基于諧波分解的有源電力濾波器控制方法研究(2014北京)

基于諧波分解的有源電力濾波器

控制方法研究

報告人：卓放西安交通大學電氣工程學院2014年5月北京2/182024/2/3目錄1.引言2.基于檢測原理的APF控制方法3.基于諧波解耦的APF控制方法4.直流側電壓控制分析5.仿真和實驗研究6.結論3/182024/2/3

隨著電力電子裝置等非線性負載的廣泛應用，電力系統(tǒng)的諧波污染越來越嚴重。諧波電流的存在不但使用電設備所處的環(huán)境惡化，還對周圍的通信系統(tǒng)和公用電網以外的設備帶來危害：諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率；諧波會引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴重事故；諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電器測量儀表計量不準確；…………

1引言諧波治理勢在必行4/182024/2/31引言解決諧波污染問題的基本思路有兩條：裝設諧波補償裝置來補償諧波；對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波。諧波補償裝置主要有兩類：無源濾波器結構簡單，成本較低。只能補償固定次諧波，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯諧振。有源濾波器成本較高能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。

5/182024/2/3有源電力濾波器工作原理框圖：1引言

有源電力濾波器主電路結構已經比較成熟，因此諧波電流的準確檢測和采用有效的控制方法使得補償電流能夠實時、準確地跟蹤指令電流信號是提高有源電力濾波器補償性能的關鍵。

6/182024/2/3單獨使用無源濾波器的特：成本低、易實現。補償效果欠佳。易與系統(tǒng)發(fā)生諧振。

因此將二者結合起來，相互取長補短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，無疑是一種好的選擇。1引言-----混合型電力濾波器使用混合濾波器的必要性單獨使用APF的特點：可以動態(tài)補償諧波，補償效果好。投資大、成本高?；旌闲碗娏V波器分類串聯型有源電力濾波器與LC濾波器混合使用方式并聯型有源電力濾波器與LC濾波器并聯方式并聯型有源電力濾波器與LC濾波器串聯方式7/182024/2/3串聯型有源濾波器與LC濾波器混合使用方式1引言-----混合型電力濾波器8/182024/2/3并聯型有源濾波器與LC濾波器串聯方式1引言-----混合型電力濾波器9/182024/2/3并聯型有源濾波器與LC濾波器并聯方式1引言-----混合型電力濾波器10/182024/2/31引言-----混合型電力濾波器系統(tǒng)結構示意圖系統(tǒng)單相等效電路圖11/182024/2/31引言-----混合型電力濾波器有源和無源濾波器同時并入電網的補償特性諧波等效電路圖諧波補償幅頻特性對比圖12/182024/2/31引言-----并聯混合型有源電力濾波器系統(tǒng)電路結構圖13/182024/2/31引言-----并聯混合型有源電力濾波器控制方案14/182024/2/32.基于檢測原理的APF控制方法系統(tǒng)采用雙環(huán)控制：電壓外環(huán)通過檢測直流側電壓與參考電壓做比較，經過PI調節(jié)器后得到有功電流參考信號。電流內環(huán)實現輸出電流的跟蹤控制，保證電流跟蹤的快速性和準確性。15/182024/2/32.基于檢測原理的APF控制方法PWM逆變器等效為一階簡化模型，同時忽略電源電壓和負載電流的影響，可得到電流內環(huán)在S域下的等效數學模型：電流跟蹤環(huán)的開環(huán)傳遞函數：Ⅰ型系統(tǒng)，而輸入為交流信號，不能實現無差跟蹤控制16/182024/2/32基于檢測原理的APF控制方法可以看出，通過對系統(tǒng)中基波電流的檢測計算得到所有次諧波電流，然后通過電流環(huán)的PI控制來實現諧波電流的全補償。但電流控制環(huán)節(jié)固有的延時會使補償效果變差，很難對諧波電流完全補償，原因是受VSI開關頻率的限制，APF的系統(tǒng)頻帶相對于補償諧波的頻段還不夠寬，對次數較高的諧波補償效果變差甚至可能形成正反饋。在實際應用中，負載電流的高次諧波并不明顯，APF只需補償次數較低的幾次諧波，因此，可選擇性諧波電流檢測具有重要的意義。17/182024/2/33.基于諧波解耦的APF控制方法基于諧波解耦的APF系統(tǒng)框圖

其中：18/182024/2/3考慮采樣延時的APF在S域下的等效數學模型如圖a所示。

3.基于諧波解耦的APF控制方法(a)(b)

當系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，諧波電流經坐標旋轉變換后的幅值是恒定的，帶通濾波器BPF輸出的各次諧波的給定也是不變的。假設負載電流和APF輸出電流采樣的延時和電流傳感器變比相同，則圖(a)可以簡化為圖(b)。

19/182024/2/33.基于諧波解耦的APF控制方法

根據等效數學模型（如圖所示），可得系統(tǒng)的簡化開環(huán)傳遞函數為：Ⅰ型系統(tǒng)，但穩(wěn)態(tài)時給定是個恒定量，可以實現指令信號無差跟蹤20/182024/2/34.直流側電壓控制分析

本文采用鎖相環(huán)（PLL）檢測電網電壓頻率及相位，從而確定變換矩陣。假設相位檢測誤差為，則變化矩陣C變成：經過低通濾波后得：

再經反變換后得到：

相位檢測誤差對負載電流的檢測沒有影響，在變換和反變換的過程中相互抵消了。

21/182024/2/3

但反變換中加入了穩(wěn)定直流側電容電壓的基波有功分量（如圖），這樣經過反變換后：4.直流側電壓控制分析

加入后，鎖相環(huán)的檢測誤差會對基波電流的檢測產生誤差，從而引起直流側電壓的波動，而且隨著的增大，對直流側調節(jié)的影響也越大。22/182024/2/34.直流側電壓控制分析

基于諧波解耦的選擇性諧波檢測算法，把直流側電容電壓的調節(jié)與諧波的檢測分離；為了減小相位誤差對直流側電壓調節(jié)的影響，采用相位補償的方法，在反變換矩陣中加入補償相位，則變換矩陣變成：

當時，理論上可以消除相位檢測誤差給直流側電容電壓帶來的影響。

23/182024/2/35.仿真和實驗研究

利用MATLAB/Simulink仿真工具箱和相應函數對整個系統(tǒng)進行仿真。

(b)基于諧波解耦控制的負載和電網電流波形(a)基于控制的負載和電網電流波形

24/182024/2/3

本文搭建了一臺三相三線制APF實際裝置進行實驗研究，負載為三相二極管整流橋。

5.仿真和實驗研究裝置實物照片25/182024/2/35.仿真和實驗研究(a)基于控制的實驗波形

(b)基于諧波解耦控制的實驗波形表1基于不同控制方法的諧波含量對比諧波電流（A）THD/（%）5次7次11次13次17次12.251.090.870.490.4727.2720.2140.1080.080.0720.0654.7730.1180.0650.0990.0430.0412.09表1基于不同控制方法的諧波含量對比1為負載電流；2為基于控制時的的電網電流；3為基于諧波解耦控制時的電網電流其中：26/182024/2/36.結論

本文對電流檢測算法進行了改進，提出了基于諧波解耦的APF控制方法：