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(太原理工大學(xué)煤礦裝備與安全控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030024)
本文采用基于空間矢量的無差拍電流控制方法。該方法要求實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)測出下一時(shí)刻的指令電流值,因此將預(yù)測電流的開環(huán)控制改進(jìn)為閉環(huán)控制以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。目前常見的預(yù)測方法包括線性預(yù)測[1]、拋物線預(yù)測[2]、重復(fù)預(yù)測觀測器、自適應(yīng)及神經(jīng)元等預(yù)測方法。本文利用Matlab軟件對比研究了線性預(yù)測與拋物線預(yù)測方法,從而得出拋物線預(yù)測法的預(yù)測效果更好。最后將此控制方法用于APF的實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制方法的可行性與有效性。
三相3線制并聯(lián)有源電力濾波器的主電路如圖1所示。
圖1 三相3線制并聯(lián)有源電力濾波器的主電路Fig.1 The main circuit of three-phase three-wire shunt APF
由基爾霍夫電壓定律可得APF的數(shù)學(xué)模型為
式中:j=A,B,C;ej為電源電壓;uj為以點(diǎn)O為參考點(diǎn)所得A,B,C3點(diǎn)的電壓;icj為APF輸出的補(bǔ)償電流;R,L分別為主電路交流側(cè)的等效電阻與等效電感;Udc為主電路直流側(cè)的電容電壓。
忽略等效電阻,并在k時(shí)刻對式(1)中的微分項(xiàng)離散化可得:
式中:T為1個(gè)周期的時(shí)間;icj(k),icj(k+1)分別為k時(shí)刻與k+1時(shí)刻的補(bǔ)償電流值。
由于APF輸出的補(bǔ)償電流要求實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤其指令電流,于是應(yīng)將k+1時(shí)刻檢測的諧波電流值作為指令電流代替式(2)中的,可得:
由式(3)可知,參考電壓是由主電路的等效電感、電源電壓以及指令電流得到??梢?,SVPWM控制算法實(shí)質(zhì)是通過控制輸出電壓而控制輸出電流。由于采用DSP控制系統(tǒng),使k+1時(shí)刻使用k時(shí)刻得到的指令電流值來計(jì)算參考電壓,所以在k+1時(shí)刻才能得到k時(shí)刻的實(shí)際補(bǔ)償電流值,故存在一拍的滯后。為了彌補(bǔ)滯后現(xiàn)象,引入無差拍控制。該控制方法的原理框圖如圖2所示。
圖2 基于SVPWM無差拍控制的原理框圖Fig.2 Block diagram of deadbeat control base on SVPWM
該方法的基本原理是用k時(shí)刻預(yù)測出k+1時(shí)刻的指令電流值,然后根據(jù)無差拍控制算法得出參考電壓u*(k),最后由SVPWM控制方法[3]生成PWM脈沖信號(hào)。這樣便能保證每一時(shí)刻輸出的補(bǔ)償電流等于其指令電流。參考電壓u*(k)的表達(dá)式為
上述指令電流的預(yù)測屬于開環(huán)預(yù)測,但實(shí)際檢測出的諧波電流是時(shí)變、非線性、且易受被測系統(tǒng)干擾的。為了提高指令電流預(yù)測的準(zhǔn)確性,對此預(yù)測模型進(jìn)行改進(jìn),使之成為閉環(huán)預(yù)測。具體改進(jìn)方法為:首先計(jì)算出k+1時(shí)刻的預(yù)測值與實(shí)際值的偏差,然后將其加到下一時(shí)刻的預(yù)測值上,表達(dá)式為
將得到的偏差加到下一時(shí)刻的預(yù)測值上可得:
實(shí)現(xiàn)無差拍控制效果的關(guān)鍵是指令電流預(yù)測的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。目前主要的預(yù)測方法包括自適應(yīng)預(yù)測、神經(jīng)元預(yù)測、重復(fù)預(yù)測觀測器以及拉格朗日插值法等方法。由于自適應(yīng)預(yù)測和神經(jīng)元預(yù)測的實(shí)時(shí)性較差[4],重復(fù)預(yù)測觀測器[5]實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜,因此本文重點(diǎn)研究了線性預(yù)測和拋物線預(yù)測方法。
已知k-1時(shí)刻、k時(shí)刻的指令電流值,采用拉格朗日線性插值公式計(jì)算k+1時(shí)刻的指令電流值
將式(7)得到的k+1時(shí)刻的指令電流預(yù)測值代入式(4)便可得出參考電壓值。
同理,通過式(8)得出的指令電流預(yù)測值代入式(4)便可得出參考電壓值。
可見,線性預(yù)測和拋物線預(yù)測的算法簡單,計(jì)算量小且實(shí)時(shí)性好。
雖然理論分析和一些實(shí)例證明拋物線插值的精度比線性插值高,但由于本系統(tǒng)中指令電流的表達(dá)式難以得到,所以本文利用Matlab軟件對線性插值和拋物線插值這2種預(yù)測法進(jìn)行仿真研究,并對上述控制方法進(jìn)行仿真以驗(yàn)證其可行性與有效性。
本文采用Matlab2010/Simulink軟件搭建的有源濾波器仿真模型如圖3所示。其中PWM脈沖生成模塊的仿真模型如圖4所示。仿真參數(shù)設(shè)置如下:1)電源電壓為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波,相電壓有效值為220 V,頻率為50 Hz;2)諧波源為帶電阻負(fù)載的三相二極管整流橋,進(jìn)線電感為10 mH,電阻為20 Ω;3)主電路直流側(cè)參考電壓為1 000 V,電容為3 300 μF,交流側(cè)輸出電感為10 mH;4)IGBT的開關(guān)頻率為6.4 kHz;5)仿真時(shí)間為0.1 s,算法采用ode45。
圖3 并聯(lián)有源電力濾波器的仿真模型Fig.3 Simulation model of shunt APF
圖4 PWM脈沖生成的仿真模型Fig.4 Simulation model of PWM signal generation module
由于系統(tǒng)三相對稱,以A相為例進(jìn)行分析。A相負(fù)載電流波形及其頻譜圖如圖5所示,其諧波總畸變率為19.7%。采用基于指令電流開環(huán)預(yù)測與閉環(huán)預(yù)測的空間矢量無差拍控制方法得出經(jīng)有源電力濾波器補(bǔ)償后電源電流的仿真結(jié)果如圖6所示。
圖5 A相負(fù)載電流波形及其頻譜圖Fig.5 The waveforms and the corresponding frequency spectrum of the A-phase load current
可見,在無差拍電流控制中采用電流閉環(huán)控制比開環(huán)控制的效果好,補(bǔ)償后電源電流中諧波總畸變率由6.51%下降到2.55%。
圖6 A相電源電流的波形及其頻譜圖Fig.6 The waveforms and the corresponding frequency spectrum of the A-phase supply current
上述仿真是采用線性預(yù)測算法進(jìn)行指令電流的預(yù)測。為提高指令電流預(yù)測的準(zhǔn)確性,本文對拋物線預(yù)測算法也進(jìn)行了仿真,其結(jié)果見圖7。
圖7 拋物線預(yù)測時(shí)A相電源電流波形及其頻譜圖Fig.7 The waveforms and the frequency spectrum of the A-phase supply current by parabola forecast
由圖7可知,采用拋物線預(yù)測法比線性預(yù)測法的預(yù)測效果更好。因此,在實(shí)驗(yàn)中采用拋物線預(yù)測法并進(jìn)行電流閉環(huán)控制。
本文用TMS320F2812 DSP作為APF的控制核心,在集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3上使用C語言進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。APF的軟件系統(tǒng)包括主程序和中斷服務(wù)程序2部分。主程序完成系統(tǒng)初始化、鍵盤及顯示功能。中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)PWM脈沖的生成、功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)以及直流側(cè)電壓的過壓與欠壓保護(hù)功能。
本文采用鎖相環(huán)芯片CD4046得到與A相電源電壓同步的方波信號(hào),并將其送入DSP的捕獲單元3(CAP3)引腳,通過編寫CAP3中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)同步控制和電源頻率的計(jì)算。又采用CD4040芯片得到頻率為6.4 kHz的方波信號(hào),該信號(hào)接到捕獲單元1(CAP1)引腳,利用軟件程序?qū)崿F(xiàn)PWM脈沖的生成。
當(dāng)CAP3檢測到方波信號(hào)的上升沿時(shí)產(chǎn)生中斷,若是第1次進(jìn)入中斷則使能CAP1中斷。使能CAP1中斷后便可等其觸發(fā)信號(hào)的到來,以執(zhí)行此中斷服務(wù)程序。該中斷服務(wù)程序包括A/D采樣子程序、PI調(diào)節(jié)子程序、指令電流預(yù)測子程序以及SVPWM控制子程序。該程序的流程如圖8所示。
圖8 CAP1中斷服務(wù)程序流程圖Fig.8 Flowchart of interrupt service program for capture1
指令電流預(yù)測子程序分為2部分:一是采用單位功率因數(shù)諧波檢測法計(jì)算諧波電流;二是采用拋物線預(yù)測法得到指令電流的預(yù)測值。SVPWM控制子程序是先用改進(jìn)的閉環(huán)電流控制計(jì)算參考電壓,再采用SVPWM算法生成PWM脈沖。計(jì)算指令電流的流程圖如圖9所示。
圖9 指令電流子程序流程圖Fig.9 Subprogram flowchart of reference current
通過運(yùn)行上述程序可生成6路PWM脈沖信號(hào),將此信號(hào)接到驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離和放大,再將其接到IPM模塊以控制IGBT的通斷,便可產(chǎn)生補(bǔ)償電流。以A相為例,得出的負(fù)載電流與補(bǔ)償后電源電流的波形分別如圖10和圖11所示。
圖10 負(fù)載電流的波形Fig.10 Waveforms of load current
圖11 電源電流的波形Fig.11 Waveforms of supply current
本文研究了空間矢量無差拍電流控制方法在APF中的應(yīng)用。在無差拍電流控制部分采用了閉環(huán)電流控制以提高指令電流預(yù)測的準(zhǔn)確性。利用Matlab仿真軟件對比研究了線性預(yù)測與拋物線預(yù)測算法的預(yù)測效果,得出拋物線預(yù)測算法的準(zhǔn)確性更高。因此,在APF實(shí)驗(yàn)中使用拋物線預(yù)測算法進(jìn)行指令電流的預(yù)測并對其采用閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制方法的可行性和有效性。
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