大功率电力电子负载并网变换器的设计与改进

第29卷第18期中国电机工程学报Vol.29No.18Jun.25,20092009年6月25日ProceedingsoftheCSEE©2009Chin.Soc.forElec.Eng.1文章编号：0258-8013(2009)18-0001-07中图分类号：TM46文献标志码：A学科分类号：470⋅40大功率电力电子负载并网变换器的设计与改进王成智1，邹旭东2，陈鹏云1，胡丹晖1，唐健2，陈伟2，邹云屏2(1．华中电网有限公司技术中心，湖北省武汉市430077；2．电力安全与高效湖北省重点实验室(华中科技大学)，湖北省武汉市430074)DesignandImprovementontheGridConnectionConverterofPowerElectronicLoadWANGCheng-zhi1,ZOUXu-dong2,CHENPeng-yun1,HUDan-hui1,TANGJian2,CHENWei2,ZOUYun-ping2(1.CentralChinaGridCompanyLimitedTechnologyCenter,Wuhan430077,HubeiProvince,China;2.HubeiElectricPowerSecurityandHighEfficiencyKeyLab(HuazhongUniversityofScienceandTechnology),Wuhan430074,HubeiProvince,China)ABSTRACT:Thepowerelectronicloadisadevicethatcanmeasurethequalityofthepowersourceconvenientlyandeconomicallywiththehigh-qualityfeedbackofthetestingenergyfromitsgridconnectionconverter(GCC).ThispapergivestheelectricalmodelandthecontrolschemebasedontheGCCcircuit,andanalyzestheharmoniccomponentsbasedonthestructureandthefunctionofthepowerelectronicload(PEL).Accordingtothecomparisonoftheeffectsofthenotchfilter,low-passfilterandmeanfilter,themeanfilterhasbeenchosentofiltertheharmonicscomponentsmixedwiththeDCvoltageforitsperfectsteady-statecharacteristics.LargeinertialinkssuchasDCcapacitorwithlargecapacityandmeanfilterdeterioratethedynamiccharacteristics,andthesmallsignalmodelbasedonactivepowerbalanceisconstructed.Thefeedforwardcontrolstrategyisappliedtoensurethewholesystemhastheperfectdynamicresponse,whentheinputvoltage,inputcurrentandgridvoltageflickerfluctuate.Theimprovedrepetitivecontrollerisemployedtoensuretheinnercurrentloophaszero-errortrackcharactersandmaintainstheGCCwithacloseunitypowerfactor.Theexperimentalandsimulationresultsshowthattheanalysisisrightandthenewcontrolschemeiseffective.KEYWORDS:powerelectronicload;gridconnectionconverter;nonlinearload;meanfilter;DCripple;feedforwardcontrol;repetitivecontrol摘要：电力电子负载是一种灵活、节能地考核电源质量的装置，其并网变换器将测试能量高质量馈回电网。依据电路模型首先建立控制系统，结合系统工况对直流环节电压谐波分基金项目：国家自然科学基金项目(50777026)；湖北省自然科学基金项目(2007ABA051)。ProjectSupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(50777026).布情况进行分析，为抑制其对馈网电能质量的影响，通过对比陷波、低通、均值3种滤波器效果，并最终采用稳态特性最优的改进均值滤波器。为抑制大容量电容和均值滤波器等大惯性环节对系统动态性能的影响，基于有功功率平衡思想建立了小信号模型和相应的前馈控制方案，有效抑制了输入电压、电流和电网电压扰动对系统的影响。改进重复控制器作为电流环控制器提高电流跟踪精度和馈网功率因数。实验和仿真结果验证了所做分析的正确性和控制方法的有效性。关键词：电力电子负载；并网变换器；非线性负荷；均值滤波；直流谐波；前馈控制；重复控制0引言如图1所示，电力电子负载(powerelectronicload，PEL)由灵活模拟各种负荷的输入模拟变换器(simulationconverter，SC)和将能量高质量馈回电网的并网变换器(gridconnectionconverter，GCC)以及两者之间的直流支撑电容共同构成。目前，对其研究大都集中于前级模拟变换器，研究工作涉及模拟信号发生器的指令生成[1]和快速、无差跟踪指令信号[2]，而对电力电子负载的重要组成部分——并网变换器的馈网电能质量提升以及双变换器协调工作的研究较少。首先根据电路方程建立并网变换器控制系统；接着，根据电力电子负载工况特点，分析直流母线电压谐波产生机理、分布状况及其对馈网电流的影响，为抑制谐波对控制系统指令的影响，提出数字化改进均值控制系统，有效消除谐波对输出指令的恶化效果；根据背靠背系统能量流动机理和有功功率平衡思想建立了小信号方程，并由此建立了加入输入电压、电流、电网电压有效值的前馈控制系统，2中国电机工程学报第29卷~~P1T11T13T14T12D12D11D13D13i1r1u1L1a1b1udcidc_c+−PdcCD22D21T22T21D24D23T23T24a2b2i2P2L2r2igus输入模拟变换器直流环节输出并网变换器idc1idc2图1电力电子负载电路结构图Fig.1CircuitofthePEL以改善系统动态特性；改进重复控制器提高了馈网功率因数；实验和仿真波形验证了文中分析和推论。1PEL并网变换器模型与控制框图由图1所示电路，可得到如下方程：22222dcdc1dc2dc_cddddsabiLuuituCiiit⎧=−−⎪⎨⎪=−=⎩2r(1)电流内环与电压外环控制对象[3]分别表示为2222222()()1()()()()LabisisGsusususLsr===−+2(2)dcdcdc_c()()/()1/()GsUsisCs==(3)馈网变换器通过直流电压外环控制系统能量流动，保持母线电压恒定和双脉宽调制变换器稳定工作；应消除直流谐波影响，生成高质量的馈网电流指令信号，由电流内环控制器确保系统快速无差地跟踪指令信号。由此得如图2所示的馈网变换器控制结构框图。直流电压外环控制器指令信号发生器电感电流内环控制器锁相环221Lsr+1/Cs+−+−+−+−u2udcusi2S2idc1idc2idc_cudc*ΣΣΣΣ图2馈网变换器控制结构框图Fig.2ControlblockdiagramoftheGCC2馈网变换器控制器设计2.1直流电压谐波分析电力电子负载的输入、输出均为交流电压，能量脉动引起直流电压波动，为分析并削弱其对电流指令的影响，对直流电压谐波的幅值和频率分布范围进行分析是必要的。若模拟线性负荷，输入电压和输入电流分别表示为u1=U1sinω1t和i1=I1sin(ω1t+ϕ)，ϕ为输入功率因数角，ϕ∈[−π/2,π/2]；输出电压u2和输出电流i2分别表示为u2=U2sin(ω2t+θ)和i2=I2sin⋅(ω2t+θ)，θ为输入电压和输出电压的相角差，θ∈[−π,π]；馈网变换器功率因数为−1。由特勒根定理[4]可得：21in11111122out2222222dcinoutd12dd12dd()2diPuiirLitiPuiirLituCPPt⎧=−−⎪⎪⎪=++⎨⎪⎪−=⎪⎩(4)联立上述方程，并经适当简化，可以得到：2dc11111dc011122222222222222111111[sin(22)841sin(2)sin(22)41sin(22)cos(2842)cos(22)]4UIrtCUtUItLIUIIrttLItωϕωωωϕωθωωθωωθωϕ=+−⋅+++++++++(5)由式(5)可知，若被试电源频率与电网频率相同，即ω1=ω2，直流电压主要含二次谐波。若SC模拟非线性负荷，或被试电源频率异于电网频率，直流电压谐波成分较为复杂。非线性电流为奇谐函数[5]，对其进行傅里叶分解，它可以表述为基波和奇次谐波信号之和。由式(4)可知直流电压谐波主要为偶次谐波信号之和。当输入电压、电网电压频率不同，根据互调理论[6]，若输入电压频率为ω1，输出电压频率为ω2，则直流含有受输入变换器影响而产生2nω1，受输出变换器影响而产生2nω2，以及两者的互调产物122nn2ωω±等谐波；此外，若输入电压、电网电压有一定程度畸变，同样会增大直流电压的谐波第18期王成智等：大功率电力电子负载并网变换器的设计与改进3含量。为抑制直流电压谐波对控制系统的影响，本文选择多种滤波器进行比较分析。2.2均值滤波器设计陷波滤波器对谐波频率单一的情况较为适用，但部分工况下谐波成分复杂，其适用性受限；低通滤波器能满足宽范围内谐波抑制需要，但其系数会随着截止频率的降低、阶数的增加而变小，因而难以设计且更难在计算精度有限的底层控制系统中实现。本文采用一种均值滤波器[7-10]，它对倍频谐波信号甚至间谐波信号都有极强的抑制能力，规避了小系数乘法因而易于实现。其设计方式如图3所示。图3中udc为实际直流电压值，fs和fNET分别为数字控制系统的采样频率和电网频率，ZOH1和ZOH2为对应频率下的零阶保持器(zeroorderhotder，ZOH)，将采样值经求和运算后，最终获得均值环输出信号UDC。ZOH2ZOH1dc01()nkukn=∑udc(k)UDCfNETfsudc图3改进均值滤波结构框图Fig.3Blockdiagramoftheamendmeanfilter由图3可得：DCdc11()NKUuN==∑K(6)对其离散化后可得：1dcDCdc0()()()()NKKuzUzzuzFzN−−===∑(7)由窗函数的设计思路，滤波器为一矩形窗有限件激响应(finiteimpulseresponse，FIR)滤波器，滤波器特性可以描述为11j()j2011sin(()eesin(/2)NNKKNFzNNωωωω−−−−===∑/2)s(8)该矩形窗窗口宽度N为sNET/Nff=(9)数字截止频率ωc与实际截止频率fc的关系为cc2/ffω=π(10)将式(9)、(10)代入式(8)，可得：sNETcs/1j(2/)()cNET2cssin(/)1()esin(/)ffffffFzNf−−ππ=πf=(11)由式(11)知，若fc=KfNET，则ccjj(e)(e)0RWFωω=(12)式中WR为窗函数。若采样频率为1