《电子技术应用》
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不平衡工况下三相四桥臂逆变器的控制策略
2019年电子技术应用第2期
朱振远,曹以龙,江友华,黄冠华
上海电力学院 电子与信息工程学院,上海200090
摘要: 针对无差拍控制跟踪精度低、抗扰动性差等问题,提出将重复控制与无差拍控制结合,形成嵌入式复合控制结构,改善控制器的稳态精度和对电感参数变化的鲁棒性。根据四桥臂逆变器的数学模型,推导用于电流控制的无差拍算法,并引入重复控制算法。最后,通过仿真和实验验证了策略的有效性。
中图分类号: TM464
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.182029
中文引用格式: 朱振远,曹以龙,江友华,等. 不平衡工况下三相四桥臂逆变器的控制策略[J].电子技术应用,2019,45(2):117-119,123.
英文引用格式: Zhu Zhenyuan,Cao Yilong,Jiang Youhua,et al. Control strategy of parallel three-phase four-leg inverter under unbalanced conditions[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(2):117-119,123.
Control strategy of parallel three-phase four-leg inverter under unbalanced conditions
Zhu Zhenyuan,Cao Yilong,Jiang Youhua,Huang Guanhua
School of Electronics and Information Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China
Abstract: A compound control strategy is proposed in order to solve the low control accuracy and poor anti-disturbance of deadbeat control. In this method, the repetitive control is embedded into the deadbeat control to improve the robustness of the control system and the variation of inductance parameters. According to the mathematical model of three-phase four-leg inverter, the deadbeat control algorithm applied to the current loop is deduced and modified, then the repetitive control algorithm is added. Finally, the strategy is simulated and verified by experiments to verify the effectiveness of the strategy.
Key words : unbalanced three-phase load;three-phase four-leg inverter;deadbeat control;repetitive control

0 引言

    由于农网与城网系统普遍存在三相不平衡现象,各地已经逐步实行低电压改造工程。目前三相不平衡补偿策略多采用三相三线制,可实现三相不平衡补偿、无功补偿等功能,不能治理零序电流。而三相负载不平衡情况下,零序电流的存在会给生产和生活带来隐患。因此,对三相四线制三相不平衡补偿策略的研究有一定意义。

    补偿策略的核心内容之一是电流控制器的设计。实际工况下,补偿电流包含了多个频率的电流信号。文献[1]采用比例积分(PI)控制跟踪电流,在不平衡负载工况下需要在多个同步旋转坐标系变换,计算量较大,实现复杂。文献[2]采用比例谐振控制(PR)对各次谐波分频控制,实际应用时需要引入多个控制器。无差拍控制动态响应快、实现简单,但实际应用于数控系统中存在延时。文献[3]采用改进的Smith预估器补偿延时,实现了一个控制周期的延时补偿;文献[4]提出一种改进无差拍控制,采用电流校正算法抑制采样误差的影响,但未考虑系统参数变化的影响。

    本文首先推导、改进基于四桥臂逆变器数学模型的无差拍电流控制算法,针对无差拍控制的缺陷、电路参数误差等问题,嵌入重复控制构成复合控制器以消除稳态误差,提高系统稳定性和控制精度。

1 三相四桥臂逆变器数学模型

    本文使用三相四桥臂结构,如图1所示。其中,ea、eb、ec为三相电网电压,ila、ilb、ilc、iln为负载电流,ica、icb、icc、icn为逆变器输出电流。逆变器通过滤波电感L与电网并联,其中R是电感寄生电阻。

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    根据图1得到回路电压方程:

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    从式(2)可以看出,在αβγ坐标系中,三轴分量完全解耦,每个分量都可以单独控制。

2 电流控制策略

2.1 无差拍控制策略

    无差拍控制算法根据逆变器的状态方程、电流反馈信号以及下一时刻电流指令信号,计算出中间电压量,再经过电流调制算法得到控制信号。

    采用一阶后向欧拉法将式(2)离散,得:

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    由于从数据采样到数据执行存在两拍的延时[5],这里对电流进行预测。改写式(4)中第一条算式:

    dy2-gs5.gif

    令k=k+1,则有:

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2.2 复合控制策略

    与PI控制不同,无差拍控制每个控制周期直接使用电流采样值计算电压量。某个时刻的采样误差会直接导致输出误差。除采样误差以外,还有IGBT死区效应、建模误差等扰动。PI控制由于有积分量,某时刻的采样误差对其输出波动相对小。另一方面,电感参数的获取可能存在误差,且由于老化、温度等因素其值会发生变化。因此要求系统具备一定的抗扰动性,同时为改善稳态误差,在电流环中加入重复控制,复合控制框图如图3所示。

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    重复控制传递函数表达式为:

    dy2-gs8.gif

其中,z-N是周期延迟环节,其中N=fc/f0,fc为采样频率,f0为基波频率。Q(z)影响稳定性与跟踪精度,可采用低通滤波器或小于1的常数。

    补偿器S(z)=krzk,kr为重复控制器的增益;zk为超前环节,用于补偿反馈控制系统的滞后。

3 仿真验证

    通过Simulink仿真验证了本文控制策略的有效性。主要仿真参数:电网相电压220 V,直流侧电压800 V;直流侧电容6 200 μF,电感为1 mH;开关频率、采样频率采用10 kHz;负载端接带电阻的三相不可控整流桥, A、N相跨接电阻,以此作为三相不平衡非线性负载。

    图4~图7为补偿前网侧三相电流和频谱,以及使用传统无差拍控制、改进无差拍控制、复合控制的结果。补偿前,A相电流有效值为194.3 A,B相和C相电流有效值144.2 A,中线电流有效值达51.85 A。A相电流畸变率达21.97%。采取传统无差拍控制策略后,三相电流波形明显改善,电流幅值大小相等,A相电流畸变率降至8.21%,但波形存在明显毛刺,补偿效果不够理想。改进后,波形更加平滑,电流畸变率降至3.46%。因为改进后,逆变器输出电流更准确地跟踪指令电流,与谐波电流的相位差更接近180°,从而改善补偿效果。

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    采用本文的控制策略后,A、B、C三相电流有效值分别为105.3 A、105.1 A、105.0 A,三相电流平衡,电流畸变率分别降至2.72%、2.76%、2.64%。说明复合控制具备足够的电流环带宽,在指令电流变化较快的情况下,电流可及时跟踪上指令电流,跟踪补偿效果良好。

4 实验验证

    搭建模拟实验平台,进一步验证策略有效性。控制器采用TI的TMS320F28335,IGBT型号为STGW30M65DF2,电能质量分析仪为FLUKE-435。滤波电感为1 mH,不平衡非线性负载的电阻为12 Ω。开关频率、采样频率采用10 kHz,电网电压峰值15 V,直流侧电压60 V。Q(z)取0.95,超前环节的k取2。

    图8~图9为采用复合控制策略补偿前后的网侧电流及频谱。补偿前A、B、C相电流有效值分别为2.4 A、1.5 A、1.5 A,中线电流0.9 A,电流畸变率为24.3%。三相电流不平衡,且带大量谐波。

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    补偿后,A、B、C三相网侧电流畸变率分别下降到4.1%、3.8%、3.9%,三相电流有效值相等。说明本文提出的策略可较好地解决三相负载不平衡引起的问题。

5 结论

    基于传统无差拍控制的三相负载不平衡补偿策略,理论上补偿电流滞后指令电流2个控制周期。改进后,更接近真正意义的无差拍,其补偿效果更好。但以无差拍控制作为电流跟踪策略,系统抗扰动性较差,控制精度较低。

    针对无差拍控制的问题,引入重复控制,构成嵌入式复合控制结构。本文提出的控制策略提高了控制精度、抗扰动性,改善了补偿性能,可以有效解决三相负载不平衡问题。

参考文献

[1] TRINH Q N,LEE H H.An advanced current control strategy for three-phase shunt active power filters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(12):5400-5410.

[2] 叶梦云.基于DSP的三相四桥臂有源滤波器的研究[D].北京:北京交通大学,2014.

[3] ZHOU Z,LIU Y.Time delay compensation-based fast current controller for active power filters[J].IET Power Electronics,2012,5(4):1164-1174.

[4] 姜卫东,汪磊,马炜程,等.一种电流跟踪误差补偿的三相有源电力滤波器的无差拍控制方法[J].中国电机工程学报,2016,36(20):5605-5615.

[5] 姜卫东,汪磊,赵德勇,等.外环采用电容储能反馈内环采用改进无差拍控制PWM整流器的控制方法[J].中国电机工程学报,2016,36(14):3899-3908.

[6] 仇志丽.三相负载不平衡有源补偿装置研究[D].徐州:中国矿业大学,2017.



作者信息:

朱振远,曹以龙,江友华,黄冠华

(上海电力学院 电子与信息工程学院,上海200090)