基于DSP單周控制有源電力濾波器的研究
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各種非線性負載應用日益廣泛，電網(wǎng)中的無功功率和諧波污染已經(jīng)成為一個非常嚴重的問題。為了消除無功和諧波對電網(wǎng)造成的污染，有源濾波器(APF)得到了飛速發(fā)展。其采用的控制方法主要分為三角載波線性控制、滯環(huán)比較控制、無差拍控制3種類型。這些方法均存在一定的缺陷，如三角載波的波形畸變，滯環(huán)控制開關(guān)頻率變化以及畸變電流檢測的快速實時響應等。隨著微機控制技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)字信號處理器(DSP)運算速度的不斷提高，無差拍控制法，單周控制法及其他快速優(yōu)化控制法將在APF中得到進一步的應用。
單周控制法作為一種非線性控制法，最早由美國學者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制開關(guān)的占空比，使每個周期內(nèi)開關(guān)量的平均值與控制參考信號相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。目前已成功地應用到DC-DC變換、音頻開關(guān)放大器、功率因素校正和單相有源電力濾波器等。本文所提出的基于DSP的單周控制有源電力濾波器不僅結(jié)構(gòu)簡單可靠，而且具有很好的動態(tài)和靜態(tài)補償特性及控制器簡單的優(yōu)點?？闺娫锤蓴_能力強，魯棒性好。
1 單周控制有源電力濾波器
1.1 單周控制
單周控制原理如圖1所示，它由控制器、1個比較器、1個可復位積分器及時鐘組成，其中控制器可以采用RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器。開關(guān)K，K1為一對互補的開關(guān)，頻率為fs=1／Ts。在每一個周期開始，即t=0時，時鐘信號到，開關(guān)K閉合，K1斷開，輸出y(t)的波形和輸入x(t)的波形相同，積分器由0開始積分。在t=dTs時(其中d為占空比，d=Ton／Ts，根據(jù)模擬控制參考vref調(diào)制，且0d1)，積分器的輸出Vint達到給定參考電壓Vref時，比較器輸出發(fā)生變化，使K斷開，K1閉合，積分器復位。等到下一個周期開始的時候，又重復前面的動作。
單周控制法作為一種非線性控制法，最早由美國學者Keyue M.Smedley和Slobodan Cuk提出。其基本思想是：控制開關(guān)的占空比，使每個周期內(nèi)開關(guān)量的平均值與控制參考信號相等或成一定比例，從而消除穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)誤差。目前已成功地應用到DC-DC變換、音頻開關(guān)放大器、功率因素校正和單相有源電力濾波器等。本文所提出的基于DSP的單周控制有源電力濾波器不僅結(jié)構(gòu)簡單可靠，而且具有很好的動態(tài)和靜態(tài)補償特性及控制器簡單的優(yōu)點?？闺娫锤蓴_能力強，魯棒性好。
1 單周控制有源電力濾波器
1.1 單周控制
單周控制原理如圖1所示，它由控制器、1個比較器、1個可復位積分器及時鐘組成，其中控制器可以采用RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器。開關(guān)K，K1為一對互補的開關(guān)，頻率為fs=1／Ts。在每一個周期開始，即t=0時，時鐘信號到，開關(guān)K閉合，K1斷開，輸出y(t)的波形和輸入x(t)的波形相同，積分器由0開始積分。在t=dTs時(其中d為占空比，d=Ton／Ts，根據(jù)模擬控制參考vref調(diào)制，且0d1)，積分器的輸出Vint達到給定參考電壓Vref時，比較器輸出發(fā)生變化，使K斷開，K1閉合，積分器復位。等到下一個周期開始的時候，又重復前面的動作。
1.2 主電路分析與控制量關(guān)系
圖2為包括電源電壓US、非線性負載、電壓源型變換器以及DSP單周控制器構(gòu)成的單相并聯(lián)型APF主電路，其中L為輸出濾波電感；C為儲能電容；RS為電流取樣電阻。
APF工作時能量在交流電源和APF直流側(cè)電容之間交換，故變換器應工作在四象限。在電源電壓US的正半周，開關(guān)S4應該始終開通，同時S2則始終關(guān)閉，開關(guān)S1，S3由脈寬調(diào)制波控制其互補開閉；在電源電壓US的負半周，開關(guān)S3應該始終開通，同時S4則始終關(guān)閉，而S1，S2由脈寬調(diào)制波控制其互補開閉。根據(jù)單周控制原理，由圖2可知，在一個單周期內(nèi)有下式(1)：
2 單周控制模型
在APF控制下，從電源角度看，APF與非線性負載并聯(lián)后構(gòu)成的總負載應該有單位功率因數(shù)，即單周控制APF的控制目標就是使電源的總負載呈電阻性，即電路應該滿足下式：
由以上分析及式(7)可得到圖3的單相并聯(lián)型APF單周控制模型。該模型采用2個獨立復位積分器分別滿足式(7)中2個式子的比較量需要。
為了驗證所提出的控制策略，搭建了DSP實驗平臺，采用TMS320F2812芯片作為IGBT開關(guān)的控制板，它具有強大的數(shù)學運算和控制功能，可滿足控制系統(tǒng)實時控制要求。逆變主電路采用智能功率模塊PM50RSA120，其內(nèi)部集成了IGBT驅(qū)動和保護電路。
電源電壓為AC100 V／50 Hz，直流側(cè)2個4 700 μF電容串聯(lián)，逆變器輸出電感為1.3 mH，諧波源為二相全橋二極管整流橋。圖5所示為實驗結(jié)果。
4 結(jié) 語
本文以單相并聯(lián)有源電力濾波器為研究對象，設計基于DSP芯片的數(shù)字化控制方案，該方案用一片芯片實現(xiàn)單周控制，并介紹該方案的軟件設計。雖然實驗結(jié)果不盡理想，但是基于單周控制的有源電力濾波器因元需檢測負載電流和電源電壓，其無需使用任何乘法器，故可大大簡化諧波檢測電路和電流跟蹤控制電路，使控制電路簡單、可靠無延遲，主電路開關(guān)頻率恒定、易于實現(xiàn)，并且在一個開關(guān)周期，有效地抑制了電源側(cè)地擾動。既沒有靜態(tài)誤差，也沒有動態(tài)誤差，故單周控制以其明顯優(yōu)點在有源電力濾波器中顯示出廣闊的應用前景。
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