暴 敏,李田澤,韓 濤,韓玉瑩

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東淄博255091)

新型三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)控制策略

暴 敏,李田澤,韓 濤,韓玉瑩

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東淄博255091)

在分析與比較傳統(tǒng)兩態(tài)滯環(huán)電流控制和三態(tài)滯環(huán)電流控制的基礎(chǔ)上,利用三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)跟蹤控制方法導(dǎo)出了一種新型環(huán)寬計算公式；利用Matlab/simulink工具建立了逆變控制系統(tǒng)仿真模型,使用該模型對并網(wǎng)系統(tǒng)電流控制進行了實驗仿真.結(jié)果證明,該控制方法穩(wěn)態(tài)性能好,實際電流波形理想,電流誤差小.

滯環(huán)電流；自適應(yīng)跟蹤；環(huán)寬計算；仿真模型

隨著世界能源短缺和環(huán)境問題的日益突出,光伏發(fā)電因其能源質(zhì)量高、無公害、無枯竭危險等優(yōu)點越來越被人們所接受［1］.作為光伏發(fā)電并網(wǎng)的核心部件,并網(wǎng)逆變器的輸出電流(即并網(wǎng)電流)應(yīng)能實時跟蹤電網(wǎng)電量,且總畸變失真低［2］.

滯環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn),實際并網(wǎng)電流誤差小［3-4］,穩(wěn)定性好等優(yōu)點.傳統(tǒng)的兩態(tài)電流滯環(huán)控制中全橋電路的開關(guān)頻率高,易導(dǎo)致電磁干擾等問題.三態(tài)滯環(huán)電流控制只有兩個開關(guān)在高頻狀態(tài)下工作,開關(guān)頻率較低,且動態(tài)響應(yīng)較快,降低功率管的開關(guān)損耗.本文在三態(tài)滯環(huán)電流控制的基礎(chǔ)上導(dǎo)出了一種新型環(huán)寬計算公式,可以根據(jù)電氣參數(shù)改變滯環(huán)寬度,得到固定的開關(guān)頻率,從而達到改變環(huán)寬穩(wěn)定開關(guān)頻率、降低開關(guān)損耗的目的.逆變器的輸出電流能夠?qū)崟r跟蹤參考電流變化,誤差較小.

1 單相全橋并網(wǎng)逆變器滯環(huán)控制理論

單相并網(wǎng)逆變器主電路可抽象為圖1所示的電路模型,通過控制橋臂的通斷來調(diào)節(jié)橋臂中點A、B的輸出電壓.由圖1可得逆變器輸出電壓、電感電壓與電網(wǎng)電壓的關(guān)系：

圖2為傳統(tǒng)兩態(tài)滯環(huán)控制的原理圖.令i為實際并網(wǎng)電流(i＞0)為給定參考電流,則電流誤差.給定環(huán)寬為2H.當(dāng)＜―H時,實際并網(wǎng)電流,此時

圖1 單相全橋并網(wǎng)逆變電路

圖2 兩態(tài)滯環(huán)控制原理圖

圖1 中S1、S4導(dǎo)通,S2、S3關(guān)斷,并網(wǎng)逆變器的輸出電壓為,此時L承受正電壓,于是并網(wǎng)電流上升,當(dāng)上升到使＞H時,S1、S4關(guān)斷,S2、S3導(dǎo)通,此時逆變器的輸出電壓變?yōu)楱D,電感L兩端變?yōu)樨?fù)電壓,從而使并網(wǎng)電流下降.這樣,并網(wǎng)電流i最終在上下環(huán)寬內(nèi)變化,實現(xiàn)實時準(zhǔn)確跟蹤.

2 三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)跟蹤控制

逆變器開關(guān)頻率由滯環(huán)寬度決定,滯環(huán)寬度H越窄,開關(guān)頻率f越高,逆變器的輸出電流波形更接近于參考電流的波形,越能實時精確跟蹤.但如果增加開關(guān)頻率,不僅會減少功率管的使用壽命,其頻繁的開斷也會造成電磁干擾的問題,自適應(yīng)滯環(huán)電流控制,其原理是實時根據(jù)電網(wǎng)電壓、逆變器的輸出電壓等參數(shù)調(diào)整滯環(huán)寬度,從而使平均開關(guān)頻率維持基本不變［5-6］.

2.1 三態(tài)滯環(huán)電流控制理論分析

本文以電網(wǎng)電壓的正半周為例說明三態(tài)滯環(huán)電源控制的原理。在電網(wǎng)電壓正半周,當(dāng)電流誤差＜―H時,S1、S4導(dǎo)通,S2、S3關(guān)斷,此時A、B兩端輸出電壓、并網(wǎng)電流在正電壓作用下上升；當(dāng)上升到＞H時,S1、S2導(dǎo)通,S3、S4關(guān)斷,此時A、B兩端輸出電壓是0下降.由上述可以看出的變化范圍被限制在±H內(nèi).當(dāng)處于電網(wǎng)電壓負(fù)半周時,可作類似分析,在此不再贅述.A、B兩端輸出電壓為―和0.

圖3 三態(tài)滯環(huán)控制開關(guān)邏輯及輸出

三態(tài)滯環(huán)控制開關(guān)邏輯和輸出電壓如圖3所示,在電網(wǎng)電壓的正半周,S1處于一直導(dǎo)通狀態(tài), S2、S4互補導(dǎo)通；在電網(wǎng)電壓的負(fù)半周S3處于一直導(dǎo)通狀態(tài),S2、S4互補導(dǎo)通.因此,在一個周期內(nèi)4個開關(guān)管只有S2、S4工作在高頻狀態(tài).與兩態(tài)滯環(huán)控制(其4個功率管都處于高頻狀態(tài))相比,這種控制方式可以優(yōu)化光伏并網(wǎng)逆變器的開關(guān)邏輯,降低功率管的開關(guān)損耗.通過控制開關(guān)的關(guān)斷,使并網(wǎng)電流i與電網(wǎng)電壓同頻同相.

2.2 三態(tài)自適應(yīng)滯環(huán)控制原理框圖

為了實現(xiàn)上述開關(guān)邏輯,可以增加過零比較器來控制全橋逆變器中功率管的通斷,圖4所示為三態(tài)自適應(yīng)滯環(huán)控制的原理框圖.通過同步電路和乘法電路獲得與電網(wǎng)電壓同頻同相的參考電流,再通過過零比較器產(chǎn)生驅(qū)動脈沖使S1、S3工作于互補導(dǎo)通狀態(tài)；電流誤差控制電流滯環(huán)控制器使其發(fā)出PWM脈沖以驅(qū)動S2、S4互補通斷.

圖4 三態(tài)自適應(yīng)滯環(huán)控制原理框圖

2.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)實際給定的參考電流是不斷變化的正弦波,本文建立了三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)控制數(shù)學(xué)模型,并推導(dǎo)出三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)控制的環(huán)寬公式.圖5為三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)控制電流、電壓波形,圖中為參考電流為實際上升電流為實際下降電流.

圖5 三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)控制電流、電壓波形

在圖1所示的全橋逆變器電路中,忽略電感電阻,濾波電感電流iL與逆變橋輸出電壓uout和電網(wǎng)電壓u0的關(guān)系為

可以得到三態(tài)自適應(yīng)電流滯環(huán)寬度的計算公式：

由式(8)可知,通過調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度,可以得到固定的開關(guān)頻率,從而達到改變環(huán)寬穩(wěn)定開關(guān)頻率的目的.根據(jù)(8)式建立三態(tài)自適應(yīng)電流滯環(huán)寬度計算器的Matlab仿真模塊,如圖6所示.

圖6 三態(tài)自適應(yīng)電流滯環(huán)寬度計算器仿真模塊

3 仿真及實驗結(jié)果

利用Matlab/simulink仿真工具建立的逆變系統(tǒng)仿真模型如圖7所示.其中直流電源、單相全橋逆變并網(wǎng)電路、濾波電路和模擬單相電網(wǎng)構(gòu)成主電路, FPGA控制器模塊、環(huán)寬計算模塊以及示波器模塊構(gòu)成控制電路.

電網(wǎng)電壓有效值為220V,頻率為50 Hz,濾波電感為5m H,直流電壓為500V,電路模型仿真使用固定步長為1μs的離散算法,在功率管的開關(guān)頻率為10 k Hz時對逆變器的輸出電流進行了仿真.

仿真結(jié)果如圖8所示.其中上圖為給定的參考電流,其波形與電網(wǎng)電壓同步,幅值為電網(wǎng)電流的1/16(即有效值是14A；下圖為逆變器的實際輸出電流,通過圖像可以看到,實際電流波形比較理想,較好的跟蹤了參考電流,實現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng).

圖7 單相全橋并網(wǎng)逆變器仿真模型

圖8 給定參考電流及實際輸出電流波形

圖9 為并網(wǎng)電流誤差波形.由圖可知,并網(wǎng)電流跟蹤誤差在―0.2～0.2A內(nèi)變化,誤差較小.驗證了三態(tài)滯環(huán)電流自適應(yīng)跟蹤控制的可行性和穩(wěn)定性.

圖9 并網(wǎng)電流誤差波形

4 結(jié)束語

本文建立了三態(tài)自適應(yīng)滯環(huán)寬度數(shù)學(xué)模型,該模型可以通過調(diào)節(jié)滯環(huán)寬度保持開關(guān)頻率不變.當(dāng)滯環(huán)寬度隨電網(wǎng)頻率變化時,逆變器能夠緊密跟蹤參考電流的變化,輸出優(yōu)良的正弦電流,與電網(wǎng)電壓同相,實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行.通過實驗仿真驗證本文建立的三態(tài)自適應(yīng)滯環(huán)寬度數(shù)學(xué)模型具有較好的運行性能,能有效提高太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器的逆變頻率.

［1］趙爭鳴.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社,2005.

［2］侯世英,肖旭,徐曦.基于間接電流控制的并網(wǎng)逆變器［J］.電力自動化設(shè)備,2010,30(6)：76-79.

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(編輯:劉寶江)

The new three-level adaptive hysteresis current control strategy

BAO Min,LI Tian-ze,HAN Tao,HAN Yu-ying
(School of Electric and Electronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255091,China)

Based on the analysis and comparison of the traditional two-state hysteresis current control and the three-state hysteresis current control,the paper using the three-level adaptive tracking hysteresis current control method derived a new ring width calculation formula,using Matlab/simulink establish the inverter control system simulation model,and emulated the grid system current control.The simulation results indicate that the control mode state is steady,the actual current waveform is ideal and the current error is small.

hysteresis current；adaptive tracking；ring width calculation；simulation model

1672―6197(2013)01―0017―04

TN433

A

2012- 10- 11

國家自然科學(xué)基金資助項目(50807034)；山東省自然科學(xué)基金資助(ZR2011EEQ025)；山東省淄博市科技發(fā)展資助項目(2011GG01116)；山東理工大學(xué)重點學(xué)科資助項目

暴敏,女,bm19880329@163.com；通信作者：李田澤,男,ltzwang@163.com