中提 出了分段趋 近律变结 构控制 的优化 控制 策略。最后给出了仿真和实验结果。 一 6 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 2 2期 2 0 1 4年l 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 1 NO 2 2 No v 2 5， 2 0 1 4 1 A P F直流侧电压控制建模分析 图 1给出了三相并联型有源电力滤波器的拓扑 结构 ， 其主体部分为一个两 电平变流器 ， 经滤波 电感 L接人 电 网， 图 中 R 为 电感 及 电力 电子器 件 等效 电阻。 N 图 1 变流器主 电路 结构 图 F i g 1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f t he c o n v e r t e r ma i n c i r c u i t 在变流器中， 第 1 、 2 、 3桥臂分别用于产生 A、 B、 C三相的补偿 电流 i i i 其各 自对应的指令信号 三 、 三 、 三 由指令运算电路完成。理想情况下， 根据该 指令信号产生的补偿电流 i 。 、 i 、 i 。 ， 与负载电流 i h 、 i 、 i 。 中的谐波 电流 、 基波无功 电流 ， 相互抵 消。使 得电网电流成为三相对称的正弦波。 由图 1可以写出回路电压方程 ， 即： “ 戤 + 鲁 ub ： Ri c b+ d i c b+“ b ( 1 ) M。 N= + di c c + 2 变结构控制器设计 2 1 改进 趋近律 设计 文献 8 提出指数趋近律： S =( 1一a T ) S 一e T s g n ( s ) ( 2 ) 式 中0 A F一 1 一a T一 T s I s k ， f e f ( 1 8 ) 式 中 ： F= 2 ( ) 一 ( 一 1 ) 一 2 ( ) + r ， 1 ( k一1 ) 一 ( k )一 ( ) + 2 M ( )一“ ( k一1 ) ( 1 9 ) 3 仿真与实验 为验证本文所设计的分段趋近律变结构控制器 的性 能， 在 MA T L A B S I M U L I N K 中搭建 了系统仿真 模型。系统仿真参数如下 ： 相 电压有效值 2 2 0 V， 开关 频 率 1 0 k H ， 滤 波 电感 5 m H， A P F直 流 母 线 电压 7 5 0 V， 电容 4 7 0 0 1, z F ， 负载接三相 桥式不控整 流 电路 带 电阻负载。 图 2依 次给 出了 A P F带 载稳定 运行 后 网侧 电 压 、 电流 ， 负载电流及 A P F输出补偿电流波形。由图 2可以看 出网侧 电流波形为正弦波 ， 基本无 畸变 ， 且 与 网侧 电压 同相位 。原 负载 中的谐波 电流基本 被 A P F补偿 了。 图 3给出了系统带动态负载时 ， 网侧电压 、 电流 图2 网侧 电压、 电流 ， 负载及 A P F输 出电流波形 F i g 2 Wa v e for ms o f t h e v o l t a g e o n t h e l i n e s i d e ， c u r r e n t ，l o a d a n d AP F o u t p u t c urre n t 图 3 系统 电压 及 电流动 态波形 Fi g 3 Dy n a mi c wa v e f o r ms o f t h e p o we r g r i d v o l t a g e a n d c ur r e n t 波形 。从图 3中可 以看出 ， 启动时因电容 电压为零 ， 充电电流较大 ， 大约经过 1个正弦波周期后电流趋于 稳定 ， 稳定运行 时 电流波形接近 正弦波。负载发 生 突变后 ， 网侧 电流过 渡平稳 ， 变结构控 制器 ， 能 够快 速补偿新增 的谐波 电流 ， 使 网侧 电流基本为正弦波。 经过检测 ， 网侧输入功率 因数达到了 0 9 9 。 为验证控所提分段趋近律变结构 电流控制算法 对谐波电流和无功电流补偿实际效果， 在现有 A P F 平台上进 行 了实验 。控制平 台采用 T I 公 司的 D S P 芯片 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2为控制核心 完成 控制算 法 ， 系统 相电压有效值为 2 2 0 V， 基波频率 5 O H z ， 直流侧设定 电压为 7 5 0 V； 滤 波电感 为 5 m H， 负载为三相 整流桥 带电阻负载。 在现有平台基础上分别进行 了传统恒指数趋近 律变结构控制算法 ( 2 ) 及文 中所提 的改进变结构 电 流控制算法的实验 。图 4 、 图5分别给出了 A P F带载 稳定运行时两种控 制算 法下的负载 电流 、 网侧 电流 及 A P F补偿输出谐波 电流波形。两种控制算法都能 够补偿负载谐 波电流， 使得 网侧 电流为正弦波 。但 一 6 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 2 2期 2 0 1 4年1 1月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I n s t r u m e nt a t i o n VO I 5 1 NO 2 2 No v 2 5。 2 0 1 4 仔细 比较可以看出， 在采用传统变结构控制算法时 ， 网侧电流波形存在较大抖振， 跟踪精度较低， 波形存 在较大畸变。而采用本文所提变结构 电流控制算法 时 ， 电流波形基本为正 弦波 ， 没有尖峰 毛刺 ， A P F发 出的谐波电流也没有高频分量， 基本无畸变， 补偿效 果更好 。 妻 妻 t ( 5 O m s d i v ) 图4 负载、 A P F 、 网侧 电流波形( 传统变结构控制) F i g 4 W a v e f o r ms o f t he l o a d，AP F a n d c u r r e n t o n t h e s i d e l i n e ( t h e t r a d i t i o n a l v a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o 1 ) l 乙 = = ： ： ： = 二 ： 砖 专 专 i ：t I i i 。 l O ms d i v ) 图 5 负载, A P F 、 网侧电流波形( 改进变结构控制) F i g 5 W a v e for ms o f t h e l o a d，APF a n d c u r r e n t o n t h e l i n e s i d e ( t h e i m p r o v e d v a r i a b t e s t r u c t u r e c o n t r o 1 ) 图 6和图 7分别 给出了两种控制算法在补偿后 的相电流频谱图。由图可以看 出， 负载 中的 3 、 5 、 7 、 9 、 1 1 、 1 3 、 1 7次等含量较大的谐波都得到很好的补 偿。但从图6可以看出， 传统变结构控制电流频谱中 的5 、 7 、 1 1 、 1 3次谐波电流的补偿没有采用本文变结 构电流控制算法的补偿效果好。前 者补偿 后的 T H D= 6 0 ， 而后者补偿后的 T H D：3 0 8 ， 因此 ， 采用文中所提 的变结构 电流控制算法后 ， 谐 波补偿 效果好 ， 谐波失真率低。 为了验证变结构 电流控制器在负载扰动时对 电 一 7 0 一 流的动态补偿特性 ， 在实验时将负载 突然增 大到原 来的2倍以增加 A F F输出谐波电流。图7为负载变 化时网侧 电流和直流侧 电压 的波形 ， 通过该波形可 以看出在负载变化时 ， 变结构控制 器可 以迅速使 系 统达到新的稳定状态 ， 控制响应时间小于 3 0 m s ， 电流 变化过程 比较平滑。 匪 三 ( 传统变结构控制)( 改进变结构控制) 图6相电流频谱 F i g 6 P ha s e c u r r e n t s p e c t rum l 厂 、L 、 i 一一 U d c 。 ； 、 、 l 飞 t ( 1 O ms d i v ) 图7 负载变化时直流母线电压及 网侧 电流波形 Fi g 7 W a v e f o r ms o f t h e DC b u s v o l t a g e a n d c u r r e n t o n t h e l i ne s i d e wi t h c h a ng e d l o a d 4结束语 有源电力滤波器运行过程 中， 系统参数变化、 负 载扰动等 因素都会影 响电流补偿 效果及 系统性 能。 本文在对三相并联型有源电力滤波器建立分析 的基 础上提出了变结构电流补偿控制策略。针对传统指 数趋近律存在抖振 的问题 ， 对其 进行优化设计 ， 提 出 了分段趋近律变结构 电流补偿控制策略该控制器对 系统参数依赖度小 ， 对外界 扰动不敏感 。仿真 与实 验结果表明， 文 中所提 出的变结 构控 制策略动态 响 应快 ， 电流补偿效果好 ， 电流波形基本 为正弦 ， 畸变 小 ， 过渡过程平滑稳定。 参考文献 1 吴勇 ， 万淑芸谐波和无功电流检测的 MA T L A B仿真研究电测 与仪表 ， 2 0 0 5 ， 4 2 ( 5 ) ： 2 1 2 3 WU Yo n g ，W AN S h uy u n Re a s e a r c h o n Ma t l a b S i mu l a t i o n o f Ha r - mo n i c a n d Re a c t i v e C u r r e n t De t e c t i o nEl e c t r i c a l Me a s u r e me n t & I n s t r u me n t a t i o n， 2 0 0 5， 4 2 ( 5 ) ： 2 1 2 3 2 郭金龙 ， 张加胜 ， 贾焕焕 一种基 于 A P F电压闭环控制的 自适应 干扰抑制方案 J 电测与仪表 ， 2 0 1 3 ， 5 0 ( 7 ) ： 2 5 2 8 GUO J i nl o n g ，Z HANG J i as h e n g，J I A Hu a nh u a n S o l u t i o n o f 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m