基于DSP單周控制有源電力濾波器的研究
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時(shí)間：2009-07-06
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各種非線(xiàn)性負(fù)載應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)中的無(wú)功功率和諧波污染已經(jīng)成為一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。為了消除無(wú)功和諧波對(duì)電網(wǎng)造成的污染，有源濾波器(APF)得到了飛速發(fā)展。其采用的控制方法主要分為三角載波線(xiàn)性控制、滯環(huán)比較控制、無(wú)差拍控制3種類(lèi)型。這些方法均存在一定的缺陷，如三角載波的波形畸變，滯環(huán)控制開(kāi)關(guān)頻率變化以及畸變電流檢測(cè)的快速實(shí)時(shí)響應(yīng)等。隨著微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)運(yùn)算速度的不斷提高，無(wú)差拍控制法，單周控制法及其他快速優(yōu)化控制法將在APF中得到進(jìn)一步的應(yīng)用。
單周控制法作為一種非線(xiàn)性控制法，最早由美國(guó)學(xué)者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制開(kāi)關(guān)的占空比，使每個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)量的平均值與控制參考信號(hào)相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。目前已成功地應(yīng)用到DC-DC變換、音頻開(kāi)關(guān)放大器、功率因素校正和單相有源電力濾波器等。本文所提出的基于DSP的單周控制有源電力濾波器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，而且具有很好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)補(bǔ)償特性及控制器簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。抗電源干擾能力強(qiáng)，魯棒性好。
1 單周控制有源電力濾波器
1.1 單周控制
單周控制原理如圖1所示，它由控制器、1個(gè)比較器、1個(gè)可復(fù)位積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以采用RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器。開(kāi)關(guān)K，K1為一對(duì)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)，頻率為fs=1／Ts。在每一個(gè)周期開(kāi)始，即t=0時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)到，開(kāi)關(guān)K閉合，K1斷開(kāi)，輸出y(t)的波形和輸入x(t)的波形相同，積分器由0開(kāi)始積分。在t=dTs時(shí)(其中d為占空比，d=Ton／Ts，根據(jù)模擬控制參考vref調(diào)制，且0d1)，積分器的輸出Vint達(dá)到給定參考電壓Vref時(shí)，比較器輸出發(fā)生變化，使K斷開(kāi)，K1閉合，積分器復(fù)位。等到下一個(gè)周期開(kāi)始的時(shí)候，又重復(fù)前面的動(dòng)作。
單周控制法作為一種非線(xiàn)性控制法，最早由美國(guó)學(xué)者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制開(kāi)關(guān)的占空比，使每個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)量的平均值與控制參考信號(hào)相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。目前已成功地應(yīng)用到DC-DC變換、音頻開(kāi)關(guān)放大器、功率因素校正和單相有源電力濾波器等。本文所提出的基于DSP的單周控制有源電力濾波器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，而且具有很好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)補(bǔ)償特性及控制器簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。抗電源干擾能力強(qiáng)，魯棒性好。
1 單周控制有源電力濾波器
1.1 單周控制
單周控制原理如圖1所示，它由控制器、1個(gè)比較器、1個(gè)可復(fù)位積分器及時(shí)鐘組成，其中控制器可以采用RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器。開(kāi)關(guān)K，K1為一對(duì)互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)，頻率為fs=1／Ts。在每一個(gè)周期開(kāi)始，即t=0時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)到，開(kāi)關(guān)K閉合，K1斷開(kāi)，輸出y(t)的波形和輸入x(t)的波形相同，積分器由0開(kāi)始積分。在t=dTs時(shí)(其中d為占空比，d=Ton／Ts，根據(jù)模擬控制參考vref調(diào)制，且0d1)，積分器的輸出Vint達(dá)到給定參考電壓Vref時(shí)，比較器輸出發(fā)生變化，使K斷開(kāi)，K1閉合，積分器復(fù)位。等到下一個(gè)周期開(kāi)始的時(shí)候，又重復(fù)前面的動(dòng)作。
1.2 主電路分析與控制量關(guān)系
圖2為包括電源電壓US、非線(xiàn)性負(fù)載、電壓源型變換器以及DSP單周控制器構(gòu)成的單相并聯(lián)型APF主電路，其中L為輸出濾波電感；C為儲(chǔ)能電容；RS為電流取樣電阻。
APF工作時(shí)能量在交流電源和APF直流側(cè)電容之間交換，故變換器應(yīng)工作在四象限。在電源電壓US的正半周，開(kāi)關(guān)S4應(yīng)該始終開(kāi)通，同時(shí)S2則始終關(guān)閉，開(kāi)關(guān)S1，S3由脈寬調(diào)制波控制其互補(bǔ)開(kāi)閉；在電源電壓US的負(fù)半周，開(kāi)關(guān)S3應(yīng)該始終開(kāi)通，同時(shí)S4則始終關(guān)閉，而S1，S2由脈寬調(diào)制波控制其互補(bǔ)開(kāi)閉。根據(jù)單周控制原理，由圖2可知，在一個(gè)單周期內(nèi)有下式(1)：
2 單周控制模型
在APF控制下，從電源角度看，APF與非線(xiàn)性負(fù)載并聯(lián)后構(gòu)成的總負(fù)載應(yīng)該有單位功率因數(shù)，即單周控制APF的控制目標(biāo)就是使電源的總負(fù)載呈電阻性，即電路應(yīng)該滿(mǎn)足下式：
由以上分析及式(7)可得到圖3的單相并聯(lián)型APF單周控制模型。該模型采用2個(gè)獨(dú)立復(fù)位積分器分別滿(mǎn)足式(7)中2個(gè)式子的比較量需要。
為了驗(yàn)證所提出的控制策略，搭建了DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用TMS320F2812芯片作為IGBT開(kāi)關(guān)的控制板，它具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算和控制功能，可滿(mǎn)足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制要求。逆變主電路采用智能功率模塊PM50RSA120，其內(nèi)部集成了IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路。
電源電壓為AC100 V／50 Hz，直流側(cè)2個(gè)4 700 μF電容串聯(lián)，逆變器輸出電感為1.3 mH，諧波源為二相全橋二極管整流橋。圖5所示為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文以單相并聯(lián)有源電力濾波器為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)基于DSP芯片的數(shù)字化控制方案，該方案用一片芯片實(shí)現(xiàn)單周控制，并介紹該方案的軟件設(shè)計(jì)。雖然實(shí)驗(yàn)結(jié)果不盡理想，但是基于單周控制的有源電力濾波器因元需檢測(cè)負(fù)載電流和電源電壓，其無(wú)需使用任何乘法器，故可大大簡(jiǎn)化諧波檢測(cè)電路和電流跟蹤控制電路，使控制電路簡(jiǎn)單、可靠無(wú)延遲，主電路開(kāi)關(guān)頻率恒定、易于實(shí)現(xiàn)，并且在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，有效地抑制了電源側(cè)地?cái)_動(dòng)。既沒(méi)有靜態(tài)誤差，也沒(méi)有動(dòng)態(tài)誤差，故單周控制以其明顯優(yōu)點(diǎn)在有源電力濾波器中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
評(píng)論