三相電力有源濾波器(APF)控制策略的研究

周偉鵬,宋弘

(四川理工學院自動化與電子信息學院,四川自貢 643000)

三相電力有源濾波器(APF)控制策略的研究

周偉鵬,宋弘

(四川理工學院自動化與電子信息學院,四川自貢 643000)

介紹了有源電力濾波器控制策略,提出了 PWM控制技術在電網(wǎng)電壓畸變情況下對電網(wǎng)中濾波電流進行連續(xù)動態(tài)補償。建立了 PWM控制的逆變系統(tǒng)模型并進行仿真研究,結(jié)果驗證了該控制策略能有效補償諧波電流。

APF;正弦波脈寬調(diào)制;諧波;Matlab/s imulink;控制策略

由于電網(wǎng)中非線性負載的大量使用和單機容量的不斷增大,在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波和無功,造成電網(wǎng)諧波污染,解決諧波污染的主要途徑有兩條:一是對電力電子設備進行改進(功率因數(shù)校正);二是對電網(wǎng)實施諧波補償,其中無源電力濾波器 (Passive Power Filter)和有源電力濾波器 (Active Power Filter)是不可或缺的諧波治理手段。無源電力濾波器造價低,但由于自身原理決定存在許多難以克服的缺點;有源電力濾波器成本較高,但響應速度快、補償效果好、能實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)實時補償?shù)忍攸c,具有更為廣闊的發(fā)展應用前景。國外高、低壓有源濾波技術均已有實際應用,而我國僅有低壓有源濾波技術應用,因此,有效諧波治理控制策略研究具有一定的意義[1]。近年來,由于新型電力半導體開關器件(IGBT)的出現(xiàn)和 PWM控制技術的發(fā)展,使有源濾波技術得以迅速發(fā)展,本文闡述如何將 PWM電壓型逆變器這一先進的控制策略和實際裝置的結(jié)合使用,并取得良好的成果。

1 有源APF控制策略

常見的有源電力濾波器的控制方法主要有以下幾種:三角波SPWM控制、滯環(huán)控制、空間矢量PWM控制、無差拍控制、數(shù)字 PI控制、最優(yōu)控制、滑膜控制、反饋線性化解耦等。其中,數(shù)字 PI控制、無差拍控制、最優(yōu)控制、反饋線性化解耦魯棒性較差,對系統(tǒng)參數(shù)變化和外界干擾反應靈敏,一旦遭遇較大干擾或系統(tǒng)模型建立不精確時,可能導致系統(tǒng)失衡,使有源APF補償性能急劇下降,而三角波 SPWM調(diào)制控制法的開關頻率固定且簡單易行、響應速度快,具有連續(xù)動態(tài)控制的能力。

SPWM(Sinusoidal pulse W idth modulation)即正弦波脈寬調(diào)制。三角波 SPWM控制方式是最常見的一種控制策略方式,通常是采用等腰三角波電壓作為載波信號,正弦波電壓作為調(diào)制信號,由于三角波兩腰間的寬度和其高度成線性關系,當任一條不超過三角波幅值的光滑的曲線與三角波相交時,都會得到脈沖寬度正比于該曲線的一組等幅、等距地矩形脈沖列,故用正弦波電壓信號作為調(diào)制信號時,可獲得脈寬正比于正弦值、等幅、等距的矩形脈沖列,所得到的就是 SPWM波形。SPWM控制方式分為單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動兩種。單極性驅(qū)動是指對于逆變器的同一個橋臂,在一個 PWM周期內(nèi)只有 1只功率管導通,另外 1只功率管處于關斷狀態(tài)。而雙極性驅(qū)動則是指在一個 PWM周期內(nèi),同一橋臂的上、下兩只功率管都會開通,兩只功率管的開通與關斷為互補關系[2-3]。

1.1 雙極性 PWM控制方式

雙極性 PWM控制方式波形如圖 1所示。在雙極性 PWM控制方式中,ur為調(diào)制信號;uc為載波信號,在ur半個周期內(nèi),三角波載波有正、負,所得PWM波也有正、負。在ur一周期內(nèi),輸出 PWM波只有 ±Ud兩種,仍在ur和uc的交點控制器件通斷。ur正負半周,對各開關器件的控制規(guī)律相同。三角波和 SPWM波均有正負極性變化,但在正半周內(nèi),正脈沖比負脈沖寬,負半周則反之[4]。

圖1 雙極性PWM控制方式波形

1.2 雙極性PWM控制規(guī)律

結(jié)合 IGBT單相橋式電壓型逆變電路進行說明,雙極性 PWM控制規(guī)律見圖2。

圖2 三相橋式PWM型逆變電路

設負載為阻感負載,工作時 IGBT上下橋臂通斷互補,三相 PWM控制公用uc,三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差 120°。當urU>uc時,給V1導通信號,給V4關斷信號,uUN=Ud/2;當urU

圖3 三相橋式PWM逆變電路波形

輸出線電壓 PWM波由 ±Ud和 0三種電平構成,負載相電壓 PWM波由 (±2/3)Ud、(±1/3)Ud和 0共5種電平組成。基于此,利用 PWM脈沖控制高速電子開關 IGBT通斷而實現(xiàn)直流電容電壓的投切,得到一系列幅值相等、寬度不同的 PWM電壓信號,再經(jīng)過連接電抗器變換,將能量回饋給電網(wǎng)就可以達到對非線性負載電流中諧波分量的補償。

2 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構及工作原理

2.1 濾波器的系統(tǒng)結(jié)構及工作原理

有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構見圖 4。圖中的三相非線性負載為被補償諧波電流源。系統(tǒng)采用帶阻感性負載的三相不控整流橋產(chǎn)生諧波電流。R表示包括電感電阻在內(nèi)的每相線路電阻,電感L1代表APF的內(nèi)電感,電感L2代表 APF的外電感。由 IGBT構成的電壓型變流器以電容器做為直流側(cè)儲能元件。isa,isb,isc為電源電流,ila,ilb,ilc為負載電流, ia,ib,ic為有源濾波器輸出的補償電流。可以看出,電源電流等于負載電流與補償電流之和[5-6]。

圖4 并聯(lián)型APF系統(tǒng)原理

有源電力濾波器的工作原理是檢測出負載電流中的諧波和無功分量,加上直流側(cè)電壓的控制量,作為補償電流的控制信號。通過控制 PWM逆變器的開關狀態(tài),有源電力濾波器產(chǎn)生并向電網(wǎng)注入和負載諧波無功電流相同幅值、相位相反的補償電流,以抵消負載產(chǎn)生的諧波和無功電流分量,從而在電網(wǎng)側(cè)得到一個和電網(wǎng)同相的正弦基波有功電流,達到濾波和補償無功的目的。

2.2 硬件配置

并聯(lián)有源濾波裝置包括裝置斷路器、逆變橋、直流電容器、控制單元、保護單元及連接電抗等,APF補償裝置的主程序見圖 5,系統(tǒng)組成見表 1。

圖5 APF補償裝置的配置

表1 APF補償裝置的系統(tǒng)組成

設計中有源電力濾波器的硬件系統(tǒng)以 TI公司DSP芯片和三菱公司 IPM模塊為核心,輔以相應的外部霍爾電流、電壓互感器和驅(qū)動信號隔離電路,完成鎖相環(huán)同步信號處理,電壓電流信號的采集、調(diào)理,三角波調(diào)制的 P WM控制信號的產(chǎn)生,直流側(cè)電壓控制,以及控制信號的輸入輸出等功能,以實現(xiàn)全數(shù)字有源電力濾波器裝置[7-8]。

3 模型建立與仿真分析

試驗中運用Matlab仿真工具箱中的電力系統(tǒng)仿真模塊搭建了阻感性負載三相橋式逆變電路系統(tǒng)仿真模型,如圖 6所示。

圖6 阻感性負載三相橋式逆變電路仿真模型

在實際仿真中關鍵是參數(shù)的設置,其中電感、電阻的參數(shù)設置要相匹配,此仿真模型中設電阻為1Ω,電感為 0.01H,設置脈沖 Pulse1的幅值為 15,導通時間為 0.01 s,延遲時間為 0 s,6個主開關元件依次相差 T/6導通。

在仿真模型中,設置仿真起始時間為 0.0 s,終止時間為 0.06 s,仿真算法采用變步長二、三階隱式龍格庫塔法,為了能清楚地看到觸發(fā)脈沖對輸出波形的影響,示波器 Scope1顯示了 6個觸發(fā)脈沖的波形,仿真圖中可觀察到,T6-T1的脈沖,后一個脈沖依次滯后前一個脈沖 1/6周期。同理改變 T1-T6控制信號的周期就可以方便地改變輸出電壓的頻率,示波器 Scope2顯示了負載的輸出電壓和輸出電流,可以看出阻感性負載橋式逆變電路由于電感的自感電動勢對電流變化的反作用,A相電流不能突變,體現(xiàn)在負載輸出波形上就是輸出電流不能突變。

4 結(jié)語

介紹了一種 PWM控制電壓型逆變器這一先進控制策略,提出并建立了 PWM電壓型逆變器仿真模型,通過仿真結(jié)果顯示提出的 PWM控制技術在電網(wǎng)電壓畸變的情況下可以對電網(wǎng)中的諧波電流進行連續(xù)動態(tài)補償,良好的仿真結(jié)果驗證了該控制策略的有效性和設計方案的正確性。特別是將這一先進的控制策略和實際裝置有效地結(jié)合使用,對電網(wǎng)諧波治理起到良好效果。

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Research on control strategy of three-phase Active Power Filter

Based on the analysis ofActive Power Filter contro l strategy,PWM control techniques which continuously and dynam ically decompensate filter current in case of grid vo ltage distortion on the grid is presented.The s im ulation modelof PWM control inverter system is built and s imulated by exper im ent of s im ulation.The result approved the contro l strategy which can be effective compensat ion harmonic current.

APF;sinusoidalpulse w idth modulation;harmonic;Matlab/s im ulink;control strategy

T M864

B

1674-8069(2011)03-057-04

人工智能四川省重點實驗室項目(2008R2001;2008K009)

2010-11-04;

2011-04-27

周偉鵬(1982-),男,河南漯河人,四川理工學院碩士研究生,研究方向為智能控制與電力電子變流。E-mail:zwp0335@ 163.com