谐波对滞环电流跟踪控制性能的影响

2014-09-19许斌张建生

机械制造与自动化 2014年6期

许斌,张建生

(河海大学能源与电气学院江苏南京211000)

0 引言

随着石化资源的紧缺日益加剧,太阳能等新能源的发电技术开始崛起,但其具有波动性,间歇性且运行时需要具备一定的电能存储系统。为了保证储能设备的寿命和并网的稳定性,必须采取合理的控制策略和实施方案。滞环电流控制作为一种优良的跟踪控制方法,被广泛的应用于逆变技术之中。但是当直流侧存在谐波时,滞环电流跟踪控制性能会因此而下降,甚至会跟踪失败,跟踪波形严重畸变。本文就直流电源中含有的谐波对滞环电流控制性能的影响进行分析研究。

1 滞环电流控制的基本原理及工作过程

滞环电流控制电路工作原理[1,2]:电流参考方向如图1所示,当指令电流Iref处于正半周期时,且当 I0—Iref>△I时,滞环电流控制器给VT1开关管施加门极关断信号,给VT2开关管延时施加正向门极触发信号;此时,由于负载是阻感负载,先通过VD2续流二极管向电源侧馈能,VT2开关管由于承受反压不能导通;负载电流逐渐减小,当I0—Iref＝0时,馈能过程结束后,VT2导通,负载电流继续减小;当I0—Iref<—△I,滞环电流控制器输出给VT2施加门极关断信号,给VT1开关管延时施加正向门极触发信号;同理,此时由VD1向直流电源侧馈能,当I0—Iref＝0,馈能过程结束后,VT1导通,负载电流继续增大;当 I0—Iref>△I时,滞环电流控制器给VT1开关管施加门极关断信号,给VT2开关管延时施加正向门极触发信号,如此循环下去。当指令电流在负半周期时,同理分析。工作过程及触发脉冲形成原理如图2所示。

图1 滞环电流控制电路

图2 滞环电流控制工作原理及形成VT1的触发信号

2 整流输出波形纹波分析

在整流电路中,为了使输出波形为一基本恒定的直流电压,在整流电路输出端并联大电容。其工作过程:当电容电压低于整流后的直流脉动电压,电源向电容充电,同时向负载供能,电容存储电能;当整流后的脉动直流电压低于电容电压时,电容器放电,电容器将电能传送给负载。在放电过程中,电容电压随RC时间常数按指数形式下降,直到电容再次充电,输出电压也因此呈现出周期性纹波[1,3]。

当整流电路工作在稳定状态,经过三相不可控整流器后,得到波形如图3所示,可以确定整流后电压波形函数为:

图3 三相不可控整流输出波形

其中:U为三相电源相电压幅值最大值。当电路工作在稳定状态时,且由于电容充电时间极短,可以认为电容的电压与所并联的电源电压是相同的。因此充电时,电压变化率为:

放电时,电容电压随RC时间常数按指数形式变化,则电容电压可表示为:

放电时的电压变化率为:

当工作在稳定状态时,认为充放电一周期内电容电量是不变的。且当整流输出电路并联电容容值较大,电路输出纹波较小时,可以认为,图3中t1

3 主电路图

基于滞环电流控制电路之上,建立主电路拓扑结构,如图4所示。主电路由整流电路与滞环电流跟踪控制电路组成。整流电路为滞环电流跟踪控制电路的直流电源部分。整流滤波电路通过改变并联电容容值来实现直流电源波动性模拟,由上述分析可知,并联电容器的容值大小。直接影响到直流电源纹波大小电容器容值越大,直流电源输出纹波越小,反之亦然。

图4 主电路图

4 实验仿真及波形分析

本文就滞环环宽为±0.5 A,交流电线电压为380 V,对直流侧并联单电容容值分别为100 μF,1 000 μF的系统进行了仿真实验。其中指令信号为幅值10 A频率50 Hz的正弦电流波。直流电压输出电压波形如图5、图6所示。从图中可以看出,并联电容容值越大,直流侧纹波波动范围越小,即含有谐波量越少,同时从图7、图8可以看出,并联电容值越大,滞环电流跟踪控制输出电流波形跟踪程度越好。此外从图5、图7中能够发现在并联电容值较小时,直流输出电压波形波动范围很大,且跟踪电流输出波形出现跟踪失败的结果,使得输出波形品质严重畸变,在实践中一定要避免此现象的发生。图9、图10分别输出电流的FFT结果,从图中可以看出,增大直流侧并联电容器容值,可以增大基波含有量,减小电流谐波总畸变率(THD)。但是在并联电容器容值增大到一定情况下,通过增大并联电容容值来改善波形质量效果不大。因此在实际应用时,需要综合考虑进行折中选择,才能使其达到最优化。