基于准比例谐振控制的有源电力滤波器摘要:首先分析了比例谐振控制器的原理，改进了其对电网频率畸变敏感的特性，然后建立了基于准比例谐振控制器的有源电力滤波系统。利用DSP28335实现了该系统的集成控制，通过实验进行了验证，并与传统PI调节器进行了对比。该有源电力滤波器有效地降低了电网电流的畸变率(THD)，提高了电能质量，并具有较高的稳定性。关键词:有源电力滤波器；准比例谐振控制器；DSP28335；THD；电能质量；软锁相环中图分类号:TN713文献标识码:A文章编号:1008-8725（2013）11-0060-03ActivePowerFilterBasedonSubProportionalResonantControllerBAIHao-feng1,XUXing-shuai2，QIZhen-wei1（1.SchoolofInformationandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,China;2.HarbinTransformerLimitedLiabilityCompany,Harbin150078,China）Abstract:First,theprincipleofanidealproportionalresonantcontrollerisanalyzed,andthenaimprovementoverthesensitivitytothefrequencyofgridvoltageisproposed.Anactivepowerfiltersystemisdevelopedbyusingthesub-proportionalresonantcontroller.TheoverallcontrolofthesystemiscarriedoutbasedonDSP28335.ExperimentsareprovidedtoshowtheeffectivenessandtheadvantageoveratraditionalPIcontroller.Thefiltercanremovetheharmoniccurrentsandtheperformanceiswithhighstability.Keywords:activepowerfilter;sub-proportionalresonantcontroller;DSP28335;THD;powerquality;softPLL收稿日期:2012-12-24;修订日期:2013-07-12作者简介:柏浩峰（1989-）,男，黑龙江齐齐哈尔人，中国矿业大学信电学院在读硕士研究生，研究方向：电力电子。柏浩峰1，许星帅2，綦振伟10引言随着电力电子技术的发展，电力半导体元件被广泛应用于各种大功率设备，例如各种大功率高压变频器、直流调压器等。然而由于电力电子器件的非线性特性，这些设备向电网中注入了大量的谐波，严重影响了电网中的电能质量[1]。国家对电网中电能质量做出了明确的要求，电网电流的总畸变率（THD）不得高于5%。有源电力滤波器（APF）装置是一种有效改善电网电能质量的手段，能够实现对负载电流中各次谐波进行有效的补偿，并且同时补偿无功功率。它克服了传统LC滤波器只能对固定次谐波进行补偿的缺点，实现了动态补偿，更加适合变频器等动态谐波负载的应用场合[2]。由于有源电力滤波器是通过向电网注入补偿电流从而消除谐波和无功电流，因此电流的控制能力成为影响滤波器性能的关键所在[3]。传统的PI控制器能够在旋转坐标系下对基波指令电流实现无静差的跟踪，并且具有结构简单，易于分析的特点[4]。但是对于各次谐波电流，由于其在旋转坐标系下表现为波动量，因此传统的PI调节器无法对其进行跟踪，偏差较大。比例谐振（PR）控制器是一种基于内模原理的控制器，能够实现对交流量的无静差跟踪。同时由于其不需要进行复杂的坐标变换，实现更加简单。文中采用PR控制策略，对三相四线制有源电力滤波器进行控制，提高了其补偿谐波的能力。1控制器设计理想PR控制器又被称为广义积分器，其传递函数如下所示：G(s)=Kp+KRss2+ω20其中Kp,KR和ω0分别为比例系数、积分系数和谐振频率。根据内模原理，PR控制器可以对谐振频率的正弦量进行幅值积分，因此在谐振点处具有无穷增益。在该谐振频率点之外可近似认为衰减为零。在实际系统中，由于理想PR控制器对电网频率的偏移非常敏感，并且由于DSP等芯片的计算精度影响，并不采用理想PR控制器，而是采用一种准PR控制器。其传递函数如下所示：G(s)=Kp+2KRωcss2+2ωcs+ω20对于Kp=100，Kp=3.35的情况，改变其带宽频率ωc，得到其伯德图如图1所示。从图中可以看到，控制器在谐振频率处的增益为60dB，同时具有无穷大的相角裕度，因此可近似地对谐振频率点信号实现无静差的跟踪。这样既保证了跟踪的精度，又保证了稳态裕度和暂态性能。通过对不同的谐波频率设置不同的PR控制器，可以实现对每次谐波的单独补偿。由于在实际中谐波频率越高其幅值越小，故一般指补偿到25次谐波。不同波次的控制器并联后得到最终的PR控制器，如图2所示。（1.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008；2.哈尔滨变压器责任责任有限公司，哈尔滨150078）煤矿电气!!!!"!"!!!!"!"第32卷第11期2013年11期煤炭技术CoalTechnologyVol.32,No.11November,2013图1准PR比例积分控制器波特图ωc=1rad/sωc=5rad/sωc=10rad/sωc=1rad/sωc=5rad/sωc=10rad/s中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

图5补偿前负载电流图2PR控制器结构图2系统设计2.1整体结构设计主电路拓结构如图3所示。变流器采用基于IGBT的三相全控整流桥，经过L=3mH的滤波器后与电网并联。目前DC-AC逆变器常采用LCL滤波器，因为LCL具有较好的滤除高次谐波的功效。但是对于APF装置，LCL滤波器不但增加了成本和设备体积，更滤除了一些本应该注入电网的谐波，因此主电路采用L滤波器。图3中谐波检测环节的作用是检测电网中的谐波。其实现方式采用目前比较主流的基于瞬时无功功率理论的检测方法。该方法通过将三相静止坐标系下的电流转换为两相旋转坐标系下的电流，通过低通滤波器得到基波电流。将基波电流还原到三相静止坐标系下之后与原始电流相减即得到了三相谐波电流[5]。由上述分析可知，谐波检测环节需要用到坐标变换，而坐标变换需要电网电压的相位信息。通过锁相环（PLL）技术可以实现这一功能。目前锁相环的实现方式主要有硬件和软件两种方式，考虑到整体设计的简洁性和高效性，文中采用利用DSP进行处理的软锁相环技术。由于这一技术已经比较成熟，因此在文中不做详细讨论。控制电路部分采用基于DSP28335的控制器作为核心控制器件。DSP28335是一款具有高速处理性能并且内置了12路PWM信号发生器的浮点型数字信号处理芯片。使用该芯片不仅可以避免程序设计过程中复杂的浮点操作，还可以省去外部的PWM信号发生装置，非常适于IGBT及MOSFET等变流器的控制。控制器通过光纤与IGBT驱动耦合，同时采用独立电源供电，保证了系统的稳定性及可靠性。DSP完成控制算法的实现，以及SVPWM发波和软锁相环PLL等功能。2.2参数整定由前文分析可知，影响控制器性能的主要参数为比例增益Kp和积分增益KR，以及控制器的带宽频率ωc，而谐振频率ω0由需要补偿的谐波来决定。以下以7次谐波为例简述设计过程。设计过程中，SVPWM环节可以近似等效为一个增益为1的小惯性环节，控制框图如图4所示。系统开环传递函数为：Wi(s)=Kp7TPWMLs2+2ωC1+KR7KP777s+ω2777s+RL77s2+2ωCs+ω2777s+1TPWM77其中TPWM是惯性环节的时间常数，也就是系统的触发频率。文中设计的触发频率为5kHz，即TPWM=0.0002s；根据二阶最优理论，选取阻尼比为0.707，超调量为4.37%，对应的系统开环增益：Kp7/TPWML=5.58×106则可得Kp7=3.35由于控制器在谐振点处增益为Kp7+KR7，因此积分增益越大，系统静差越小。这里取：Kp7+KR7=100则可得KR7=96.65正常情况下，电网的频率波动在0.2Hz以内，对于7次谐波，考虑到实际中有可能出现的较大波动，取ωc=4rad/s。最终得到的7次谐波PR控制器的传递函数为G(s)=3.35+773.2ss2+8s+4831204同法可以得到其余各谐波频率点处的PR控制器参数。由上述分析可知，对于不同频次的谐波，ωc的取值需要根据谐波的频率上升而不断增大，而比例系数和积分系数在实际应用过程中可以近似地取为一个值。3实验结果及分析采用10kW的实验平台验证系统的有效性。主电路中的IGBT元件采用英飞凌公司的BSM50GB60DLC，该款IGBT最大电流为50A，耐压值为600V，能够满足实验需要。直流侧采用耐压值为800V的电解电容，为APF提供稳定的直流侧电压。3.1稳态性能文中通过对一组不控整流桥负载进行补偿验证该APF系统的有效性。为了对比控制效果，同时采用PI前馈控制器进行补偿。补偿前，负载电流波形如图5所示。采用PI控制器和PR控制器分别补偿后的电流波形如图6所示。从实验结果可以看出，PR控制器控制的APF系统具有较好的补偿效果，能够有效地改善电网的电能质量。3.2暂态性能通过施加负载来观察2种控制策略对APF暂态性能的影响。补偿后电网电流波形和控制器跟踪误差如图7所示。从图中可以观察到，负载突变后，图3系统结构图图4电流控制结构图KPS+2K12ωcSS2+2ωcS+ω2sv·aGPWM(s)KPWMTPWMS+1vaeaG0(s)1Ls+Ria柏浩峰，等：基于准比例谐振控制的有源电力滤波器第11期·61·中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!图6补偿后电流波形图（a）PI控制器补偿效果（p）准PR控制器补偿效果图7补偿后电网电流波形与控制器响应及误差（a）负载突变时PI控制器响应及误差（b）负载突变时PR控制器响应及误差PI控制器的跟踪误差出现了明显的扩大，同时补偿后电网波形质量也明显变差。PR控制器在突变的瞬间出现了较大的跟踪误差，但是在一个周期之内即达到了稳定状态，误差与突变前保持在同一水平，补偿后的波形质量也没有发生变化。4结论文中介绍了一种基于准PR调节器的APF系统。相比于理想的PR控制器，准PR控制器对电网的频率畸变不敏感，克服了理想PR控制器的缺点，同时保证了跟踪精度和稳定性。该控制器在三相静止坐标系下实现，无需复杂的坐标变换，同时能够对各频率的谐波信号实现无静差的跟踪。采用该控制器的APF系统，能够准确地输出指定的谐波电流，从而有效地改善电网电能质量。最后通过实验，验证了该控制策略相对于PI控制策略的高准确性和高稳定性，从而证明了系统的有效性。参考文献:[1]才英华,彭鸿飞,王艳波.高次谐波在电力系统的危害及防治[J].煤炭技术，2002（5）：10-12.[2]马占敖,江平,王琮泽,等.有源电力滤波器的谐波抑制技术在煤矿供电系统中的应用[J].煤炭技术,2011(4):28-30.[3]姜行东，王飞.无源电力滤波器参数设计的优化研究[J].能源技术与管理,2008(6):96-98.[4]张立娟,王雪丹.有源电力滤波器的设计[J].煤炭技术,2008(4):21-23.[5]王兆安.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2006.（责任编辑王凤英）收稿日期:2012-12-07;修订日期:2013-06-20作者简介:华满香（1965-），女，江西乐平人，副教授，研究方向：电机、PLC控制。0前言矿井通风机运行工况的好坏直接关系着矿井开采的安全顺利进行。笔者结合组态工控监控软件、变频器技术和PLC控制技术设计了煤矿井下局部通风机的在线监测系统。同时，多次模拟测试和调试了整个系统的运行情况，验证了该矿井通风机系统对采掘工作面瓦斯浓度变化以及管网阻力增加等，能够有效地完成风速、风量的调节。当出现变频器故障和通风机出气风量故障时，变频控制器能够实现自动报警功能，同时在矿井通风机监控系统界面上出现备用风机启动对话框，增加了矿井通风的可靠性。1矿井通风机监控系统功能（1）该系统采用山东矿井科技有限公司生产的组态王工业控制软件，该软件可以实时显示每个通风机的运行参数及数据，如轴流式电机的启动电压、运行温度、电流量、每个通风机的风压、风机转速，以及巷道瓦斯浓度、工作面瓦斯浓度、巷道风速、流量等参数。（2）矿井通风机监控系统界面具有启动控制通风机功能，操作人员在不接触通风机的情况下实现软启动。此外，界面功能可提供操作人员的工频运行、手动变频以及自动变频，从而可以实现每个通风机和备用通风机的工作切换。（3）监控系统可以在通风机运行时实时监测所有通风参数，将采集的参数和系统设定值进行比对，如风速超限比对、风量超限比对、开关量状态是否异常等等。如果出现参数异常或者超限，系统界面会自动弹出第32卷第11期2013年11期煤炭技术CoalTechnologyVol.32,No.11November,2013矿用通风机监控系统中PLC控制和组态技术的应用华满香（湖南铁道职业技术学院电气工程系，湖南株洲412000）摘要:以矿井局部通风机监控系统为研究对象，阐述了系统功能，利用PLC和组态技术相结合方案实现了矿井通风机的现场测试、中间控制以及远程监控。对该系统软硬件构成进行描述，最终实现了各系统功能。此研究对煤矿企业的安全生产起到了一定的借鉴作用。关键词:组态技术;PLC;矿井通风机中图分类号:TD72文献标识码:A文章编号:1008-8725（2013）11-0062-02ApplicationofPLCControlandConfigurationinMineVentilationMonitoringSystemHUAMan-xiang（DepartmentofElectricalEngineering,HunanRailroadVocationalandTechnicalCollege,Zhuzhou412000,China）Abstract:Takingtheminelocalventilatormonitoringsystemastheresearchobject,thesystemfunctionisdiscussed,usingPLCandconfigurationtechnologycombiningschemerealizesmineventilatiorfieldtest,intermediatecontrolandremotemonitoring.Thesystemhardwareandsoftwarecompositionaredescribed,finallythefunctionofthesystemisrealized.Thisstudyplaysacertainreferencroleonthesafetyofcoalproductionenterprises.Keywords:cofigurationtechnology;PLC;mineventilator中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net