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单相并联型APF双环控制技术的仿真研究

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第29卷第2期 湖 北 工 业 大 学 学报 2014年O4月 V01.29 NO.2 Journal of Hubei University of Technology Apr.2014 [文章编号]1003—4684(2o14)02—0060—05 单相并联型APF双环控制技术的仿真研究 章 穗,乔玉库,苏 威 (湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北武汉430068) [摘要]分析了系统谐波的危害,提出了有源电力滤波器抑制谐波的有效性,以单相并联型有源电力滤波器为背 景,介绍了其工作原理并建立数学模型。详细分析了基于电压外环电流内环的单相并联型有源电力滤波器双环控 制系统,并给出了电压外环以及电流内环PI控制参数的具体设计过程。最后通过MATLAB仿真对所设计的系统 控制参数进行了验证。仿真结果表明,该种基于电压外环电流内环的双环PI控制器的单相并联型有源电力滤波 器能保证直流母线电压的稳定,并对中低频带的谐波进行有效的补偿。 [关键词]有源电力滤波器(APF);谐波补偿;双环PI控制 [中图分类号]TM 714 [文献标识码]:A 人们在广泛应用电能的同时,也给电网系统造 c出 一 成了严重污染,尤其是各类电力电子装置的使用给 系统注入了大量的谐波,影响了系统的电能质量。 有源电力滤波器(APF)是一种新型的谐波抑制装 置,它能有效抑制系统的谐波电流,因此也得到了广 泛的研究与应用。然而,目前国内外相关文献大多 集中在对三相APF的研究上,对单相APF的研究 } , 辞 C目一ll  目 fl   ;= J f。 R d 一还不够深入。本文在分析了单相并联型APF的工 作原理及其数学模型的基础上,对单相并联型APF 图1单相并联型APF系统拓扑 的双环控制技术进行了深入的研究。 1 单相并联型APF数学模型及其工 设开关管函数 作原理 门 S 一f(i—a,b) 【0 图1给出了单相并联型APF的主电路拓扑结 1表示上管开通,下管关断;0表示下管开通,上管关 构,L表示交流侧并网电感,r表示回路电阻以及同 断。则有 一桥臂上下管死区等效电阻之和,C出表示直流母 fU 一(S。一S )Ud 线电容,R出表示直流侧等效并联电阻。u 表示桥 Iid ===(S 6一S )iF 式电路逆变输出电压,i 表示交流侧电流,i出表示 将公式(3)代入公式(1)、(2)中,可得 直流母线电流,i 表示直流母线电容电流,U 表示 直流母线电压,i。表示直流母线等效放电电流。S L鲁+ 一(s 一s )u出一U ,(4) 表示第一组桥臂开关管T 与T 的开关状态,S 表 示第二组桥臂开关管丁。与T 的开关状态。 c出警--(S b-So 一 ㈦ 通过对上述简化电路模型分析,可以得到其数 公式(4)、(5)即为单相并联型APF时域中精确数学 学模型为 模型。可以将APF发出的电流i,以及其直流母线 di L +riF—U。6一U , (1) 电压U 看作是控制系统的两个状态变量,通过控 制开关函数S。与S 的值便可控制这两个状态变 [收稿日期]2013—11一O4 [作者简介]章穗(1958一),男,湖北武汉人,湖北工业大学副教授,研究方向为电气自动化 第29卷第2期 章 穗,等 单相并联型APF双环控制技术的仿真研究 61 量,即可以实现直流母线电压的恒定以及系统谐波 电流的补偿。 2 双环PI控制系统的设计 对公式(3)、(4)进行拉氏变换得到S域模型为 一—一 L s+—r (u 一UsLu口 一 ys) 上节中已经得了单相并联型APF的数学模型, 并且给出了被控对象的结构框图。通过对其模型分 一去 ) 析可知,APF性能的好坏关键在于对交流侧电感电 流i,以及直流母线电压己,出的控制。本节先从整体 将上述数学模型用结构框图表示,见图2。 出发,给出了电压外环电流内环系统的整体控制结 构(图3)。 图2被控对象的结构框图 图3单相并联APF系统控制框图 用SDFT算法提取出负载电流i 中的谐波电 谐波电流和有功电流,从而实现在补偿谐波的同时 流作为指令,与AFP并网电感所发出的补偿电流 也保证对直流母线电压的控制效果。下面将按照 i,做差,得到电流偏差信号,经过电流控制器后得 “先内环,后外环”的原则对双环PI控制参数进行设 到待调制的电压信号V ,然后经过单极倍频SP— 计。 WM调制输出电压U U。 与己, 的电压差作用在 2.1 电流内环PI控制器的设计 输出电感上便可控制其进行谐波补偿。该过程中电 根据第2节建立的数学模型,给出单相并联型 流控制器可谓是有源电流滤波器的灵魂,电流控制 APF的电流内环控制框图如图4所示。 器参数的设计将直接影响装置的谐波补偿效果。考 虑到APF在实际工作时,其直流母线电压必须要高 于系统电压幅值,并且在系统运行过程中要保证其 母线电压不会因为线路、开关管或是放电电阻等损 图4电流内环控制框图 耗而逐渐降低,因此也必须对直流侧电压进行控制。 APF在进行谐波电流补偿时,直流侧电压必然会不 其中,K 州/(T S+1)表示单极倍频SPWM 停的波动,但是这种波动是周期性的,其电压平均值 波调制环节,K ⅣM为调制环节的增益,丁 为系统 并未变化,只有当它与电网发生有功交换时才会导 的采样周期;i 表示电流内环的输入指令,电感电 致母线电压平均值的变化,因此对直流侧电压的控 流i 为反馈量;G (s)表示电流PI控制器,假设其 制并非瞬时值控制,而是根据能量守恒原理对其平 传递函数 均值进行控制。对直流母线电压U出进行低通滤波 处理得到其直流平均分量,然后与直流电压指令 G ( )一K + 一 S rfS U出,做差,得到电压偏差信号,经过电压控制器后 其中,K 为比例系数,K 为积分系数,r — 得到对应母线电压的电流幅值i出一 ,再与经过对系 KlP Ktl 统电压【, 锁相后的到得sin ̄ot相乘便可得到有功 本文中,并网电感L一1.8 mH,线路等效电阻 电流指令i出,,将该指令与电流内环的谐波电流 r一0.1 Q,采样频率为12 kHz,若假设K ⅣM==:1, 指令叠加,经过电流内环控后即可控制并网电感的 采用二阶最佳系统设计原则,不考虑系统电压的扰 62 湖 北 工 业 大 学 学报 2014年第2期 动,可以算出电流内环PI控制参数K 一10.8、K 一7.2×10 600。从而可得到电流内环的开环传递函数与闭 G (5)一 KilK PWM/r s(丁 s+1) G s,==: s +1.2×10 s+7.2×10 环传递函数分别为 6000 8.33×10一 s +s 一 2.2 电压外环PI控制器的设计 完成了对电流内环的设计后,可以将图3所示 的双环系统简化成一个单闭环系统,其结构框图见 图5。 图5电压外环控制框图 其中,低通滤波器G,(s)===1/(Ts+1),丁为电 网电压周期,对直流侧电压经过滤波后所得的平均 值与直流电压指令做差送人电压控制器G (s)进行 按照典型Ⅱ型系统对电压控制器参数进行设 计,取中频宽h一5,可以求得电压控制器PI参数 K ,一6.9、K ,一0.69。从而可以得到电压外环的开 调节,得到控制有功电流指令幅值i出一 ,该幅值与对 电网电压锁相后得到的sinwt相乘便可得到有功电 流指令。 环、闭环传递函数分别为 G 一 对比上节中对电流环的设计可知,内环的电流 响应速度要远大于外环电压的响应速度,出于简化 分析,可假设G (s)一1,即电压外环控制器的输出 ,、 wG 1500s+15000 一 一 可 丽‘ 有功电流指令便对应交流侧电感电流i~图5中, 3 系统仿真 上一小节中,已经完成了基于PI控制的电压外 环电流内环双环系统控制器的设计,本节将通过 由于受到开关函数的影响,电感中的有功电流与直 流电压之间的关系是非线性的,不便于电压控制器 的设计,下面从能量守恒的角度对其模 进行简化 分析,有 === MATI AB软件搭建系统模型,对前面章节设计的 … 一 c Uf . .参数进i 仿真验证。图7为单相并联型APF的系 统的仍 。系统仿真参数如下:系统电压U 频 半为50 Hz、有效值为220 V;非线性负载由不控整 厶 其中,U 一 为电网电压幅值。将I 化简 . 2U 2U , (、 ,.du ,. 流 滤波后接电阻构成,其中i =23√2 coswt, f_ U U d, “。 、、、; 、 并网滤波器的内电感i、 ,外电感i ,高 频滤波电容i ,阻尼电阻R 一7.5 Q;直流母线电容 ( ‘,{一9 400 tLF,其初始电压设为310 V。 不考虑扰动变量J。的影响,可将图5的电Jli外 :控 制进一步简化,得到电压控制(图6)。 图8为系统双环PI控制部分的仿真图。其中, 直流电压指令为380 V,由初始值为310 V、斜率为 图6简化后系统直流电压控制框图 250的斜坡信号Ramp实现,并通过xf 模块将其 幅值在380 V,这样可以实现直流侧电压软启 其中,时l司常数Td一2Ua Cd /u 。假设电 动,防止母线电压超调量过大。Udc—filter表示时 间常数为基波周期T的一阶低通滤波器,用于滤除 直流母线电压U出的二次纹波,为了简化分析特地 压PI控制器G ( )的传递函数 G ( )一K + 5 一 二: ± r 将其放在电压外环的前向通道上。Udc—pi—con表 。 示电压控制器,其参数与之前设计的一致,分别为 K 一0.69、K ,===6.9。sin(cot)即为系统电压U 其中,K 为比例系数,K 为积分系数, 一 A ,, 第29卷第2期 章 穗,等 单相并联型APF双环控制技术的仿真研究 63 的相位,实验中可通过数字锁相得到。直流电压指 令与反馈电压做差后得到的电压偏差信号,经过电 压控制器调节,然后与sin(wt)相乘便可得到有功 电流指令。将有功电流指令与通过SDFT模块检 测到的谐波电流指令进行叠加,得到总的电流指令, 别为K =10.6、K =600。电流偏差信号通过电流 内环的PI控制器调节,得到谐波电压信号,然后与 前馈的系统电压U 信号叠加得到待调制的电压信 号,再经过SPwM调制,便可得到各开关管的驱动 信号,控制逆变桥的输出电压,从而实现谐波补偿与 母线电压控制。 与实际补偿电流i 做差便可得到电流偏差信号。 i 一pi—COn即表示电流内环PI控制器,其PI参数分 图7 单卡II并联 APF的系统仿真 图8 双环系统控制模块框图 图9为系统直流母线电压波形,其中蓝线表示 直流电压指令,为一斜坡函数;棕线表示输出直流电 压波形。 390 380 370 /\ … …_ L… , 一‘… ~ ●J』一一●…●  … 36O 350 340 33O § 8 } } j 32O t/s 图lO系统补偿电流波形 , 31O 3OO 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 图1O为交流侧电感电流波形。由图可以可出, 从t===0 s~t一0.5 S这段时间内,系统通过高频整 流,将直流侧电压升至380 V,由于采用了软起动的 t/s 图9直流母线电压波形 64 湖 北 工 业 大 学 学报 2o14年第2期 方式,直流侧电压的超调量较小。在t一0.8 S时, 系统开始进行谐波补偿,直流母线电压会有脉动,但 纹波幅值不超过5 V。可见,直流母线电压控制效 果很理想。 基于电压外环电流内环双环PI控制系统,图 11分别给出了单相并联型APF投入运行后的负载 电流波形、补偿电流波形以及补偿后的系统电流波 形。 2o ≤删。 40 qo (a)负载电流波形i (b)补偿电流波形i 6O 4O 20 0 ¨I\八  - /W A . 20 …4O V V… 60 t/S (c)系统电流波形i 图ll基于PI控制器各电流稳态波形 为进一步研究其补偿效果,对负载电流以及系 统电流的频谱分析见图12。 Frequency(Hz) (a)负载电流频谱分析 (b)补偿后系统电流频谱分析 图12电流频谱分析图 由图可知,采用该种基于电压外环电流内环双 环PI控制的单相并联型APF对系统进行谐波补偿 后,系统电流的THD由61.33 降为11.09 ,极大 改善了系统的电能质量。当然,由于单纯的PI控制 并无法实现对交流信号的无静差跟踪,在低频段,其 补偿效果还可以接受,但是到了高频段,其补偿效果 则很不理想。要实现高频谐波的精确补偿还需对电 流控制方法进行改进。 4 结束语 本文以改善电能质量课题为背景,详细分析了 单相并联型有源电力滤波器的工作原理及其数学模 型,提出了基于电压外环电流内环的双环控制思想, 给出了电压外环以及电流内环PI控制参数的具体 设计过程。最后通过MATLAB仿真对所设计的系 统控制参数进行了验证。仿真结果表明,该种基于 电压外环电流内环的双环PI控制器的单相并联型 有源电力滤波器能保证直流母线电压的稳定,并对 中低频带的谐波进行有效的补偿,具有明显的工程 指导意义和实用价值。 [参考文献] [1]王兆安,杨 君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿 [M].第一版.北京:机械工业出版社,2004. [2]何俊,彭力,康 勇.PWM逆变器PI双环模拟控 制技术研究[J].通信电源技术,2007,24(03):1—3. [3]李直.单相并联型有源电力滤波器的研究I-D].武汉: 华中科技大学图书馆,2009. -I4]杨君,王兆安.并联型电力有源滤波器控制方式的 研究[J].西安交通大学学报,1995,29(03):97—102. [5]俞秀峰.有源电力滤波器谐波电流闭环控制策略的研 究[D].武汉:华中科技大学图书馆,2009. (下转第9O页) 90 湖 北 工 业 大 学 学报 2014年第2期 Research on Optimizing Ignition Control System and Fault Diagnosis in LPG Automotive Engines CUI Hong—wei,ZHU Liang—hong (School of Transportation&Automotive Engin.,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen 518055,China) Abstract:The relationship of ignition timing,LPG engine performance and emissions were researched in this paper.At various work conditions optimum ignition angles were acquired.Because of the implementa— tion of optimum ignition system based on BP neural network,LPG engine performance was greatly im— proved.The testing results of NOx and CO emissions show that ignition control system established in this paper is accurate and practica1.Technical condition of ignition system was identified based on fuzzy pattern recognition method. Keywords:ignition system;engine;control system;neural network [责任编校:张众] (上接第64页) Simulation of Single—Phase Shunt APF with Loop Control ZHANG Sui。QIA0 Yu-ku。SU Wei (School of Electrical and Electonic Engin.,Hubei Univ.of Tech.,Wuhan 430068,China) Abstract:This paper first analyzed the harm of harmonics,pointed out the effectiveness of the active pow— er filter used to inhibit harmonics.Using a single—phase parallel active power fliter as a example,it also in— troduced how it works and established its mathematical mode1.It then analyzed a double loop control sys— tem of the single—phase parallel active power fliter based on a model of the inner loop of voltage combining with its outer loop of current in detail,and described the specific design process of the parameter PI of in— ner loop of voltage and the outer loop of current.It finally tested the parameters designed using the simu— link of matlab.The results show that the double loop control system of the single—phase parallel active power fliter based on a model of the inner loop of voltage combining with its outer loop of current can en— sure the stability of the DC bus voltage and compensate the harmonics of low and medium frequency band effectively. Keywords:APF;Harmonic compensation;Double—loop PI control [责任编校:张岩芳] 

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