并联型电能质量控制器电流控制误差研究

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1、.并联型电能质量控制器电流控制误差的研究并联型电能质量控制器电流控制误差的研究赵国鹏，刘进军，王兆安赵国鹏，刘进军，王兆安 （西安交通大学，陕西 西安 710049）摘要：摘要：直接电流控制在应用于并联型电能质量控制器的控制时包含两个控制环，分别是电流控制环和电压控制环。在实际应用的并联有源电力滤波器和静止无功发生器中，电流环的跟踪有一个非常大的误差，指令电流可能是输出电流的几倍，但是补偿效果却可以接受。针对这个比较奇特的现象，本文做了详细分析，最终得出了电流环跟踪误差的原因。本文还得出了影响跟踪误差的变量，最后给出了误差的影响以指导实际应用。仿真和实验结果证明了本文的分析结果。关键词：关键词

2、：静止无功发生器；并联有源电力滤波器；直接电流控制；电流跟踪误差1 引言引言并联型电能质量控制器在近几年得到了广泛的应用 1。例如并联型有源电力滤波器 （Parallel Active power Filters, 简称 PAPF）和静止无功发生器（Static Var Generator, 简称 SVG） 。在并联型电能质量控制器中有一个并网的电压型变流器。直接电流控制和间接电流 控制是电流控制常用的两种方法，电流控制在实际应用中应用也非常广泛1。 直接电流控制一般包括两个控制环：一个是电流环，另一个是电压环1。在每个控制环 中都有一个 PI（比例积分）控制器。在 SVG 和 PAPF 系统

3、中，电流环的跟踪误差是指令电 流和实际输出电流之间的误差，通常 PI 参数越大，跟踪误差越小。但是，在很多控制系统中， 由于系统稳定性的要求和工程实现的要求电流环的 PI 参数值不能调节到近似无穷大。本文应 用一个具有有源滤波功能的 SVG 来补偿电源中的由负载引起的无功和谐波电流，补偿效果 好，输出的是负载的无功和谐波电流，但是电流环中存在一个很大的跟踪误差。本文详细分 析了这个现象。在图 1 中，指令电流峰值约为 60A，输出电流峰值约为 20A，输出电流和指 令电流之间有约 40A 的误差，是一个很大的跟踪误差，但是在图 2 中，输出电流峰值约为 20A，无功和谐波指令电流峰值约为 20

4、A，误差很小。图 3 和图 4 给出了补偿前后电源电压 和电源电流的关系。补偿后电源电流近似为正弦，无功和谐波的含量很小。这个很大的跟踪 误差在 PAPF 和 SVG 中普遍存在。图 1 输出电流和 图 2 输出电流和 图 3 补偿前电源电压 图 4 补偿后电源电压指令电流 无功谐波指令电流 和负载电流 和电源电流 在传统的直接电流控制方法中通常的控制目标是输出电流等于指令电流，但是实验现象 是输出电流峰值与指令电流峰值相差 40A，且指令电流峰值近似为输出电流峰值的 3 倍，以 上现象与控制目标不符。为什么有如此大的跟踪误差却有好的补偿效果？此跟踪误差是否是 电流环中的比例控制误差？本文在电

5、流环系统框图和传递函数的基础上，分析了跟踪误差产 生的原因，得出了影响跟踪误差的变量和跟踪误差对系统补偿特性的影响，同时分析了在很 大的跟踪误差情况下补偿效果好的原因。仿真和实验结果证明了本文分析的正确性。.2 系统结构系统结构有源滤波型 SVG 的系统结构图如图 5 所示。图 6 为单相等效电路，图 7 为控制框图。指令电流检测应用的是瞬时无功功率理论，系统应用双极性三角波比较直接电流控制方法1。CL负负载载saisbisciaubucuLaiLbiLcicaicbicciL LF F2 24 40 07 7 PWM检检测测 电电路路控控制制 电电路路驱驱动动电电路路Udc+ +- -Lki

6、ckiUdcku,kUI kUckIL kUXLR图 5 系统结构框图 图 6 单相等效电路sin -cosLPFPLLauLaiLbiLciiipipififi* cai* cbi* cci32CCC23C0PI* dcUdcU32T 23321 -1 2 -1 2 2 30 3 2- 3 2sin -cos t, -cos t -sin tCtCCCcki* cki PI PWM信信号号三三角角波波图 7 指令电流检测框图 图 8 双极性三角波比较直接电流控制框图3 电流环跟踪误差分析电流环跟踪误差分析直接电流控制系统结构框图如图 9 所示，单位反馈框图如图 10 所示。主电路的损耗等效

7、为 R 上的损耗，损耗大小由 R 大小决定2。cki* ckiiPKFBKku1 LsRPWMs1K T sFBK* ck0idci* ck0idcickickiiPKFBKku* cki PWMs1K T s1 LsR图 9 电流环控制框图 图 10 单位反馈电流环控制框图 为谐波和无功的指令电流，为补偿变流器损耗的电流，指令电流为。* ck0idci* ckck0dciii是 PI 参数值，由于积分参数值较小，所以积分参数值忽略不计。是 AD 转换比iPKFBK例系数，是跟踪误差。PWM 环节可等效为一个比例环节和一个延时环节，是ckisT PWM 延时时间3。为比例系数， ,为三角波峰值

8、。系统是两输入PWMKPWMdcT2KUUTU 一输出系统，所以分别讨论每个输入对输出的影响。3.1 指令电流指令电流对跟踪误差的影响对跟踪误差的影响* cki设电源电压为 0，输出电流为。输出电流与输入指令之间的闭环传递函数如式 (1)。ck1i(1)FBiPPWM 12 ssFBiPPWM( )( )1( )()G sKKKsG sLT sRTL sRKKK令 , 可得频率特性如式 (2)所示。sj(2)c 1 c1 ()() jG j =?由实际应用中的参数可知，截止频率为, 此值远远大于要补偿的谐波4 c10/secrad.频率, 所以闭环传递函数表示为式 (3)。从式(3)知，当只考

9、虑指令电流对跟踪误差影响* cki时，输出电流与输入的指令电流相等，所以可得式 (4)。(3) (4)1( )1s* ck1ckii3.2 电源电压电源电压对跟踪误差的影响对跟踪误差的影响ku假设输入电流指令为 0。此时输出电流为。可得电源电压到输出电流 的闭环传ck2ikuck2i 递函数。频率特性表示为式(5)。(5) s 22 ssFBPWMiP1()()()j TjLTjjRTLRKKK假设电源电压是 50Hz 正弦波，不含有谐波，所以，在实际应用中 ,502sjj、 、 和 远远小于 。所以输出电流如式(6)RLsTs()RTL2 sLTFBPWMiPKKKck2i所示。(6) ck

10、2k FBiPPWM1iuKKK电源电压影响输出电流，比例参数值为无穷大时，输出电流不受电源电压影响，但是 实际系统中比例参数值不能达到无穷大，所以这个影响在实际应用的系统中是普遍存在的， 电流跟踪误差也是普遍存在的，根据式 (6)知误差的值是很大的。3.3 两个输入同时作用时对跟踪误差的影响两个输入同时作用时对跟踪误差的影响 从式(6)可知，输出电流 受电源电压的影响，产生一个电流跟踪误差，总的输出电ku 流如式(7)所示,电流跟踪误差如下式 (8)所示。(7) (8)* ckck1ck2ckk FBiPPWM1iiiiuKKK*T ckckckkk FBiPPWMFBiPdc12Uiiiu

11、uKKKKKU由电源电压引起的落后于电源电压 180o，所以是有功电流，不影响无功和谐波电ck2i流的补偿。这就是为什么有电流跟踪误差但是有可以接受的补偿效果的原因。从式(8)可知，变流器吸收一个很大的有功电流，因为有直流侧电压控制环存在，通 过改变抑制了电源电压对输出电流的影响，系统稳定运行，如图11 所示4。dcick1I* dcUiPKFBKkudcU1 LsRPWMs1K T siP2K1.5 sC* ck1I图 11 含有电压环 的基波有功电流跟踪控制系统框图 综上所述，在 PAPF 和 SVG 中，电流跟踪误差由电源电压引起，电流环比例参数不能调 节到无穷大，所以很大的电流跟踪误差

12、普遍存在。电源电压影响输出电流的有功部分，通过 电压环控制改变指令来抑制电源电压影响使得输出电流为期望值，不影响输出的无功和谐波 电流，这就是有很大跟踪误差但是有好的补偿效果的原因。4 仿真与实验仿真与实验为了证明式(8), 对有源滤波型 SVG 做了仿真研究。如图 12，存在一个很大的电流跟踪 误差，但是补偿效果好。其中 KiP=1.5, Udc=750V, KFB=50, UT=5859, ua=311cost。.(a)输出电流和指令电流 (b)输出电流和负载无功谐波电流 (c)补偿效果 图 12 仿真结果(a)改变 KiP (b)改变 Udc (c)改变 UT(d)改变 KFB (e)改

13、变 uk 图 13 改变参数时输出电流和指令仿真图在图 13 中，KiP、Udc和 KFB 增加为原来的 2 倍，UT 和 减小为原来的一半,此时电流ku跟踪误差减小。通过仿真证明了式(8)的正确性，同时证明了分析的正确性。实验结果如图 14 和图 15 所示，因为电源电压的影响，存在一个很大的电流跟踪误差。在 图 14 中，输出电流（波形 3）和指令电流（波形 1）之间存在一个很大的电流跟踪误差，输 出电流（波形 3）与负载无功谐波电流（波形 2）近似相等（因为补偿变流器损耗的电流很小） 。图 15 是补偿前的电源电压、负载电流和补偿后的电源电流，从图中可以看出补偿效果好。图 14 指令电流

14、、负载无功谐波指令电流和输出电流 图 15 补偿后的电源电压、负载电流和电源电流 公式(8)的实验验证如图 16 所示，改变各变量，指令电流由波形 1 变为波形 2,波形3 是变流器输出电流。在实际应用中，由于电源电压变化不大，所以省略了变量uk的变化的实验。实验证明公式 (8)的正确性，而且得到同图 13 仿真结果相同的结论。.(a)改变 KiP (b)改变 Udc (c)改变 UT (d)改变 KFB 图 16 改变参数时指令电流和输出电流实验波形仿真和实验验证了本文分析的正确性。5 电流跟踪误差的影响电流跟踪误差的影响如果变量 KiP、 Udc 、KFB 和 UT 选择不合适，电流跟踪误差将非常大，导致在三角波 比较时，调制波峰值大于载波峰值。当设计一个控制系统时，目的是合理选择参数 KiP、 Udc 、KFB 和 UT使得式子 成立，且调制波不限幅，即调制比小于 1。调制比为* ckck1ii* mku(9)*iPFBck1ckmkkTTdc2KKiiuumUUU图 17 是实验系统的电源电压和负载电流。如果选择参数KiP、 Udc 、KFB 和 UT不 合理，调制波的峰值会达到 PWM 的限幅值，如图 18 所示，调制波峰值达到限幅值，输 出电流受到了影响，在图 19 中，改变参数 KiP、 Udc 、KFB 和 UT, 调制波峰值小于 P WM