并聯(lián)有源電力濾波器的動(dòng)態(tài)滯環(huán)控制

并聯(lián)有源電力濾波器的動(dòng)態(tài)滯環(huán)控制

對(duì)提高電網(wǎng)質(zhì)量，提高電網(wǎng)利用率，維護(hù)能源系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。有源電力濾波器的基本思想形成于20世紀(jì)60年代和80年代出現(xiàn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論極大地推動(dòng)了它的發(fā)展,使其能夠?qū)ψ兓臒o(wú)功功率和諧波進(jìn)行快速地動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和抑制,并在三相三線制系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用中,三相四線系統(tǒng)是廣泛使用的,而瞬時(shí)無(wú)功功率理論是建立在三相三線制系統(tǒng)上的,本文采用一種簡(jiǎn)單的算法來(lái)消除零序電流的影響,研究了一種用于三相四線系統(tǒng)的并聯(lián)有源濾波器。1電流源型變壓器并聯(lián)有源濾波器的主電路有電壓源型(VSI)和電流源型逆變器(CSI)兩種結(jié)構(gòu),二者的區(qū)別是直流側(cè)分別采用電容和電感兩種儲(chǔ)能元件;交流側(cè)電壓源型逆變器需要串聯(lián)連接電抗器并入電網(wǎng),電流源型逆變器則要并聯(lián)電容器。理論上,逆變器直流側(cè)無(wú)需設(shè)置儲(chǔ)能元件,但實(shí)際中,有源電力濾波器需要補(bǔ)償負(fù)載瞬時(shí)實(shí)功率中的振蕩分量,并且逆變器吸收電流中的諧波會(huì)造成少量的無(wú)功能量在電源和其自身間的往返,因此,為了維持它的正常工作,儲(chǔ)能元件是必需的。對(duì)兩種類型的逆變器可以采用相應(yīng)的PWM電流控制,其目的均是使有源電力濾波器以受控電流源的形式工作。電流型具有較好的魯棒性,電壓型則以損耗小,初期投資少的優(yōu)點(diǎn)更受人們的青睞,因此,目前投入商業(yè)運(yùn)行有源電力濾波器幾乎都采用電壓源形式的結(jié)構(gòu)。2元臂型電氣控制模型用于三相四線系統(tǒng)中的PWM逆變器可以采用圖1所示的兩種結(jié)構(gòu)。(a)是傳統(tǒng)的三橋臂變換器結(jié)構(gòu),將交流中線直接連接到直流母線的中點(diǎn)上,也稱為裂相電容結(jié)構(gòu);(b)是四橋臂變換器結(jié)構(gòu),交流中線由第四條橋臂的中點(diǎn)引出。四橋臂變換器的可控性更好,三橋臂變換器使用的功率半導(dǎo)體器件更少,但在這種結(jié)構(gòu)中電流要從C1(或C2)流回中線,這使它存在裂相電容電壓均衡較難控制的問(wèn)題。如果這一問(wèn)題得到解決,那么三橋臂型是一種較好的結(jié)構(gòu)。文中采用一個(gè)簡(jiǎn)單的電路對(duì)裂相電容的電壓進(jìn)行了較好的控制。本文使用的三相四線并聯(lián)有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中主電路采用三橋臂逆變器,有源濾波控制器通過(guò)檢測(cè)負(fù)載電壓和電流信號(hào),利用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。動(dòng)態(tài)電流滯環(huán)控制器跟蹤指令電流的瞬時(shí)值,發(fā)出觸發(fā)脈沖控制逆變器,使其產(chǎn)生補(bǔ)償電流。電壓調(diào)節(jié)器的作用是將檢測(cè)到的電容電壓uc1,uc2進(jìn)行運(yùn)算,得出用于補(bǔ)償逆變器自身?yè)p耗的控制信號(hào)iˉlossiˉloss和對(duì)電流滯環(huán)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的控制信號(hào)。由于逆變器中功率半導(dǎo)體器件的高速通斷,補(bǔ)償電流中會(huì)含有一些高次諧波,用電阻R和電容C構(gòu)成的小型無(wú)源濾波器可以很容易地將這些諧波濾除掉。3控制戰(zhàn)略的研究3.1電流基波正序分量的計(jì)算諧波電流的檢測(cè)是有源濾波器中非常重要的一環(huán),在一定程度上決定了有源濾波器的性能。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)諧波電流檢測(cè)方法的研究非常熱門,主要有三種,這些方法分別基于滑動(dòng)付里葉分析,瞬時(shí)無(wú)功理論和APF的能量平衡。本文采用基于瞬時(shí)無(wú)功理論的方法。運(yùn)用瞬時(shí)功率理論可以將負(fù)載電流解耦成各個(gè)分量,由不同的補(bǔ)償算法得到的分量也不同。有源濾波控制器的作用即是根據(jù)補(bǔ)償目的,對(duì)檢測(cè)到的負(fù)載電壓和電流進(jìn)行一系列運(yùn)算,得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。本文采用圖3所示的算法,可以對(duì)基波負(fù)序、零序、諧波和基波無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償,從而使電網(wǎng)只需向負(fù)載提供基波正序有功電流。該算法在電網(wǎng)電壓畸變和不對(duì)稱的情況下依然可以準(zhǔn)確地計(jì)算出補(bǔ)償電流值。三相四線系統(tǒng)中,當(dāng)電流不對(duì)稱時(shí)ia,ib,ic中包含零序分量,需要先對(duì)其進(jìn)行零序電流分離,這樣才可以將該算法應(yīng)用到不對(duì)稱的三相四線系統(tǒng)。ia,ib,ic所含有的零序分量相同,且為i0=(ia+ib+ic)/3(1)將此零序分量從各電流中剔除,即令i′a=ia?i0i′b=ib?i0i′c=ic?i0(2)i′a=ia-i0i′b=ib-i0i′c=ic-i0(2)則i′a,i′b,i′c中只含有正序分量和負(fù)序分量,可以用圖3所示的檢測(cè)方法得到電流基波正序分量。按ip—iq運(yùn)算方式,由圖3得鎖相環(huán)PLL以u(píng)a為輸入,將其輸出連接到正余弦信號(hào)發(fā)生電路上,這樣生成的正弦信號(hào)是與ua同相的。而期望的正弦信號(hào)sinωt應(yīng)與ua的正序分量同相,這樣在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí),實(shí)際正弦信號(hào)和期望正弦信號(hào)存在一個(gè)相位差θ,但可以證明θ不會(huì)對(duì)補(bǔ)償電流計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。下面的計(jì)算是在假設(shè)ua未發(fā)生畸變的條件下進(jìn)行的。ip,iq經(jīng)LPF濾波可得到它們的直流分量iˉp,iˉqiˉp,iˉq。iˉp,iˉqiˉp,iˉq對(duì)應(yīng)于ia,ib,ic中的基波正序分量。由圖3可知:iˉ′p=iˉp?iˉloss(5)iˉ′p=iˉp-iˉloss(5)為了檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和,應(yīng)將圖3中iˉqiˉq的通道斷開(kāi),即只需對(duì)iˉ′piˉ′p進(jìn)行反變換,得最后得補(bǔ)償電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)了基波負(fù)序、零序、諧波和基波無(wú)功電流的補(bǔ)償。這種控制方法適用于中小功率場(chǎng)合應(yīng)用。3.2電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流PWM控制器采用電流滯環(huán)控制。在這種控制下,A相的補(bǔ)償電流變化規(guī)律如圖4所示。如果指令電流(k=a,b,c)含有零序分量,那么每一相的電流會(huì)經(jīng)過(guò)C1(或C2)流回中線,這會(huì)造成電容電壓的振蕩。表1給出了一個(gè)周期內(nèi)電容電壓的變化規(guī)律。當(dāng)時(shí)ifk>0,電容C1的電壓上升,C2的電壓下降,但由于difk/dt的值不同,同時(shí)受交流相電壓瞬時(shí)值的影響,C1和C2電壓的變化量并不相同。電壓的變化還取決于指令電流的大小和滯環(huán)的寬度。在這種情況下,直流母線電壓uc1+uc2和電壓的差值uc1-uc2,不僅以開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行振蕩,同時(shí)還隨著零序電流i0發(fā)生周期變化。如果給電流滯環(huán)的上、下閾值加上一個(gè)動(dòng)態(tài)的偏移量ε,可以對(duì)電容電壓的變化進(jìn)行較好的控制,使其達(dá)到可以接受的誤差程度。圖5所示為電壓調(diào)節(jié)器,在有源濾波器對(duì)基波零序電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),瞬時(shí)實(shí)功和瞬時(shí)零序功率的振蕩分量p?p?、p?0p?0會(huì)引起基波電壓的變化,這會(huì)使uc1-uc2和Uref-(uc1+uc2)過(guò)于敏感,利用兩個(gè)截止頻率為20Hz低通濾波器可以消除這種影響。電壓調(diào)節(jié)器中,輸出量ε和ΔU的函數(shù)關(guān)系滿足下面的等式:???????ε=?1?ΔU<?0.05Urefε=ΔU0.05Uref??0.05Uref≤ΔU≤0.05Urefε=1?ΔU<0.05Uref(9){ε=-1?ΔU<-0.05Urefε=ΔU0.05Uref?-0.05Uref≤ΔU≤0.05Urefε=1?ΔU<0.05Uref(9)式中Uref是直流母線電壓的參考值,ε作為動(dòng)態(tài)的偏移量加在PWM電流控制器中滯環(huán)的上、下閾值上,如圖3所示。此時(shí)滯環(huán)的閾值為{iup=i?ck+Δ(1+ε)ilow=i?ck?Δ(1?ε)(10){iup=ick*+Δ(1+ε)ilow=ick*-Δ(1-ε)(10)式中i*ck(k=a,b,c)是由式(8)得到瞬時(shí)電流參考值,Δ是一個(gè)常數(shù),等于滯環(huán)寬度的一半。這樣ε可以對(duì)滯環(huán)進(jìn)行移動(dòng),以改變開(kāi)關(guān)時(shí)間,從而對(duì)電容電壓進(jìn)行控制?？刂七^(guò)程如下:{uc2?uc1>0?ε>0?uc1↑??uc2?↓uc2?uc1<0?ε<0?uc1↓,uc2↑(11){uc2-uc1>0?ε>0?uc1↑?uc2↓uc2-uc1<0?ε<0?uc1↓,uc2↑(11)對(duì)直流母線電壓的控制采用一個(gè)PI調(diào)節(jié)器,其輸出iˉlossiˉloss疊加到基波有功支路中,如式(5),使直流側(cè)電容能和交流側(cè)交換能量,以補(bǔ)償逆變器自身的損耗。4補(bǔ)償電流生成中零序分量對(duì)補(bǔ)償效果的影響使用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,負(fù)載選用晶閘管三相橋式整流電路帶阻感負(fù)載(觸發(fā)角為30°)和兩個(gè)單相的阻感負(fù)載。圖6是對(duì)無(wú)功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆抡娼Y(jié)果。仿真是在三相負(fù)載電流不對(duì)稱的情況下進(jìn)行的,中線中存在零序電流,如圖6(c)所示。圖6(a)是電網(wǎng)三相線電壓,圖6(b)、(d)分別是補(bǔ)償前后電網(wǎng)的三相相電流。圖7(a)是補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)A相的電壓和電流波形,可以看出電流滯后于電壓,并且有很大的畸變;圖7(b)是補(bǔ)償后得到的波形,此時(shí)電流是和電壓同相位的正弦波,而且電流幅值比補(bǔ)償前有一定的減小;圖7(c)是A相的補(bǔ)償電流波形。由仿真結(jié)果可見(jiàn),在電流含有零序分量時(shí),對(duì)補(bǔ)償效果沒(méi)有影響。補(bǔ)償后的三相電網(wǎng)電流波形對(duì)稱,已經(jīng)消除了零序分量。5控制策略及應(yīng)用本文針