《电子技术应用》

电力电子负载逆变并网电流谐波抑制研究

2016年电子技术应用第2期 作者:汪 通1,麻焕成1,石萍萍2,林晓焕1,郭丹蕊1
2016/3/23 14:40:00

汪  通1,麻焕成1,石萍萍2,林晓焕1,郭丹蕊1

(1.西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安710048;2.驻马店农业学校 机电工程系,河南 驻马店463002)


    摘  要: 为了抑制单相电力电子负载逆变侧并网电流畸变产生的谐波,在带通调节器用于电流环的基础之上,提出采用带通调节器结合扰动观测器的控制策略。该方法为经典控制与现代控制的结合,有效解决电流环前向通道的扰动对并网输出电流的干扰。首先介绍电流环带通调节器的研究背景,其次论述扰动观测器方法的基本原理及其优缺点,最后设计基于扰动观测器方法的并网电流环(Band Pass, BP)调节器控制方案以及电压环的设计。

    关键词: 电力电子负载;带通调节器;扰动观测器;并网逆变器;谐波抑制

0 引言

    单相能馈式电力电子负载的通用拓扑结构,不仅适用于模拟负载,其逆变并网结构也是新能源并网的主要组成部分。逆变并网系统及其控制技术也是目前新能源发电领域研究的热点之一[1-4]。为解决并网电流畸变问题提出来的电流环带通调节器,可有效抑制并网指令电流中的谐波量,是提高并网电能质量的方案之一[5,10]。但BP调节器无法有效抑制电流环前向通道的扰动对并网输出电流的扰动,尤其是非线性死区扰动对并网电流的干扰更是无法解决,因此引入线性定常扰动观测器前馈控制方法[6-8],其是解决非线性系统或带有非线性环节的系统以及多输入多输出耦合系统的线性解耦控制。

1 系统结构和控制模型

    图1为单相电力电子负载(Single-phase Power Electronics Load,SPEL)主电路图,整流侧和逆变侧独立控制,逆变并网系统的控制目标为稳定直流母线电压和单位功率因数并网[12],且尽量减小并网电流谐波总畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)。逆变侧采用如图2所示的双闭环控制策略的系统结构。

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    图1中us1是被测电源电压,is1是被测电源电流,us2是电网电压,is2是并网电流。T1~T4是整流侧开关管,L1是滤波电感;T5~T8是逆变侧开关管,L和C组成差模滤波器;Cd是直流母线电容。

    图2中dy3-t1-x1.gif是母线电压指令,Udc是母线实际电压,ev是电压误差,GV(s)是电压调节器,dy3-t1-x2.gif是并网电流指令峰值,is2是并网电流,dy3-t1-x3.gif是并网电流指令,ei是并网电流的误差,Gi(s)是电流调节器,ks是逆变器增益,τs是一阶惯性时间常数,Id是母线电容与逆变器之间的直流侧平均电流,kd是从并网电流峰值到直流侧电流的传输系数,us2是电网电压。

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    fb是电网的基波频率,为追求跟踪效果,需足够大的交越频率fci;同时要求高频滤波效果好,差模滤波频率fLC越小于载波频率fc越好;但为避免频带内谐波在fLC附近被放大,要求fLC离fci较远;而fb与fc之间的频带是固定的。由图3可知设计fci和fLC时矛盾,系统频带资源分配紧张。故存在两个问题:(1)抑制并网电流中的谐波;(2)电流环设计频带分配紧张。基于此提出BP调节器。

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2 BP调节器

    根据被控对象要求,整个系统通过调节器之后呈现带通特性,故称为带通调节器,在基波频率处增加一个二阶谐振环节增大基波增益。BP调节器系统只响应系统频带内的基波频率,抑制所有闭环系统频带之外的谐波分量,且频带很窄,缓解电流环频带分配紧张,图4为电流环控制框图。

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    BP调节器设计为:

    dy3-gs1.gif

    BP调节器对应的闭环系统Bode图如图5。参数为ks=0.5,τs=0.000 05 s,L=10 mH。

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    由图5可知,闭环系统均呈现带通特性,闭环系统相角在基波附近范围内变化较快。离BP调节器谐振频率越远,BP调节器对其衰减越大,抑制能力越强。BP调节器只响应电流基波,对前向通道中的扰动无调节能力。对此提出扰动观测器方法,通过分析推导,设计出状态观测器对扰动进行观测,并通过前馈补偿将前向通道的扰动量共同进行观测后全补偿。

3 扰动观测器方法

3.1 扰动观测器方法的原理

    如图6所示,系统原有被控对象ΣP是可解耦的,寻找理想目标模型ΣI,它具有期望的对ΣP施控后的解耦输入输出特性。

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    对于任意输入函数u,都存在扰动Δ,当把Δ加到ΣI后,则ΣI的输出和ΣP的输出从外部看是完全等价的,则Δ和ΣI被称为原被控对象的替代模型,记为ΣS

    设计状态观测器ΣO对ΣS的状态观测的值记为dy3-t6-x1.gif。观测器的频带远大于扰动的频带时,dy3-t6-x1.gif就是Δ的渐近估值。设计前馈控制器ΣC对扰动采用前馈补偿,施加控制后ΣS与ΣI的输入输出特性相同。再将ΣC移植到ΣP,施控后的被控对象输入输出特性与目标模型相同。把ΣI设计成解耦,则ΣP也是解耦的,达到解耦控制。采用该方法实施解耦控制完全在线性系统范围内,与被控对象本身是线性或非线性无关。

3.2 扰动观测器方法在电流环中实现

    按照扰动观测器方法的理论结合电流环被控对象与扰动的位置,设计BP调节器的控制框图如图7。将逆变器模型、滤波电感及电网电压共同作为被控对象ΣP

dy3-t7.gif

    死区和母线电压波动都包含在逆变器中,电网电压及谐波属于外部干扰。原被控对象中含有的扰动量被消除,电流环前向通道中只剩下期望的被控对象。综上,采用扰动观测器方法设计电流环消除前向通道扰动的控制方案,仅在线性系统理论范围内设计,与含有扰动的被控对象的实际模型无关,不需要对被控对象中扰动量精确计算。

3.3 等效扰动观测器设计

    等效扰动控制器的设计包括:理想目标模型的选择、替代模型的建立、状态模型的扩充、扰动观测器的设计实现[9]。根据电流环前向通道中三个环节的形成原因与位置,选择期望系统模型的传递函数降阶后为:

    dy3-gs2-3.gif

其中A1=[0],B1=[ b0],C1=[1]。

    在ΣI上施加Δ后,并将Δ扩充为状态量到替代模型为:

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    系统为额定状态时,b0=ks/L=50,期望极点s1、s2分别取为-20 000、-20 000,代入参数后,得扰动观测器为:

    dy3-gs7.gif

    BP调节器电流环通过电压外环设计改善内环响应速度和准确性。整个系统功率守恒[12],电压环可以补偿内环的幅值衰减。电流环等效为一阶惯性环节,时间常数τi=0.02 s,衰减系数ki=0.9,设计电压外环调节器,根据实际参数得kd=0.39。将电压环设计为近似典型II型系统,电压调节器为:

    dy3-gs8.gif

4 系统仿真和实验结果分析

    在Matlab/Simulink下进行仿真。参数如下:母线电压中直流量为400 V,且含有10%的2次波动电压;并网电压峰值为311 V,且含有3%的同相位3次谐波;并网电流指令基波为5sinωt,并且含有20%的3次同相位谐波,死区时间为1 μs。

    由图9可知,结合BP调节器和观测器的电流环系统,抑制电流指令中的谐波,并且消除前向通道扰动对反馈电流的影响。对比可知,is2能够准确跟踪dy3-4-x1.gif基波分量,系统相位跟踪严格为0°。

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    在样机进行试验研究,参数与仿真一致,BP调节器和观测器算法与仿真完全相同,实验结果如图10。

dy3-t10.gif

    从图10中可知,反馈电流3、11、13 次谐波含量较高。3次谐波主要是并网电流指令中的谐波未被BP调节器系统完全抑制,经计算为0.87%。而11、13高次谐波主要是由于采用线电压并网,电网中高次谐波含量较大,高次谐波由于频带较宽不易通过此条件下的观测器前馈补偿。图10与仿真结果相比,并网电流畸变稍严重,THD值比仿真略高,符合非理想器件造成的误差。

    实验表明,针对BP调节器的电流闭环系统,通过扰动观测器的前馈补偿方案,有效地将电流环中的前向通道扰动进行了补偿,大大减小了并网输出电流的谐波含量。与仿真、理论分析结果保持一致。

5 结论

    对电子负载逆变侧电流环BP调节器控制策略进行分析,可知此方法无法消除电流环中的前向通道扰动。基于此提出BP调节器结合扰动观测器用于能馈式SPEL逆变侧的控制策略,有效解决BP调节器带来的不足。扰动观测器方法对于解决含有非理想扰动的控制系统中,对消除扰动有良好的作用,完全基于线性系统理论,实现基于软件算法,节省硬件资源。仿真和实验都验证了该策略能有效抑制逆变并网的电流谐波,对提高并网电能的质量有一定的实际意义。

参考文献

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