有源電力濾波器ＰＷＭ信號控制方法初探
摘要:有源電力濾波已成為了最有效的電力諧波抑制手段,PWM控制廣泛的應用在有源電力濾波器的控制系統中。本文對各種PWM信號控制方式進行了介紹和比較,重點分析了滯環比較PWM控制方式和三角波比較PWM控制方式的原理,總結了各種控制方式的優缺點。
關鍵詞:PWM控制;諧波抑制;滯環比較;三角波比較
0 引言
有源電力濾波器由于其優良的性能而在電力濾波中逐漸替代無源濾波器。由于有源濾波器的原理是自身實時產生一個與諧波方向相反,幅值相同的補償電壓(電流),這就要求濾波器產生的補償電壓(電流)必須具有很好的跟蹤性和準確性。PWM(脈沖寬度調制)控制是有源電力濾波器控制系統中最常用,也是最有效的控制方法。當檢測系統檢測到諧波后,指令運算電路根據檢測到的諧波產生補償信號,該信號通過跟蹤控制電路生成PWM信號,最后驅動電路根據PWM信號產生補償電壓(電流)。目前采用的PWM控制方式主要有滯環比較方式、三角波比較方式、無差拍控制、單周控制等,以上方法都有自己的優缺點,本文將對幾種常用的PWM控制方式進行探討。
1 滯環比較PWM控制方式
滯環比較控制方法是將補償電流(電壓)的指令信號與逆變器實際電流(電壓)補償信號進行比較,兩者之差輸入到具有滯環特性的比較器,通過比較器的輸出來控制開關的開合,從而達到變流器輸出值實時跟蹤補償電流(電壓)參考值。
補償電流的指令信號i*c與實際的補償電流信號ic進行比較,兩者的偏差△ic作為滯環比較器的輸入。用H表示滯環比較器的環寬,當∣△ic∣H時,滯環比較器的輸出將翻轉,則補償電流ic的方向隨之改變,使△ic減小,保證了補償電流跟蹤指令電流的變化。這種控制方法硬件電路簡單,屬于實時控制方式的一種,補償量響應快,開關損耗小,而且不用載波,在逆變器的輸出中不含特定頻率的諧波分量。缺點是系統的開關頻率、響應速度及電流的跟蹤精度會受滯環帶寬影響。帶寬固定時,開關頻率會隨補償電流變化而變化,從而引起較大的脈動電流和開關噪聲。
2 三角波比較PWM控制方式
三角載波比較的跟蹤控制方法是最簡單的一種控制方法。
該方式將補償電壓的指令信號U*c與實際的補償電壓信號Uc進行比較,兩者的偏差△Uc經放大器A之后再與三角波比較,所得到的矩形脈沖作為變流器各開關元件的控制信號,從而在變流器輸出端獲得所需的波形。放大器A往往采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個控制系統是基于把△Uc控制為最小來進行設計的。該調制方法的最大優點是開關頻率固定,簡單易行,響應速度快,對具有足夠高開關頻率的系統有良好的控制特性,缺點是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量,開關損耗較大,在大功率應用中受到限制。
3 無差拍控制
無差拍控制是一種建立在精確數學模型與嚴密數學推導之上的狀態反饋控制,控制質量很大程度上依賴于控制器參數與主電路參數的配合。無差拍控制的主要特點是采用預測的手段,其基本思想是根據在第K個采樣時刻所檢測的負載電流和補償電流,計算第K+l時刻的指令電流值和各種可能開關狀態下補償電流的預測值。然后計算某種特定的目標函數(一般為指令值和預測值的累計誤差),選擇目標函數最小的開關狀態作為K+l時刻的開關依據。這種控制方法的動態性能好,可以消除穩態誤差,并且能在最短的時間內結束過渡過程,它的缺點是對模型參數敏感而且魯棒性差。另外控制器參數是根據主電路元件標稱參數計算得到的,標稱參數與元件的實際參數存在著一定的差,且受溫度、運行條件的影響會有一定的漂移,這樣就會導致控制器參數與主電路參數不能很好地配合,從而引起系統極點改變,破壞無差拍控制條件。
4 單周控制
單周控制是一種非線性控制法,將非線性控制的本質與開關電路有機的結合,可以實現快速的瞬態響應。這種方法的基本思想是:控制開關占空比,在每個周期內使開關變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例,從而消除穩態和瞬態誤差,使前一周期的誤差不會帶到下一周期,實現對控制參考的瞬時跟蹤。
單周控制法作為一種新型非線性控制法,具有結構簡單、控制精度高、響應速度快,特別是具有控制性能對系統和電源參數變化不敏感等優點,克服了傳統的PWM控制方法的不足,適用于各種脈寬調制、軟開關、諧振開關等開關逆變器,用用于有源電力濾波器控制時,具有不需要檢測、可分離畸變信號和控制電路簡單等優點。
5 最優矢量控制
最優矢量控制方法選取最優的空間電壓矢量,對電流(電壓)偏差微分矢量進行控制,從而實現對電流(電壓)偏差矢量的控制。在獲得電流(電壓)的快速響應的同時,抑制了輸出電流(電壓)的高次諧波,降低了功率器件的工作頻率,降低了有源濾波器的損耗。
6 結束語
本文對有源電力濾波器主要的幾種PWM信號控制方法進行了介紹和比較,另外PWM信號控制方法還有空間矢量控制法、模糊邏輯控制法、自適應控制法以及學習控制法等,它們在應用中都各有優勢和不足。在實際應用中一般根據側重點以及具體環境、條件的不同而選擇最適合的方法。
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