周伟鹏,宋弘
(四川理工学院自动化与电子信息学院,四川自贡 3000)
摘要:介绍了有源电力滤波器控制策略,提出了PWM控制技术在电网电压畸变情况下对电网中滤波电流进行连续动态补偿。建立了P WM控制的逆变系统模型并进行仿真研究,结果验证了该控制策略能有效补偿谐波电流。
关键词:APF;正弦波脉宽调制;谐波;M a tlab/si m uli nk;控制策略
Abstrac:t B ased on t he ana lysis o f Active P ower Filt e r contro l stra tegy,PWM contro l t echn iques w h i c h con ti n u ously and dynam ica lly decompensa t e filter curren t in case o f g rid vo lt age d istor tion on t he gr i d is p resen t ed.The sm i u l a tion m ode l o f PWM contro l inver t e r syst em is bu ilt and sm i u lated by experm i en t o f sm i u la tion.The resu lt app roved t he contro l stra t egy wh ich can be e ff ective compensa tion ha r mon ic curren.t
Key words:APF;s i n uso ida l pu lse w id t h m odu la tion;ha r mon ic;Ma tl a b/sm i u link;con tro l strategy
中图分类号:TM8 文献标识码:B 文章编号:1674-8069(2011)03-057-04
由于电网中非线性负载的大量使用和单机容量的不断增大,在电力系统中产生谐波和无功,造成电网谐波污染,解决谐波污染的主要途径有两条:一是对电力电子设备进行改进(功率因数校正);二是对电网实施谐波补偿,其中无源电力滤波器(Passive Pow er F ilter)和有源电力滤波器(A ctive Pow er F il ter)是不可或缺的谐波治理手段。无源电力滤波器造价低,但由于自身原理决定存在许多难以克服的缺点;有源电力滤波器成本较高,但响应速度快、补偿效果好、能实现动态连续实时补偿等特点,具有更为广阔的发展应用前景。国外高、低压有源滤波技术均已有实际应用,而我国仅有低压有源滤波技术应用,因此,有效谐波治理控制策略研究具有一定的意义[1]。近年来,由于新型电力半导体开关器件(I G BT)的出现和P WM控制技术的发展,使有源滤波技术得以迅速发展,本文阐述如何将P WM电压型逆变器这一先进的控制策略和实际装置的结合使用,并取得良好的成果。
1 有源APF控制策略
常见的有源电力滤波器的控制方法主要有以下几种:三角波SP WM控制、滞环控制、空间矢量P WM 控制、无差拍控制、数字PI控制、最优控制、滑膜控制、反馈线性化解耦等。其中,数字PI控制、无差拍控制、最优控制、反馈线性化解耦鲁棒性较差,对系统参数变化和外界干扰反应灵敏,一旦遭遇较大干扰或系统模型建立不精确时,可能导致系统失衡,使有源APF补偿性能急剧下降,而三角波SP WM调制控制法的开关频率固定且简单易行、响应速度快,具有连续动态控制的能力。
SP WM(Sinuso i d al pu lse W idth m odu lati o n)即正弦波脉宽调制。三角波SP WM控制方式是最常见的一种控制策略方式,通常是采用等腰三角波电压作为载波信号,正弦波电压作为调制信号,由于三角波两腰间的宽度和其高度成线性关系,当任一条不超过三角波幅值的光滑的曲线与三角波相交时,都会得到脉冲宽度正比于该曲线的一组等幅、等距地矩形脉冲列,故用正弦波电压信号作为调制信号时,可获得脉宽正比于正弦值、等幅、等距的矩形脉冲列,所得到的就是SP WM波形。SP WM控制方式分为单极性驱动和双极性驱动两种。单极性驱动是指对于逆变器的同一个桥臂,在一个P WM周期内只有1只功率管导通,另外1只功率管处于关断状态。而双极性驱动则是指在一个P WM周期内,同一桥臂的上、下两只功率管都会开通,两只功率管的开通与关断为互补关系[2-3]。
基金项目:人工智能四川省重点实验室项目(2008R2001;2008K009)
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1.1 双极性P WM 控制方式
双极性P WM 控制方式波形如图1所示。在双极性P WM 控制方式中,u r 为调制信号;u c 为载波信号,在u r 半个周期内,三角波载波有正、负,所得P WM 波也有正、负。在u r 一周期内,输出P WM 波只有 U d 两种,仍在u r 和u c 的交点控制器件通断。u r 正负半周,对各开关器件的控制规律相同。三角波和SP WM 波均有正负极性变化,但在正半周内,
正脉冲比负脉冲宽,负半周则反之[4]
。
图1 双极性P WM 控制方式波形
1.2 双极性P WM 控制规律
结合I GBT 单相桥式电压型逆变电路进行说
明,双极性P WM 控制规律见图2
。
图2 三相桥式P WM 型逆变电路
设负载为阻感负载,工作时I G BT 上下桥臂通断互补,三相P WM 控制公用u c ,三相的调制信号u r U 、u r V 和u r W 依次相差120 。当u r U >u c 时,给V 1导通信号,给V 4关断信号,u UN =U d /2;当u r U U d /2两种电平,u UV 波形可由u UN '-u VN '得出,当1和6通时,u UV =U d ,当3和4通时,u UV =-U d ,当1和3或4和6通时,u UV =0。三相桥式P WM 逆变电路波形见图3
。
图3 三相桥式P WM 逆变电路波形
输出线电压P WM 波由 U d 和0三种电平构成,负载相电压P WM 波由( 2/3)U d 、( 1/3)U d 和0共5种电平组成。基于此,利用P WM 脉冲控制高速电子开关I GBT 通断而实现直流电容电压的
投切,得到一系列幅值相等、宽度不同的P WM 电压信号,再经过连接电抗器变换,将能量回馈给电网就可以达到对非线性负载电流中谐波分量的补偿。
2 有源电力滤波器系统结构及工作原理
2.1 滤波器的系统结构及工作原理
有源电力滤波器的系统结构见图4。图中的三相非线性负载为被补偿谐波电流源。系统采用带阻感性负载的三相不控整流桥产生谐波电流。R 表示包括电感电阻在内的每相线路电阻,电感L 1代表APF 的内电感,电感L 2代表APF 的外电感。由I G BT 构成的电压型变流器以电容器做为直流侧储能元件。i sa ,i s b ,i sc 为电源电流,i la ,i lb ,i lc 为负载电流,i a ,i b ,i c 为有源滤波器输出的补偿电流。可以看出,电源电流等于负载电流与补偿电流之和
[5-6]
。
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图4 并联型APF 系统原理
有源电力滤波器的工作原理是检测出负载电流中的谐波和无功分量,加上直流侧电压的控制量,作为补偿电流的控制信号。通过控制P WM 逆变器的开关状态,有源电力滤波器产生并向电网注入和负
载谐波无功电流相同幅值、相位相反的补偿电流,以抵消负载产生的谐波和无功电流分量,从而在电网侧得到一个和电网同相的正弦基波有功电流,达到滤波和补偿无功的目的。2.2 硬件配置
并联有源滤波装置包括装置断路器、逆变桥、直流电容器、控制单元、保护单元及连接电抗等,APF 补偿装置的主程序见图5,系统组成见表1
。
图5 APF 补偿装置的配置
表1 APF 补偿装置的系统组成
项 目 作 用
一次系统
装置断路器动态补偿装置与电网母线的连接缓起动充电电阻直流电容充电电阻
充电电阻旁路接触器直流电容电压充至预设值时,此接触器闭合,将充电电阻旁路。熔断器装置与系统之间连接的熔断器连接电抗连接电网与功率模块I GBT 功率模块
动态补偿装置的功率单元直流侧电容器直流侧电压支撑
二次系统
控制板
动态补偿装置系统DSP 闭环控制和P WM 脉冲发生
信号处理板动态补偿装置的开入开出信号处理、模拟信号处理,以及保护逻辑。显示屏
显示人机界面
远程RS485接口与后台监控连接的RS485通信接口二次辅助电源控制、驱动等辅助电源
220V 电源开关辅助电源220V 交流电源输入开关负荷电流测量CT
三相负荷电流测量CT
设计中有源电力滤波器的硬件系统以TI 公司DSP 芯片和三菱公司I P M 模块为核心,辅以相应的
外部霍尔电流、电压互感器和驱动信号隔离电路,完成锁相环同步信号处理,电压电流信号的采集、调理,三角波调制的P WM 控制信号的产生,直流侧电压控制,以及控制信号的输入输出等功能,以实现全
数字有源电力滤波器装置[7-8]
。
3 模型建立与仿真分析
试验中运用M atlab 仿真工具箱中的电力系统仿真模块搭建了阻感性负载三相桥式逆变电路系统仿真模型,如图6
所示。
图6 阻感性负载三相桥式逆变电路仿真模型
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2011年 周伟鹏等:三相电力有源滤波器(APF)控制策略的研究 第3期
在仿真模型中,设置仿真起始时间为0.0s,终止时间为0.06s,仿真算法采用变步长二、三阶隐式龙格库塔法,为了能清楚地看到触发脉冲对输出波形的影响,示波器Scope1显示了6个触发脉冲的波形,仿真图中可观察到,T6-T1的脉冲,后一个脉冲依次滞后前一个脉冲1/6周期。同理改变T1-T6控制信号的周期就可以方便地改变输出电压的频率,示波器Scope2显示了负载的输出电压和输出电流,可以看出阻感性负载桥式逆变电路由于电感的自感电动势对电流变化的反作用,A相电流不能突变,体现在负载输出波形上就是输出电流不能突变。
4 结语
介绍了一种P WM控制电压型逆变器这一先进控制策略,提出并建立了P WM电压型逆变器仿真模型,通过仿真结果显示提出的P WM控制技术在电网电压畸变的情况下可以对电网中的谐波电流进行连续动态补偿,良好的仿真结果验证了该控制策略的有效性和设计方案的正确性。特别是将这一先进的控制策略和实际装置有效地结合使用,对电网谐波治理起到良好效果。
参考文献:
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收稿日期:2010 11 04;修回日期:2011 04 27
作者简介:周伟鹏(1982 ),男,河南漯河人,四川理工学院硕士研究生,研究方向为智能控制与电力电子变流。E-m ai:l z wp0335@ 163.co m
十二五 氮氧化物减排思路与技术路线
十二五 期间,NO
x 的总量控制要突出重点行业和重点区域,推行以防治火电行业排放为核心的工业NO
x
防治体系和以
防治机动车排放为核心的城市NO
x 防治体系。 十二五 NO
x
总量控制基本思路如下:
(1)推进能源结构持续优化,严格控制新增量。严格执行国家产业,全面落实淘汰落后产能要求,在单位面积排放强
度大的地区要进一步加严产业结构调整要求,遏制高耗能、高污染产业过快发展。新建项目必须按环保要求进行控制,大幅度降低污染物排放强度。进一步改善能源消费结构,控制煤炭消费增量,促进经济发展的绿色转型。
(2)全面开展电力行业NO
x
减排。目前,我国已有80%的火电机组采用了低氮燃烧技术,已建烟气脱硝设施达到9700万
k W。我国正在修订火电厂大气污染物排放标准,NO
x
的排放标准将会非常严格。这就要求在 十二五 期间,除淘汰的小火电机组外,全面推进现役机组低氮燃烧技术改造及脱硝设施的建设,加大已安装脱硝设施机组的监管力度,提高减排能力。
(3)采取综合措施加强机动车NO
x 排放控制,推进以水泥行业为主的其他行业N O
x
排放控制。我国水泥行业NO
x
的排放
占总排放量的10%左右,是我国的第三大排放源。随着水泥行业落后产能淘汰工作的推进,新型干法窑的使用比例将大幅增加,在提高能源使用效率的同时,由于燃烧温度高等原因,NO
x
排放量将显著增加。 十二五 期间需大力开展水泥行业新型干法窑降氮脱硝工作。
(4)钢铁、工业锅炉也是NO
x 的重要排放源, 十二五 期间应加快冶金行业、工业锅炉等其他行业N O
x
控制技术的研发和
产业化进程,推进烟气脱硝示范工程建设。
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2011年6月 电 力 科 技 与 环 保 第27卷 第3期下载本文
