UPQC直流储能单元的电压控制

UPQC直流储能单元的电压控制 第33巷第6 2006年11月 华北电力大学 JournalofNorthChinaElectricPowerUniversity Vo1.33,No.6 Nov.,2006 UPQC直流储能单元的电压控制 王长柱,李鹏,白茜 (华北电力大学电气工程学院,河北保定071003) 摘要:将有源功率因数校正技术引入UPQC直流储能单元的电压控制.详细阐述了其工作原理,给出了电 压控制器和电流控制器的数字控制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,消除了充电电流中的谐波和无功电流,储能单元电压稳定,能够 应对输入电压变化的工况,动态性能g.~t- 关键词:电能质量;统一电能质量控制器;有源功率因数校正;直流储能单元 中图分类号:TM46;TM714文献标识码:A文章编号:1007-2691(2006)05-0010—05 VoltagecontrolofDCenergystorageunitofUPQC WANGChang-zhu,LIPeng,BAIQian (SchoolofElectricalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China) Abstract:Theactivepowerfactorcorrection(APFC)technologyisintroducedintotheDCenergystorageunitof UPQCforcapacitivevoltagecontro1.Itsworkingprincipleisexplained.Thedesignmethodsofvoltageandcurrent controllersaredemonstratedwithAPFCtechnology,Acaseofactivepowerfactorcorrection(APFC)isrepresented. Thevalidityofthisdesignistestedbysimulation.Theresultsshowthattheharmonicsandreactivecurrentin chargingprocessareeliminated, Keywords:powerquality;unifiedpowerqualitycontroller(UPQC);activepowerfactorcorrection(APFC); DCenergystorage 引言 统一电能质量控制器(UnifiedPowerQuality Controller,UPQC)集串联电压补偿装置,并联 电流补偿装置和储能装置于一体,能够统一,实现多 重电能质量调节功能,一机多能,因而成为国内外 研究的热点.本文主要研究UPQC直流储能单元 的电压控制技术.由于UPQC直流储能单元为串, 并联单元提供直流电压支持,若储能窖量足够大, 还可以提供有功动态调节.因此,直流储能单元的 电压控制水平直接影响UPQC串,并联单元的电 压和电流补偿效果. 采用普通整流电路对UPQC直流储能单元充 电会产生谐波和无功电流,且其直流电压易受电网 电压波动影响.文献[1]提出了将有源功率因数 校正(ActivePowerFactorCorrection,APFC) 技术引入直流储能单元的电压控制,可主动消除谐 波和无功电流,并保证直流电压的稳定.但是并未 给出控制环节的详细设计方法,本文主要研究APFC 数字控制方法. 1UPQC直流储钱单元的APFC数字控制 原理 图1给出了单相APFC系统图.从其主电路 拓扑结构可以看出,在输LH电容和整流桥之问增加 了由电感,,二极管D和IGBT开关管s构成的 收稿日期:2006—06-30. 作者简介.乇长柱(1981一),男,华北电力大学电气工程学院硕十研究 牛 第6期王长杜等:UPQC直流储能甲元的电压控制 i, uo , 图1单相APFC主电路及其数字控制系统 Fig.1Maincircuitofsingle-phaseAPFCanditsdigitalcontrolsystem Boost电路.因此,其输出电压平均值将高于输入 电压,这一点有利于UPQC中逆变器输出跟踪 速度的提高…. APFC控制宵多种方式,其中电流滞环控制方 式简单,但是其缺点是开关频率不固定,不利于电 感设汁,负载对开关频率影响很人;电流峰值控制 方式缺点是抗噪声能力差,需要加斜率补偿,测量 精度差;本文采用平均电流控制方式,电感电流连 续,输入输出电流纹波小,适用于大功率场合. APFC模拟控制方法简单,但是控制电路元件 较多,电路适应性差,易受噪声,”f扰乜.采用数字 控制技术可以减少元件的数量,可以通过软件来调 整控制参数,便于采用先进的控制技术.数字控制 可采用数字信号处理器(DSP)作为控制的核心, 它运算速度快,内部信号处理不受外界噪声干扰. 单相APFC数字控制原理如图1所示:输出 电压采样信号与给定电压相比较后,输入电 压调节器得到信号,它反应了负载电流的大小. 将电压调节器输出信号厶与整流电压采样信号相 乘,得到电感电流的指令信号fT与输入电流采样 信号相比较后,经电流调节器加到PWM发生器, 便可产生合适的PWM脉冲信号,以控制开关管S 的开通与关断.这样就到达了电感电流与整流电 压波形基本一致,使谐波和无功电流大为减少, 提高了输入端功率因数. 2APFC数字控制设计 由于PI调节器技术成熟,易于T程实现,所 以本文电压和电流调节器都采用PI调节器,然后 将其离散化,便可得到易于DSP实现的差分方程. 2.1PWM环节作用与原理 PWM环节的作用是产生占空比合适的脉冲信 号以驱动开关管的开通和关断.PWM环节由锯 齿波发生器,比较器等组成.锯齿波发生器产生周 期固定的锯齿波信号,此锯齿波信号与电流调节器 输信号相比较,便得到占空比随变化的脉冲信 号,其原理如图2所示.PWM信号经过驱动电路 便可控制开关管的开通与关断. 图2PWM比较器原理图 Fig.2PrinciplediagramofPWMcomparator 2.2电流调节器的设计 电流调节器的控制目标是迫使输入电流跟踪指 令电流.要求电流控制环节有足够大的带宽,为补 偿A/D转换和信号处理造成的延迟,还需要有充 足的相角裕量.电流控制环节采用Pl调节器,为 12华北电力大学2006焦 了消除开关过程中的噪声干扰,需要增加一个位于 开关频率附近的极点.这样电流调节器的传递函数 形式为 ()一2nfs ( G,(S+ogz),(1) 式中为PWM发生器开关频率:G,为电流调节器 的比例系数:oop的值为%=2nil. 为了获得充足的相角裕量,零点选择在较低的 频率范围内,一般选09z为%/10~oofl20. 为保证电流控制环节的稳定,G,的取值要保证 电流调节器输出信号的斜率比锯齿波斜率小.由于 电感电流的斜率在输入电压过零时刻最大,因此采 样电流变化率最大为 — di :丁 UoK, ,(2)df上’ 式中为电感电流采样系数. 于是要求G满足 diG,s尼 ,(3)df一” 式中k为锯齿波的斜率.于是可得G,的选取方法 Gj<,(4) 一 般G选取比上式略小的值. 为将电流调节器的传递函数()数字化,首 先要选择合适的采样频率.由于PWM发生器的开 关频率很高,但受DSP处理器速度的限制,不可 能取过高的采样频率.在PWM发生器开关频率很 高时,每个PWM开关周期采样一次电感电流信号 就可满足控制要求,采样点要远离开关点,以避免 开关噪声的影响.采用双线性变换法对式(1)进 行z变换: =瓦2(z而-1). 由式(1)和式(5)得 1-I,(z);Ko+Kz-%K~z-2. 出信号作为乘法器的给定信号,从而控制电流环 节的给定信号.理想的电压调节器的输出信号应 该是一个直流信号,由于输出电压中含有二倍于 输入电压频率的纹波,电压调节器必须对100~120 Hz的纹波有一定的抑制能力,否则就会造成输入 电流谐波含量增大.经推导,电压环功率级传递 函数为 Gv()KdU;丽. i0 ,(8)U0 式中为输入电压采样系数;为输入电压峰 值;C为储能电容大小;为输出直流电压. 电压调节器传递函数为 , )=+』,(9) 则电压环开环传递函数为 GVopen()=G),(),(10) 式中为输出电压采样系数.电压调节器PI参 数的选取应当使电压环开环截止频率为20Hz左 右,相角裕量为45.左右. 由于输出电压的波动频率远比电感电流小,所 以采用较低的采样频率就可以满足控制要求,还可 以节省DSP资源.采用与电流控制器相同的离散 化方法,对式(9)进行z变换得到),然后就 可以得到差分方程. 2.4软启动 由于电路初始阶段电容电压为零,如果电路启 动时不加限制,就会造成输入电流过大,还有可能 造成电容电压过大而损坏电容.因此,在电路启动 阶段,必须采用软件或硬件 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来防止启动电流过 大,使电容上的电压缓慢上升到给定值. (5)3APFC数字控制设计实例 由式(6)可得差分方程 y(n)=Kox(n)+K,x(n一1)+x(n一2)一 x(n一1)一x(n一2).(7) 式(7)很容易在DSP上编程实现. 2.3电压调节器的设计 电压调节器的设计应保证输出电压稳定.其输 下面给出了一个APFC电路设计实例.主电 路如图1所示.其基本参数如下:输入电压为 U.=220v/2~sin(100f)V:输入电压采样系数 为取0.0032:电感L=I.47mH,电感电流采样系 数为=0.0l;输出电容为C=3500F;输出电压 %采样系数取l;电容指令电压为=400V; PWM发生器开关频率为=20kHz,锯齿波幅值 为lV. 电流调节器的设计: 第6期王长柱等:UPQC直流储能单元的电压控制l3 og,--2nfs=125663. ?旅蛾/20,o~z=6283. 由式(4)得:G丽Lk=7. 35. 取G为7,将以上参数带入式(1)得 )=.(13) 取采样频率为20kHz,采用双线性法离散化, 可得 眦)篙筹.(14) 由式(8)得电压环功率级传递函数为 G)=.(15) 电压调节器取0.01,取1.2.通过波特 图分析得,截止频率为144,相角裕量为50.,满 足设计要求.因此,电压调节器的传递函数为 By():.(16) 由于电容电压变化率比较小,所以采用较低的 采样频率,本设计采样频率为5kHz,采用双线性 变换法可得 By(z)=.(17) 4采用数字化APFC技术的效果验证 , 舡 鲻 醐 t 图3输入电压和电流对应波形图 Fig.3Waveformsofinputvoltageandcurrent 图4输入电流is的频谱图 Fig.4Spectrumofinputcurrentis 图4给出了输入电流fs的频谱图.可以看到输 入电流is几乎只含有基波和少量的三次谐波,其他 各次谐波得到了明显抑制. 图5给出了输出电压波形图,可以看到输出电压 被控制在指令电压400V处.输出电压中含有峰 值为2.5V的二次纹波,这是符合理论计算的…,增 大电容C可以减少电压纹波. 本文利用MATLAB对上文提出的设计实例进 行了仿真验证.主电路如图1所示,仿真参数采用 3中所给的参数.通过以下几组波形可以看到APFC 对输入电流的校正效果和输出电压稳定效果.专 图3给出了输入电压U和输入电流fs的波形图, 可以直观看到,输入电压U.和输入电流波形相似 且相位一致. 图5输出电压波形图 Fig.5WaveformofoutputvoltageUo 图6给出了在输入电压突然减小时输出电压 的变化过程.t=0.13S时,输入电压由220V突然 减小到200V,引起小幅跌落,经过约0.04S 后,又重新达到给定值400V.可见该控制方 法能够应对输入电压突变的工况,具有良好的动态 14华北电力大学2006钜 ?s 图6输入电压突然减小时输出电压波形图 Fig.6WaveformofoutputvoltageUowithabruptdropof sourcevoltage 性能. 5结论 本文将APFC技术虑用于UPQC直流储能单 元的电容电压控制中,分析了控制过程,给出了 APFC数字控制方法.本文提m的APFC数字控制 算法简便,易于DSP编程实现,控制精度高,能 够应对输入电压变化的工况.将本控制方法应用于 UPQC直流环节的电压控制,可以提高UPQC直 流储能单元的电压稳定性,并且主动消除充电电流 中的谐波和无功电流.在APFC技术的UPQC作 用下,配电网对用户来说是一个高可靠性,高质量 理想绿色电源,而含污染源的不合格用户对电网来 说又可变为一个合格用户,从而使UPQC功能更 加完善. 参考文献: [1]李鹏,杨以涵,李和明.UPQC直流储能单元的APFC控 制技术[J].电力系统自动化,2005,29(15):45—48. [2】刘小光,尹华杰.数字控制PFC几个设计事项的探讨【JJ. 电工技术,2004,(8):91-94. [3]昌建军,李春燕,陈新.Boost型功率因数校正变换器的 数字控制研究【J].通信电源技术,2005,22(3):1-5. [4]王峰,肖永江.单相BOOST功率因数校正主电路模型 的建立[J]_电气传动自动化,2002,24(1):34—36. [5】田大强,蒋iF,赵剑峰.新颦DSP用于并联型有源电力 滤波器的计算和控制[J].电力科学与工程,2003,(1):14-17. [6】朱鹏,李勋,康勇,等.统一电能质量控制器控制策略 研究[J]_巾国电机工程,2004,24(8):67-73. [7]刘健,杨旭,+兆安.单位功率数单相开关变换器的输 出电压纹波『J].电力电子技术,1998,32(4):1-4. [8]邬伟扬,孙建峰,刘彦民.提高PFC动态性能的策略[J]. 电力电子技术,2000,34【1O):59-61. [9]朱桂萍,土树民.电能质量控制技术综述[J].电力系统 自动化,2002,26(19):28-31. [10】SamBen—Yaakov,IlyaZeltser.ThedynamicsofaPWM boost~oflve~erwithresistiveinput[J】.1EEETransactions onIndustrialElectronics,1999,46(6):613-619. [11]QiuDY,YipSC,HenrySH,eta1.Singlecurrentsen- sorcontrolforsingle-phaseactivepowerfactorcorrection[J]. IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2002,17(9): 623—632. [12]梅慧楠,朱-I华,程时杰.基于Park变换的UPQC枪测 方法研究fJ].电力科学与J二程,2005,(5):17-21. (责任编辑:李丽英)