含LCL滤波的全桥变流器参数设计与改进控制策略.pdf

宁夏电力 年第 期综合技术含 滤波的全桥变流器参数设计与改进控制策略兰 岚潘星辰兰德刚(.国网天津市电力公司高压分公司天津 .国网天津电力党校(国网天津培训中心)天津.国网天津市电力公司电缆分公司天津)摘 要:分布式电源通过电力电子装置并网引发的谐波问题日益凸显采用滤波环节去除电网侧高次谐波成为重要解决方案 其中 滤波是一种有效的滤波结构但其高阶特征使系统控制策略更加复杂为提高 滤波器接入后并网变流器的谐波抑制能力和运行稳定性推导了 滤波全桥变流器运行控制数学模型提出了 滤波结构设计和参数计算方法设计了基于准比例谐振控制和比例积分控制的电压 电流双闭环控制策略提出了基于带通滤波器和信号限幅环节的控制策略改进方案 算例测试表明本文方法能够基于 滤波器实现精准的谐波抑制同时避免高阶滤波器谐振问题改善了 滤波并网变流器在复杂运行环境下的谐波抑制能力和控制稳定性关键词:滤波全桥变流器双闭环控制准比例谐振控制中图分类号:文献标志码:文章编号:()有效访问地址:/././.(.):.:./.宁夏电力 年第 期 引 言可再生资源的大规模开发利用是推动我国电力能源结构变革、支撑“双碳”重大战略目标实现的重要举措 电力电子变流器是可再生能源并网的核心装备其运行控制效果直接影响电能变换效率、稳定性和谐波含量 目前可再生能源并网广泛采用基于脉宽调制技术的电压源型变流器()但由于 装置中的功率器件工作在高频开关状态将导致大量与开关频率相同或是其整数倍的高次谐波混入电网引发电磁兼容、污染电网等问题因此加入滤波环节去除电网侧高次谐波已成为广泛采用的解决方案最传统的滤波方式采用单一电感滤波其结构简单、易于实现但所需开关频率高电感量大导致滤波器体积增加且造价昂贵 滤波器是另一种常用的滤波形式在并网/独立双模式时效果明显但在其他情况下则等同于单电感滤波存在一定局限性 滤波器是在传统滤波器基础上发展而来的新型滤波结构在总电感量恒定的条件下 滤波器比纯电感型滤波器抑制高次谐波的效果更加理想比 型滤波器更适合应用于开关频率低且功率大的场合 但 滤波结构为三阶会出现谐振现象威胁系统稳定同时也增加了控制策略的复杂性必须进行特殊参数设计为此国内外开展了广泛研究:文献提出一种 滤波器参数分步设计方法降低了由频繁开关带来的损耗同时保证了变流器的高性能文献提出一种用软件简化计算的通用参数设计方法文献提出一种基于筛选法和粒子群算法的 参数设计方法提高参数设计环节的效率但又会产生 倍谐波系统中出现谐振的可能性变大 在控制策略中添加阻尼作用能有效解决此问题 有源阻尼法依靠对控制系统算法的修正来抑制谐振的影响无源阻尼法则是在系统中加阻尼电阻来削弱谐振的峰值 如文献提出一种“超前 滞后”的阻尼方法减少了电流波形畸变率也不增加额外的系统损耗但其参数选择过程比较困难文献提出了虚拟电阻的概念通过控制算法的特殊设计达到阻尼效果不会增加额外的功率损耗但增加了电流传感器的数量放大了高频噪声对变流器稳定性产生较大影响文献提出了一种反步法控制策略省去了阻尼电阻 总体来看电容串联电阻的无源阻尼法复杂度低易于实施具有较为广泛的应用场景针对整体变流器的控制策略文献提出了一种重复双闭环控制系统基本消除了电网谐波带来的影响 文献提出了嵌入式重复控制和 次陷波器相结合的方案提高了稳态时的跟踪性能和动态特性 电压电流双闭环控制策略可以检测到电压和电流两个量的变化并将其作为反馈量达到动态响应与静态性能兼顾的效果在全桥变流器控制中优势较大本文将 滤波器和全桥变流器相结合对 滤波器的参数影响进行了分析提出了电感、电容参数的设计方法基于无源阻尼法实现了谐振抑制 提出电流内环准比例谐振()控制、电压外环比例积分()控制的双闭环改进控制策略通过数字仿真验证了本文设计方法和控制策略的有效性 滤波器参数设计.滤波器数学建模图 为单相 滤波器在频率较高时的等效电路 因 和 的附加电阻很小研究中做忽略处理 按图中箭头所示方向选取电流的参考方向图 滤波器高频等值电路对于图 依据基尔霍夫电压定律和电流定律可以写出其数学模型兰岚等:含 滤波的全桥变流器参数设计与改进控制策略式中:为网侧电感 为变流器侧电感 为滤波电容 为网侧电压 为网侧电流 为变流器侧电流 为滤波电容两端电压 为变流器交流侧电压将式()进行拉普拉斯变换并将电网电压视为扰动可绘制模型如图 所示图 滤波器的控制框图据此可得到变流器交流侧电压 和电流 之间的传递函数:()()()以及变流器交流侧电压 和网侧电流 的传递函数式(即 滤波器在无阻尼条件下的传递函数):()()()式中:可看作微分算子将时域的参量进行微分即可对应复频域的参量如时域的 对应到复频域即为/由传递函数可以看出 滤波器有两个零点和两个极点较传统滤波器更为复杂 频率较低时 系统与 系统幅频特性大体相同相频特性一致频率较高时 系统衰减性能更好但出现了谐振现象对系统稳定性影响较大必须采用适当的参数设计和控制方法消除 系统的谐振尖峰.滤波器参数设计方法理论上为抑制电网谐波交流侧电感值越大越好但系统的动态特性会随着电感增大而变差 滤波电容增大总谐波失真减小但系统消耗无功增多效率降低且动态响应变差所以滤波器参数的选取尤为关键 本文采用文献中的方法按补偿谐波电流的跟踪能力和变化率选择总电感值 其中低频段和高频段分开考虑再按最大谐波电流变化小于相电流峰值的计算得到总电感的范围即 ()式中:为相电流峰值 为采样频率为逆变器直流电压再由 求出各电感值大小进而由式()计算电容大小:()()式中:为谐振频率.滤波器的谐振抑制如.节所述 滤波器会出现谐振问题所以需要额外调整控制方法或加入阻尼作用来抑制其产生的影响 滤波电路的输入阻抗 和谐振频率 可分别写为()()()式中:是复数 表示角频率在频域分析中定义 本文采用无源阻尼法在滤波电容支路串联阻尼电阻以抑制 滤波器的谐振现象 串联电阻 后 系统传递函数变为()()()()以阻尼电阻 取值.、.、.为例由新的()绘制幅相特性曲线如图 所示()不同阻尼电阻值对应的幅频特性曲线()不同阻尼电阻值对应的相频特性曲线图 加入阻尼电阻后的 滤波器幅相特性宁夏电力 年第 期 可以看出当电阻较小的时候谐振频率处增益较高随着阻尼电阻的增大谐振幅值也得到了有效的抑制且系统稳定性更好但高频段滤波质量不理想、系统损耗增大 因此阻尼电阻应满足有效抑制谐振幅值且取值尽可能小 由式()计算阻尼电阻的取值()含 的变换器改进控制策略设计.系统结构与数学模型变流器电路拓扑结构如图 所示其中 为直流侧稳压电容用于减少直流侧电压纹波起到缓冲作用稳定整流后的电压 为负载电阻图 含 滤波的全桥变流器本文采用图 所示的双闭环控制方式对变流器进行控制 将直流侧输出电压的控制放置于外环采用比例积分控制器以保证响应速度 采用电流内环来控制交流侧电流采用 控制以保证输出精度 为减少电网电压波动等对电流环的干扰同时改善系统响应速度和抗扰动能力还引入了电网电压前馈环节图 双闭环控制.电流内环控制结构因为设计一般要求电流要比电压变化速度更快所以本文先对电流内环进行设计如图 所示图 电流内环控制根据框图可得内环控制策略数学表达式为()()式中:为网侧给定参考电流为 控制器的传递函数电流内环采用 控制器可无静差跟踪电流数字化处理过程也较为简单 但 控制器在谐振点的幅值增益大非谐振点幅值增益小设计比较困难因此可采用 控制其传递函数为()()将 带入()即可得到基波频率下 控制的谐振增益:()()式中:为比例增益系数 为积分增益系数为截止频率 取 可见 控制可以很好地跟踪参考电流但其增益由比例谐振的无穷变为有限值可以根据实际需要来调节将 控制关系代入到式()当中经过整理变换后可得到:()()()()()()()()()()()()()()式中:可以看出通过调节()和()即可控制 和 的关系使之跟随参考电流减小因电流波动带来的影响 当系统中电容、电感等参数设定好后只需选择适当的准比例谐振控制器参数就可以实现这一目标.电压外环控制结构双闭环控制策略中电压外环的输出作为电流内环的输入二者相互影响但由于内环速度比外环的速度快十倍以上因此在进行外环的设计时可将电流内环部分等效看做一个简单的比例环节其值为 再忽略掉开关管上的电压即可得电压瞬时值 外环电压控制采用的 控制器传递函数为兰岚等:含 滤波的全桥变流器参数设计与改进控制策略()式中:为比例增益系数 为积分增益系数变大积分速度减慢超调量减小利于系统稳定但因其增益比较小不利于消除静态误差所以 控制器参数的选取需综合考虑以上因素 电压外环控制如图 所示图 电压外环控制 控制器的引入为系统增加了一个开环极点提升了系统型别可以减小稳态误差同时也增加了一个开环零点提高了阻尼程度可以缓解极点对系统产生的消极影响 适当调整 控制器参数即可达到稳定直流侧电压的目的使之等于给定的直流侧参考电压 电压偏差值和电网电压相乘后得到网侧输入电流参考值即()()()式中:表示直流参考电压标幺值因为单相脉宽调制()变流器的直流侧电压中固有二倍于基波频率的纹波会对网测电流产生谐波的影响 假定只考虑基波频率整数倍的谐波电压电网电压瞬时值 可以用式()进行描述:()()()式中:为电网电压基波幅值为第 次谐波电压幅值 表示任意整数因为有谐波电压的存在使变流器输入功率也含二次脉动分量及其他基波频率整数倍次功率分量所以直流侧也会产生相应频率的脉动电压因为控制策略选用双闭环所以交流电流中含有三次谐波 经开关管后又产生四次纹波电压最终整流所得直流电压里会有偶次纹波交流电流里含有奇次谐波 考虑谐波和电压波动的策略改进.谐波补偿方法在第 节所述的比例谐振控制器的研究基础上进行了改进并对三次谐波进行了补偿 具有补偿谐波环的准比例谐振传递函数为()()()式中:、为 次谐波的准比例谐振控制器参数为积分增益系数为截止频率在 控制器中加入以上三次谐波补偿环节后其对应的幅频特性曲线如图 所示 可以看出增加一个特定的谐波次补偿环后谐波频率处增益变大实现了对三次谐波的无静差跟踪降低了谐波含量()不同次数谐波下的幅频特性曲线()不同次数谐波下的相频特性曲线图 三次谐波补偿控制器的幅度和相位特性但由于原控制策略中参考电流是由电网电压和 控制器输出信号相乘而得故电压环输出的参考电流信号中同样包含谐波分量可能限制谐波补偿环节的滤波效果 因此本文在原控制策略基础上进一步加入带通滤波环节来滤除参考信号中的三次谐波其传递函数为()()式中:为增益 为滤波器带宽 为基波角频率带通滤波器在除基波频率外的各处增益均为负值可以实现滤除基波以外各频次谐波分量但也会出现超调量降低超调量必然会牺牲响应速度宁夏电力 年第 期.控制环节的限幅在电网电压的突然跌落再回升的瞬间或者瞬时过电压等情况下会给系统带来相当大的冲击若不对此加以控制控制系统有可能失稳甚至一次设备会因过流而受到损伤进而造成安全隐患 因此需要在控制环中加入限幅装置将参考电流信号的幅值限制在安全范围内确保网侧电流不会因过流影响运行安全 一般来说变换装置出厂时已经考虑了一定的抗冲击能力因此考虑实际电流的波动范围本文按照最高不超过额定电流的.倍设置限幅环节算例分析采用图 所示的电路结构进行算例分析电路参数如表 所示 其中滤波电感、电容、阻尼电阻数值由第 节所述方法计算得到表 滤波器及变流器参数参数名称取值网侧电感()/变流器侧电感()/滤波电容()/.阻尼电阻()/.电网电压有效值()/网侧基波电流幅值()/.谐振频率()/开关频率()/.谐波抑制效果分析为验证控制策略的滤波效果于.时在电网电压中加入幅值为 的三次谐波如图 所示 未加入滤波控制时的稳态电网电压和电流如图 所示图 加入三次谐波后的电网电压图 未加入滤波控制时的稳态电网电压和电流将本文改进控制策略应用于系统后网侧电流如图 所示 加入谐波补偿控制后参考电流中的谐波成分已被滤除网侧电流接近正弦波形取得了良好的控制效果图 加入改进控制策略的稳态电流对稳定后的 进行傅里叶分解及谐波分析得到图 所示对比结果 经计算在网侧电流 中采用改进控制策略后电流谐波总畸变率从.下降到.表明了本文改进控制策略的有效性()改进策略前的电网侧电流谐波含量.()改进策略后的电网侧电流谐波含量.图 控制策略改进前后的电流 对比.电压波动时的控制效果分析为了模拟系统电压发生跌落时的最坏状况在原系统稳定后于.时使系统电压突然跌落至原来的 由图 可知直流侧电压瞬间跌兰岚等:含 滤波的全桥变流器参数设计与改进控制策略到 后开始缓步回升至 左右.时随着电网电压的回升直流电压激增最高可达 之后慢慢于.恢复到稳态的 当系统电压回升的瞬间参考电流突然升至 网侧实际电流紧接着变大到 可见电网电压的突然跌落再回升的瞬间会给系统带来相当大的冲击影响系统运行安全()电网电压瞬时跌落()电网电压跌落时的电流变化图 电网电压瞬时跌落及电流变化情况采用本文控制策略后能够限制参考电流信号的幅值避免电压剧烈变化时带来的功率冲击图 中给出了采用本文控制策略后的电网侧电流波形图 采用改进控制策略后电网电压跌落时的电流由图中可以看出电压跌落时的实际参考电流被严格限制在.以下网侧电流峰值也仅达到 较之前的 有明显的降低电压突增时的网侧实际电流最高仅达.较之于先前的 也有所减小 按照电网严重故障时考虑其短路冲击电流一般不超过.倍次暂态电流改进控制环后网侧电流峰值均可以达到上述标准证明了本文方法的有效性结 论构建了含 滤波的全桥变流器运行控制数学模型提出了滤波参数精细化设计方法 通过合理选择总电感值兼顾了滤波能力、工作效率和动态响应特性 通过采取滤波电容支路串联阻尼电阻的方式在降低谐振幅值的同时保证了系统稳定性 在 滤波器接入后的变流器双环控制策略中基于 控制器的电压外环保证了响应速度基于 控制器的电流内环保证了输出精度并加入了带通滤波和限幅环节降低了运行环境突变的影响 算例分析证明了本文方法在高次谐波抑制、电网电压突降等场景下的有效性和适用性 本文研究为分布式电源并网变流装置的控制参数和控制策略设计提供了手段为促进分布式能源的高品质并网接入与消纳利用提供了支撑与保障参考文献 张崇魏张兴.整流器及其控制.北京:机械工业出版社.():.许津铭谢少军张斌锋.分布式发电系统中 滤波并网逆变器电流控制研究综述.中国电机工程学报():.许德志汪飞阮毅.和 滤波器无源阻尼分析.中国电机工程学报():.():.(下转第 页)霍耀佳等:考虑分布电容影响的煤矿供电系统漏电故障分析及定值整定 结 论通过对煤矿中性点不接地、中性点经消弧线圈接地系统发生漏电故障时进行研究分析得到以下结论:)传统的煤矿应用的漏电保护动作整定值给定方法忽略了分布电容的影响所计算出的漏电整定值存在偏差当考虑分布电容时在系统分布电容的数值达到一定程度时无论绝缘是否良好在发生人身触电时所形成的的漏电流已经大于交流人身触电安全电流 需要通过动作时间和漏电流的匹配实现流过人身的电流小于)采用本文提出的考虑分布电容影响的漏电保护整定方案可提前对系统发生人身触电时实际产生的触电电流进行预估通过在系统设计时提前规划选择满足线路分布电容限值的电缆同时匹配相应动作速度的漏电保护装置可有效防止人身触电伤亡事故发生参考文献 王彦文高彦.煤矿供电技术.徐州:中国矿业大学出版社:.孔庆宇.煤矿高压供电系统漏电故障 仿真.煤矿现代化():.唐会祥.煤矿井下高压选择性漏电保护原理的研究.煤矿机电():.李鹏.煤矿井下低压供电系统漏电故障的分析与处理.煤矿机电():.国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程.北京:煤炭工业出版社.收稿日期:修回日期:作者简介:霍耀佳()男硕士助理工程师从事电力系统保护与控制研究工作(:.)(上接第 页)./:.蔡雨希何英杰陈涛等.基于粒子群的三电平并网逆变器 滤波参数的高效精确设计方法.中国电机工程学报():.():.伍小杰孙蔚戴鹏等.一种虚拟电阻并联电容有源阻尼法.电工技术学报():.吴杰王志新王国强等.电压源型直流输电变流器系统中电网侧变流器的反步法控制.控制理论与应用():.江法洋郑丽君宋建成等.型并网逆变器重复双闭环控制方法.中国电机工程学报():.高吉磊张雅静林飞等.单相 整流器谐波电流抑制算法研究.中国电机工程学报():./:.胡金高.有源滤波器中 滤波参数选择和匹配.福州大学学报(自然科学版)():.王要强吴凤江孙力等.阻尼损耗最小化的 滤波器参数优化设计.中国电机工程学报():.卫国岗孙世宇刘金宁.基于准 控制的逆变器优化控制.国外电子测量技术():.收稿日期:修回日期:作者简介:兰岚()女助理工程师从事电力系统控制及电气试验技术工作(:.)