基於跟蹤微分器的指令電流運算電路和有源電力濾波器的製作方法

2023-05-08 02:53:17 2

本發明涉及一種基於跟蹤微分器的指令電流運算電路和有源電力濾波器。
背景技術：
：有源電力濾波器是一種用於實時補償無功功率和抑制諧波電流的電力電子裝置，能夠對頻率和大小都變化的諧波和變化的無功功率進行實時補償，可以克服LC濾波器等傳統諧波抑制和無功功率補償方法的缺點。其主要有兩種控制方式：基於諧波電流檢測的控制方式和雙閉環控制方式。基於諧波電流檢測的控制方式基本原理為：首先檢測負載電流中的諧波和無功分量，然後使變換器輸出與之大小相等、方向相反的補償電流來抵消，從而使得電網側電流中諧波含量降低且與電網電壓同頻同相，實現諧波抑制和無功功率補償的目的。但是這種方法需要檢測負載電流、電網電流、補償電流和電網電壓，同時需要複雜的算法來處理負載電流以提取諧波和無功分量，需要多個電流互感器以及較高級的處理晶片，設備投入較大。相比之下雙閉環控制方式只需檢測電網側的電壓和電流，無需檢測負載電流和補償電流，且不需要進行諧波和無功提取，算法簡單，易於實現，更加經濟可靠。採用雙閉環控制方式的通常採用PI控制器來實時地調節輸出電流的大小。但事實上，其輸出信號中含有諧波，調節效果並不理想。技術實現要素：本發明為了解決上述問題，提出了一種基於跟蹤微分器的指令電流運算電路和有源電力濾波器，在反應時間不變的前提下，極大地提升了有源電力濾波器的動態性能，增強了其諧波抑制能力。為了實現上述目的，本發明採用如下方案：一種基於跟蹤微分器的指令電流運算電路，包括：電壓環，根據直流側電壓實際值和電壓參考值，輸出二者的差值；PI控制器，與電壓環輸出相連，用於輸出對應的參考電流；微分跟蹤器，與所述PI控制器相連，用於跟蹤參考電流，並濾除參考電流中的諧波；鎖相環，用於檢測電網側電壓相位，並生成與電網側電壓同頻同相的單位正弦電壓信號；乘法器，與微分跟蹤器和鎖相環的輸出連接，得到電網側電流的參考值。所述跟蹤微分器具有兩個輸出埠，埠1用於跟蹤輸入信號，並對輸入信號作帶有濾波效果的光滑趨近，埠2輸出輸入信號的廣義導數，所述埠1與乘法器連接。所述跟蹤微分器具有可調參數R，其值同時滿足跟蹤微分器的相位跟蹤和濾波效果要求。微分跟蹤器為線性跟蹤微分器，用於提高電路響應時間。線性跟蹤微分器的線性參數滿足赫爾維茨矩陣，用於穩定線性跟蹤微分器。一種基於跟蹤微分器的有源電力濾波器，還包括：電流跟蹤控制電路，同時與電網側線路和指令電流運算電路連接，通過檢測電網側電流實際值，輸出電網側電流實際值與電網側電流參考值的差值；驅動電路，與電流跟蹤控制電路相連，並輸出驅動信號。主電路，與驅動電路相連，根據驅動信號向負載側輸出補償電流。電流跟蹤控制電路包括電流檢測器和電流環，電流檢測器檢測電網側電流實際值並輸出給電流環，電流環同時與電流檢測器和指令電流運算電路相連，輸出電網側電流的參考值和電網側電流實際值的差值。主電路包括PWM變流器和在PWM變流器兩側並聯電容器。本發明的有益效果：(1)在不影響有源電力濾波器反應時間的前提下，極大地提升了有源電力濾波器的動態性能，增強了其諧波抑制能力，系統運行依舊穩定。(2)減少了電能損耗，改善電能質量，利於電網穩定運行，具有較大應用價值。附圖說明圖1為現有的雙閉環控制的有源電力濾波器原理圖；圖2為現有的有源電力濾波器仿真模型；圖3為現有的有源電力濾波器仿真模型中非線性負載；圖4為現有的有源電力濾波器仿真結果：負載電流；圖5為現有的有源電力濾波器仿真結果：網側電流；圖6為現有的有源電力濾波器仿真結果：PI調節器輸出；圖7為現有的有源電力濾波器仿真結果：網側電流參考信號；圖8為本發明基於微分跟蹤器的有源電力濾波器原理圖；圖9為本發明跟蹤微分器示意圖；圖10為本發明基於微分跟蹤器的有源電力濾波器的仿真結果：網側電流參考信號；圖11為本發明基於微分跟蹤器的有源電力濾波器的仿真結果：網側電流；圖12為本發明基於微分跟蹤器的有源電力濾波器的仿真結果：PI調節器輸出；圖13為現有的有源電力濾波器負載突變時的網側電流；圖14為本發明基於微分跟蹤器的有源電力濾波器負載突變時的網側電流。具體實施方式：下面結合附圖與實施例對本發明作進一步說明。雙閉環控制的有源電力濾波器的基本原理如圖1所示，由直流側電壓外環經PI控制得到網側電流幅值參考值，將之與通過鎖相環(PLL)得到的同電網電壓同頻同相的單位正弦量相乘，得到網側電流的參考值，之後通過內環電流環，使實際電網電流跟蹤參考值。圖中，Vdc是直流側電容兩端電壓，Vdcref是直流側電壓參考值，vs是電網電壓，is是電網側電流，isref是網側電流參考值，iL是負載電流，ic是補償電流。為了觀測該方法的效果，搭建了相應的MATLAB仿真模型，如圖2所示。相關參數為：電網電壓220V、50Hz，負載為兩個相同的單相全橋不控整流電路(0.4s時切除其中一個)，直流側電容C＝1500μF，輸出濾波器L＝4mH，圖3為非線性負載。0.3～0.4s負載電流波形如圖4所示，總諧波畸變率(THD)為55.55％，遠遠超過了相關標準。經有源電力濾波器處理後網側電流波形如圖5所示，THD降為4.25％，但依然過高。探究原因，發現PI控制器的輸出信號中含有諧波，如圖6所示。如此，其與單位正弦信號相乘所得的網側電流參考信號中必然含有大量諧波，如圖7所示，最終使網側電流中諧波含量過大。為了提高雙閉環控制方式有源電力濾波器的性能，本設計使用跟蹤微分器對PI控制器輸出信號進行處理。圖8是基於跟蹤微分器的有源電力濾波器。包括指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路和主電路。其中指令電流運算電路在PI控制器與乘法器之間設置跟蹤微分器，跟蹤微分器是這樣一種機構，如圖9所示：輸入信號v(t)，可以輸出兩個信號z1和z2。其中z1是輸入信號v(t)的光滑逼近，z2是v(t)的廣義導數，即z1的導數。該求導過程可以避免高頻噪聲及不可導點的影響。由於本設計中不需要輸出導數信號，所以跟蹤微分器只輸出跟蹤信號，為單入單出。對如下系統x1(t)=x2(t)x2(t)=f(x1(t),x2(t))]]>跟蹤微分器的一般形式為z1(t)=z2(t)z2(t)=R2f(z1(t)-v(t),z2(t)/R)]]>本設計使用的是線性跟蹤微分器,線性跟蹤微分器可以提高電路響應時間。z1(t)=z2(t)z2(t)=R2-5(z1(t)-v(t))-2z2(t)/R]]>其中R是可調參數，決定跟蹤微分器的濾波特性，R過高會降低微分跟蹤器的濾波性能，R過低則會造成跟蹤微分器跟蹤相位延遲，本設計中取值為100，滿足跟蹤微分器的相位跟蹤和濾波效果。f為線性參數，這裡選取-2與-5兩個參數是因為其對應的矩陣滿足(赫爾維茨)Hurwitz矩陣，當線性系統的係數矩陣為赫爾維茨矩陣時，該系統是漸近穩定的。為了觀測該方法的效果，搭建了相應的MATLAB仿真模型並得到了仿真結果。實驗結果如圖10-12所示：經跟蹤微分器改進後，PI控制器輸出基本不含諧波；網側電流參考信號的THD由原來的4.27％下降為0.47％；網側電流的THD由原來的4.25％下降到1.56％，極大地提升了有源電力濾波器的諧波抑制能力，達到了理想的控制效果。為了驗證跟蹤微分器對系統反應時間的影響，設置負載在0.4s時突降，原有源電力濾波器及跟蹤微分器改進的有源電力濾波器仿真結果分別如圖13、14所示。可以看到在負載突變時，兩種控制方式的反應時間基本一致。綜上，相比於原有源電力濾波器，跟蹤微分器改進的有源電力濾波器在保持反應時間不變的前提下，極大地提升了單相有源電力濾波器的動態性能，增強了其諧波抑制能力。上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護範圍以內。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp