文摘

随着分布式代的发展(DGs)、单相电压源变换器(SPVSC)得到了广泛的应用,但它给电网带来谐波污染的问题。因此,它是重要的去探索从SPVSC谐波注入的机理,提出有效控制策略以减少谐波污染。摘要SPVSC基于动态相量的谐波分析模型(DP)已经建立。与谐波模型之间的交互可以分析交流侧和直流侧的控制策略的考虑,这在SPVSC揭示了谐波的产生机制。基于前馈机制,提出了谐波缓解策略。的原则策略是低阶谐波信号添加到PWM调制信号,以减少交流侧的谐波电流。谐波快速缓解策略不仅具有清晰的物理意义和计算,但也为参数的不确定性是健壮的。最后,仿真和实验结果验证了模型的正确性和谐波缓解策略的有效性。

1。介绍

因为能力的联合功率因数和双向能量流,单相电压源转换器(SPVSC)已经广泛应用于各种工业领域(1,2),如作为并网接口的分布式代(DGs)或微型智能电网"与可再生能源系统(3,4]。然而,由于强大的非线性电力电子设备,SPVSC也带来的谐波污染问题对电网产生负面影响(5- - - - - -7]。因此,有必要分析谐波注入的机制并提出有效抑制测量,为促进SPVSC奠定了坚实的基础。

三相VSC产生高阶谐波在正常情况下,这可以通过低通滤波器(通常是过滤8),而SPVSC生成不仅高阶谐波还低阶谐波(9)甚至在正常情况下,这是很难被消除。产生的谐波电流从SPVSC消除主要从两个方面10,11]。一个解决方案是消除谐波的波动voltage-loop和加强当前循环的antiharmonic干扰能力。由于谐波的波动voltage-loop可以很容易地移除采用低通滤波器电压(12)或陷波滤波器(11),大多数研究集中在如何提高电流环控制器的性能。比例谐振控制器(PR) (13,14),简单的优点和零稳态误差跟踪正弦信号,广泛用于选择性谐波消除。然而,它有高灵敏度的频率变化和可能无法达到一个好的效果,因为一个PR控制器只消除了单一顺序谐波。Multiresonant控制器(mrc)有效地抑制谐波失真通过连接PR控制器并联谐振频率,但这将导致沉重的并联计算任务,尤其是高阶谐波必须得到补偿。在最坏的情况下,mrc导致系统不稳定(15]。在[16,17),重复控制器(RC)调查涉及复杂的分析和设计。它是基于内模原理和实现零稳态误差跟踪正弦信号。钢筋混凝土提出了一个动态响应比公关和mrc慢得多。实现最小稳态误差,同时保持fast-transient反应,混合控制器结合公关和RC已经提出了12,18]。然而,设计控制器参数是非常复杂的,以确保控制策略的有效性和系统的稳定性。

另一个解决方案是增加谐波PWM调制信号的调制信号,以抵消在交流侧谐波电流。没有额外的控制器,它可以简单的实现,并减少计算负担。此外,该策略不仅可以实现动态响应,也不会影响系统稳定性的无论多少次谐波需要抑制。提出抑制策略之前,重要的是要建立一个准确的谐波分析模型可以反映谐波发生机制。作为一种替代传统的建模方法(19,20.),动态相量(DP)的谐波分析方法是非常有用的SPVSC [21- - - - - -23]。它是基于一个线性时变周期(LTP)理论和电力电子器件的详细动态切换。DP也非常有效的揭示各种量之间的动力学耦合(24];因此可以分析谐波VSC交流和直流之间传输的一面。

为了解决上述问题,本文开发了谐波分析模型基于动态相量的SPVSC SPVSC和谐波发生机制已经全面调查。根据这样的机制,提出了前馈控制策略来减轻电网侧的谐波。本文的组织如下:在部分2的系统配置和时域模型SPVSC显示基于DP和谐波分析模型研究;节3谐波的产生机制和传播规律,分析了SPVSC;节4,提出了一种前馈谐波缓解策略的基础上生成机制;在部分5和6,并给出了仿真和实验结果来验证提出模型和谐波缓解策略。最后,得出结论7。

2。SPVSC的谐波分析模型

2.1。SPVSC时域模型

SPVSC拓扑结构研究是一个单相H桥电压源变换器如图1。交流电压源。和等效电阻和交流系统的迫切。和SPVSC交流侧电流和电压,分别。是在直流侧电压。是在直流侧电容器。是直流负载的等效电阻。和输出电流和直流负载电流直流侧。 , , ,和是变换器的电力电子器件。

SPVSC的时域模型可以描述的

转换函数是用来描述交流和直流之间的交互SPVSC,和在(1可以给出) 在哪里SPVSC的切换功能。当和打开,是1,什么时候和,它是−1。相关的控制策略,由PWM信号。

如图2、双闭环控制的控制策略是偶尔使用转换器。直流环节电压out-loop由比例积分(PI)控制器控制和参考的峰值电流是获得。乘以 ,交流系统的电压相位余弦被锁相环路(锁相环),以运行在统一的功率因数。当前内部循环由比例控制()控制器跟踪交流侧电流的参考价值 。

需要特别提到的是,考虑到采样相位延迟,电网电压前馈采样值通过相乘得到的根本RMS吗与 。后减从电流控制器的输出值,除以 ,SPVSC的调制信号 在哪里当前内部循环的比例调节增益,栅极电压的采样值,是直流电压的参考,和在交流侧电流的实际价值和参考价值,分别。是参考电流的峰值,可以了吗 。

2.2。动态相量SPVSC谐波分析模型

SPVSC时域模型所描述的(1)和(2)可以转化为动态相量模型,秩序的动态方程相交流侧电流和直流侧电压表示为 在哪里 是角频率,表示动态相量。

和开关函数的卷积和直流侧电压或交流侧电流,分别代表的互动交流和直流之间的谐波SPVSC。它可以描述的

本文采用SPWM调制与固定开关频率,因此开关函数的动态相量是由,可以给出

自和只有最基本的组件,th动态相量等于0,除了 和 。本文主要是针对低阶谐波分量在13个订单,这样的高阶分量的动态相量开关函数可以被忽视。方程(6)可以简化为

用(7)(4),kth的动态相量方程获得交流侧电流和直流侧电压如下: 在哪里 和 根据动态相量的共轭性质。在卷积和 ,两个少量的产品可以被忽视。这意味着只有项目包括直流分量的电压直流侧或基本电流交流方面应该考虑。因此,项目的积累(8)和(9)可以简化为

的th动态电流相量交流侧和直流侧电压可以得到解决(8)和(9)。计算结果的不同阶谐波电流在交流侧和直流侧电压。因此,SPVSC的动态相量模型可以用来分析谐波的产生机制。

3所示。SPVSC谐波代机制

在稳定状态,直流侧电压的直流分量相当于其参考;也就是说, 。微分动态相量的交流侧电流和直流侧电压可以忽略,所以 和 。SPVSC稳态条件下的谐波发生机制进行了分析。

直流侧的直流电压可以获得的(8),如所示

方程(11)可以描述在直流侧直流电压之间的交互和目前的基本交流。

同样,目前基本交流方面可进一步写成

因此,目前的基本交流方面不仅与直流侧的直流电压,而且与第二直流侧谐波电压。

第二直流侧谐波电压和三在交流侧谐波电流可以表示如下:

在(13),右边的状态变量和 ,这表明第二直流侧谐波电压不仅与当前基本交互交流方面,也与第三在交流侧谐波电流。同样,它可以获得(14),第三在交流侧谐波电流不仅与第二直流侧谐波电压,但也与第四直流侧谐波电压。同时,第三背景谐波电压的电网也会诱发第三在交流侧谐波电流。因此,谐波电流的产生机制和交互法律交流侧和直流侧谐波电压可以概括为在图3。

在图3,和是直流侧谐波电压和在交流侧谐波电流,分别。是控制器的直流电压参考。是交流侧的谐波电压源。单箭头代表外部激励对谐波的影响,以及双箭头表示两个变量之间的交互。

有两个原因SPVSC的低阶谐波发生,也就是说,外部激励和内部互动。从内部互动,SPVSC将生成一系列奇怪的在交流侧谐波电流和一系列的甚至在直流侧谐波电压。从外部激励的关系,可以得出结论,当电网的电压是扭曲的,它会加剧的谐波发生SPVSC并导致更严重的谐波对电网的污染。

4所示。谐波电流缓解策略

为了减少谐波电流注入电网,一个前馈谐波缓解策略研究是基于结果的部分3。它的原理是将低阶谐波PWM调制波信号,它可以切断谐波的外部激励和内部转移路径传播,从而消除低阶谐波电流在ac一边。

针对th ( 在交流侧谐波电流,4)可以简化为

在交流侧谐波电流主要是由电网电压畸变和谐波电压直流侧之间的内部交互如图3。电网电压畸变通常是不受控制的,主要是由其他非线性负载。然而,SPVSC的交流电压可以很容易地通过调整控制器控制。它可以是隐含的15),可以利用来抵消产生的谐波电流和 。如果右侧(15)= 0,内部互动的交流和直流侧谐波和外部激励可以抵消电网电压畸变;因此,th在交流侧谐波电流可以有效地消除。

从(6)和(8),低阶谐波分量应叠加在PWM信号可以得到如下:

最重要的是,前馈补偿控制策略由叠加实现PWM信号抑制的低阶谐波分量低阶在交流侧谐波电流。控制框图如图4。在直流侧谐波电压组件和背景谐波电压交流侧实时检测。根据(16),振幅和相位角Nth谐波组件需要叠加的PWM信号,从而抑制交流侧的谐波电流动态。

谐波缓解策略不仅具有明确的物理意义和计算速度快,但也不会影响电路参数的不确定性,可以从(16)。此外,没有额外的控制器,它避免了复杂的参数设计,不会影响系统的稳定性。

5。仿真结果

为了验证谐波分析模型的正确性,SPVSC模型在MATLAB / Simulink建立。仿真模型的关键参数表中列出1。

控制策略如图2双闭环控制,电压和电路。仿真结果和理论结果在交流侧谐波电流和谐波电压直流一侧如表所示2和3,分别。仿真结果的谐波电流的幅值和角度交流侧和直流侧的谐波电压与谐波分析模型获得的和谐的。有一系列的低阶奇谐波电流在交流方面,第三次谐波电流是主导。振幅随谐波订单增加。有一系列的低阶甚至在直流侧谐波电压。第二次谐波电压是最明显的。谐波含量的增加明显降低谐波秩序。因此,低阶谐波分析模型的正确性的SPVSC验证闭环控制策略。

为了验证谐波传动SPVSC定律,注入第三和第五电网背景谐波电压,分别交流侧电流的谐波谱和直流侧电压,如图所示5。黑条代表没有背景谐波电压的情况。红酒吧代表第三背景谐波电压的情况,和蓝色的酒吧代表第五背景谐波电压的情况。

可以看出,当电网包含3背景谐波电压,第三在交流侧谐波电流显著增加,和第四直流侧的谐波电压也增加,因为交流侧和直流侧之间的交互。同时,通过交流侧谐波电流并生成5日。但是在第二次传播,影响5谐波电流是虚弱的。同样的,当网格包含5日背景谐波电压,6日在直流侧谐波电压增加,因为5日在交流侧谐波电流的影响。但当它被传递回7日交流侧谐波电流,疲软的影响。在图所示的谐波传输法3可以验证。

为了验证前馈谐波缓解策略的有效性,进行了仿真和动态补偿效应可以观察到通过改变系统的条件。最初,栅极电压有0.1聚氨酯3和0.05聚氨酯5谐波失真。在0.4秒,采用前馈谐波缓解策略和低阶谐波信号叠加PWM调制波。在0.5秒,突然栅极电压的变化,只包含0.01 pu第五背景谐波电压。在0.7秒,栅极电压变得不失真,和直流侧的负载电阻的变化从10Ω6.67Ω。在0.9秒,谐波缓解链接是关闭的。图6介绍了PWM信号的谐波注入组件。表4介绍了在交流侧谐波电流谐波前后缓解策略被采用。

采用前馈谐波缓解策略之前,有大量的第三和第五谐波电流在交流方面,振幅是6.48和2.85,分别。采用谐波缓解策略时,谐波是有效地抑制和振幅下降到0.37和0.09,分别。在0.5和0.7年代,在电网背景谐波电压和负载突然变化,但谐波抑制仍然有效。此外,低阶谐波信号叠加PWM可以快速跟踪系统条件的变化,动态抑制谐波电流在ac一边。最重要的是,验证谐波缓解策略的有效性。

6。实验结果

单相电压源变换器的实验装置如图7。交流侧电感是6 mH。3400年对直流侧电容和电阻μF和100Ω。载波频率为7500赫兹。转换器采用智能功率模块(IPM)和控制器使用DSP TMS320F28335。控制策略是一样的模拟。

电网电压作为系统电压在交流方面,RMS的220 V。测量结果表明,最明显的背景谐波电压是3日,5日和7日谐波电压,所以实验主要针对3日,5日和7日谐波电流来验证提出的抑制策略的有效性。诱导交流侧的谐波分量前馈电压和直流侧电压、谐波信号的振幅和相位角需要叠加在PWM调制波可以通过控制器,应用于转炉。福禄克435是用来测量电压和电流波交流的一面SPVSC和分析交流电流的频谱特征。在本节中,比较multiresonant控制策略(14,15),提出了前馈谐波缓解策略。电流的波形和谐波表交流侧谐波缓解策略,与multiresonant控制策略和提出的策略,如图8,9,10,分别。

从实验结果,可以发现multiresonant控制策略后,电流的总谐波失真(THDI)从4.7%减少到3.5%,第三次的谐波含量,5日和7日当前从3.3%减少到1.5%,2.2%,2.1%,和1.5%到0.9%。然而,采用前馈谐波缓解策略之后,THDI从4.7%减少到2.5%,第三次的谐波含量,5日和7日谐波电流降低到0.8%,1.6%,和1.1%,分别。显然表明,该策略具有更好的性能比multiresonant控制策略,验证了该谐波缓解策略的有效性。然而,由于理论分析不考虑PWM死区和控制延迟的影响,不能完全消除谐波电流。同时,它可以解释说,后3日,5日和7日谐波信号叠加在PWM调制波,另一个订单不能抑制谐波电流。

7所示。结论

基于动态相量法,建立了SPVSC谐波分析模型,考虑控制器。该模型被用作工具分析谐波的产生机制以及谐波交流和直流之间的交互。的谐波电流注入电网SPVSC可以主要从两方面进行:外部激励和内部互动。与内部之间的互动交流和直流侧,低阶SPVSC生成一系列奇怪的在交流侧谐波电流,甚至一系列低阶谐波对直流侧电压。外部激励,扭曲的电网电压将加剧的生成在交流侧谐波电流。根据前馈控制策略生成机制,提出了减轻的谐波电流SPVSC具有明确的物理意义,计算速度快,鲁棒性。与此同时,它避免了控制器参数的设计,不会影响系统的稳定性。仿真和实验结果终于提出了验证该谐波分析模型和前馈谐波缓解策略。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。