本發(fā)明涉及一種基于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于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(tǒng)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：基于諧波電流檢測的控制方式和雙閉環(huán)控制方式。基于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，然后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(wǎng)側電流中諧波含量降低且與電網(wǎng)電壓同頻同相，實現(xiàn)諧波抑制和無功功率補償?shù)哪康?。但是這種方法需要檢測負載電流、電網(wǎng)電流、補償電流和電網(wǎng)電壓，同時需要復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芯片，設備投入較大。相比之下雙閉環(huán)控制方式只需檢測電網(wǎng)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，易于實現(xiàn)，更加經(jīng)濟可靠。采用雙閉環(huán)控制方式的通常采用PI控制器來實時地調(diào)節(jié)輸出電流的大小。但事實上，其輸出信號中含有諧波，調(diào)節(jié)效果并不理想。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于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(tài)性能，增強了其諧波抑制能力。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下方案：一種基于跟蹤微分器的指令電流運算電路，包括：電壓環(huán)，根據(jù)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(huán)輸出相連，用于輸出對應的參考電流；微分跟蹤器，與所述PI控制器相連，用于跟蹤參考電流，并濾除參考電流中的諧波；鎖相環(huán)，用于檢測電網(wǎng)側電壓相位，并生成與電網(wǎng)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(huán)的輸出連接，得到電網(wǎng)側電流的參考值。所述跟蹤微分器具有兩個輸出端口，端口1用于跟蹤輸入信號，并對輸入信號作帶有濾波效果的光滑趨近，端口2輸出輸入信號的廣義導數(shù)，所述端口1與乘法器連接。所述跟蹤微分器具有可調(diào)參數(shù)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，用于提高電路響應時間。線性跟蹤微分器的線性參數(shù)滿足赫爾維茨矩陣，用于穩(wěn)定線性跟蹤微分器。一種基于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(wǎng)側線路和指令電流運算電路連接，通過檢測電網(wǎng)側電流實際值，輸出電網(wǎng)側電流實際值與電網(wǎng)側電流參考值的差值；驅動電路，與電流跟蹤控制電路相連，并輸出驅動信號。主電路，與驅動電路相連，根據(jù)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(huán)，電流檢測器檢測電網(wǎng)側電流實際值并輸出給電流環(huán)，電流環(huán)同時與電流檢測器和指令電流運算電路相連，輸出電網(wǎng)側電流的參考值和電網(wǎng)側電流實際值的差值。主電路包括PWM變流器和在PWM變流器兩側并聯(lián)電容器。本發(fā)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(tài)性能，增強了其諧波抑制能力，系統(tǒng)運行依舊穩(wěn)定。(2)減少了電能損耗，改善電能質量，利于電網(wǎng)穩(wěn)定運行，具有較大應用價值。附圖說明圖1為現(xiàn)有的雙閉環(huán)控制的有源電力濾波器原理圖；圖2為現(xiàn)有的有源電力濾波器仿真模型；圖3為現(xiàn)有的有源電力濾波器仿真模型中非線性負載；圖4為現(xiàn)有的有源電力濾波器仿真結果：負載電流；圖5為現(xiàn)有的有源電力濾波器仿真結果：網(wǎng)側電流；圖6為現(xiàn)有的有源電力濾波器仿真結果：PI調(diào)節(jié)器輸出；圖7為現(xiàn)有的有源電力濾波器仿真結果：網(wǎng)側電流參考信號；圖8為本發(fā)明基于微分跟蹤器的有源電力濾波器原理圖；圖9為本發(fā)明跟蹤微分器示意圖；圖10為本發(fā)明基于微分跟蹤器的有源電力濾波器的仿真結果：網(wǎng)側電流參考信號；圖11為本發(fā)明基于微分跟蹤器的有源電力濾波器的仿真結果：網(wǎng)側電流；圖12為本發(fā)明基于微分跟蹤器的有源電力濾波器的仿真結果：PI調(diào)節(jié)器輸出；圖13為現(xiàn)有的有源電力濾波器負載突變時的網(wǎng)側電流；圖14為本發(fā)明基于微分跟蹤器的有源電力濾波器負載突變時的網(wǎng)側電流。具體實施方式：下面結合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。雙閉環(huán)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(huán)經(jīng)PI控制得到網(wǎng)側電流幅值參考值，將之與通過鎖相環(huán)(PLL)得到的同電網(wǎng)電壓同頻同相的單位正弦量相乘，得到網(wǎng)側電流的參考值，之后通過內(nèi)環(huán)電流環(huán)，使實際電網(wǎng)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(wǎng)電壓，is是電網(wǎng)側電流，isref是網(wǎng)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(shù)為：電網(wǎng)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(jīng)有源電力濾波器處理后網(wǎng)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(fā)現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)側電流中諧波含量過大。為了提高雙閉環(huán)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是基于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(shù)，即z1的導數(shù)。該求導過程可以避免高頻噪聲及不可導點的影響。由于本設計中不需要輸出導數(shù)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(tǒng)x·1(t)=x2(t)x·2(t)=f(x1(t),x2(t))]]>跟蹤微分器的一般形式為z·1(t)=z2(t)z·2(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。z·1(t)=z2(t)z·2(t)=R2[-5(z1(t)-v(t))-2z2(t)/R]]]>其中R是可調(diào)參數(shù)，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(shù)，這里選取-2與-5兩個參數(shù)是因為其對應的矩陣滿足(赫爾維茨)Hurwitz矩陣，當線性系統(tǒng)的系數(shù)矩陣為赫爾維茨矩陣時，該系統(tǒng)是漸近穩(wěn)定的。為了觀測該方法的效果，搭建了相應的MATLAB仿真模型并得到了仿真結果。實驗結果如圖10-12所示：經(jīng)跟蹤微分器改進后，PI控制器輸出基本不含諧波；網(wǎng)側電流參考信號的THD由原來的4.27％下降為0.47％；網(wǎng)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(tǒng)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?？梢钥吹皆谪撦d突變時，兩種控制方式的反應時間基本一致。綜上，相比于原有源電力濾波器，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(tài)性能，增強了其諧波抑制能力。上述雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發(fā)明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。當前第1頁1 2 3