并聯(lián)APF在不平衡負(fù)載下的補(bǔ)償特性

魯 鵬，易渠江，徐在德

(1.德陽(yáng)電業(yè)局，四川德陽(yáng) 618000;2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080)

并聯(lián)APF在不平衡負(fù)載下的補(bǔ)償特性

魯 鵬1，易渠江1，徐在德2

(1.德陽(yáng)電業(yè)局，四川德陽(yáng) 618000;2.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080)

介紹了應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)的有源濾波器的結(jié)構(gòu)，采用直接控制電源電流的方式的無(wú)功諧波檢測(cè)方法，分析了此種控制方式的有源濾波器的基本原理，并且在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，證明了在三相負(fù)載不平衡的情況下，此種控制方法的有效性和良好的補(bǔ)償性。

有源濾波器;不平衡負(fù)載;PI控制

0 引言

近年來(lái)，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，大型生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)備單機(jī)容量不斷增加，動(dòng)力設(shè)施和裝備出現(xiàn)重大突破。很多企業(yè)日耗電量巨大，負(fù)荷呈非線性和沖擊性，引發(fā)了多種電能質(zhì)量問(wèn)題，主要包括功率因數(shù)低、諧波含量高、三相不平衡、功率沖擊、電壓閃變和電壓波動(dòng)［1］。因此在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，諧波的抑制、無(wú)功功率的補(bǔ)償、改善電能質(zhì)量、提高功率因數(shù)和減少電能損耗已成為電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究課題［2］。

有源濾波器APF(active power filter)是一種用于抑制動(dòng)態(tài)諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率的電力電子設(shè)備。它可以有效地克服傳統(tǒng)的無(wú)源濾波的缺點(diǎn)，對(duì)不同幅值和頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，在諧波抑制方面有著廣闊的應(yīng)用前景［3］。因此，本文提出對(duì)有源濾波器采取一種新的控制方式可提升系統(tǒng)電能質(zhì)量，即直接控制電源電流方式。

1 直接控制電流的APF主回路、補(bǔ)償原理以及控制技術(shù)

1.1 APF主回路

有源濾波器的實(shí)質(zhì)就是一個(gè)波形發(fā)生器，可以產(chǎn)生任意波形。通過(guò)一定的諧波檢測(cè)單元計(jì)算負(fù)荷側(cè)的諧波電流，然后依此為依據(jù)提供補(bǔ)償電流，消除諧波電流，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹＝?jīng)過(guò)補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流接近于理想的正弦波形。

采用直接控制電源電流的方式，實(shí)際上和傳統(tǒng)的控制方式是等效的，與傳統(tǒng)的APF系統(tǒng)相比省去了復(fù)雜的諧波、無(wú)功的檢測(cè)單元及相應(yīng)的硬件電路［4－5］。APF 主回路原理如圖 1 所示。

目前，大多數(shù)有源濾波器都需要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流，將檢測(cè)的結(jié)果作為補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)，然后通過(guò)有源濾波器提供補(bǔ)償電流ic消除非線性負(fù)載造成的無(wú)功和諧波電流。

設(shè)電源電流為is，負(fù)載電流為iL，則補(bǔ)償電流ic應(yīng)滿足:

圖1 APF主回路原理圖

1.2 APF補(bǔ)償原理

APF控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 APF控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖2可知，采用直接控制電源電流的有源濾波器，補(bǔ)償電流設(shè)定值i*的幅值Im是由直流側(cè)電容電壓的設(shè)定值與實(shí)際值的ΔUC差值，通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)后獲得;補(bǔ)償電流設(shè)定值i*s是PI控制器輸出的Im乘以和系統(tǒng)電源相位相同的單位正弦信號(hào)得到的，然后將補(bǔ)償指令電流的設(shè)定值i*s和電源電流的實(shí)際值is的差值Δis作為滯環(huán)比較的輸入信號(hào)。

式中:Vsa、Vsb、Vsc為三相電網(wǎng)電壓的相電壓;Vm為峰值電壓。

1.3 APF控制技術(shù)

電流補(bǔ)償控制技術(shù)常用的方法有滯環(huán)電流控制和三角波調(diào)制控制。滯環(huán)電流控制是一種非線性閉環(huán)電流控制方法，其利用滯環(huán)比較器形成一個(gè)以給定電流為中心的滯環(huán)或者死區(qū)，用反饋電流與給定電流的滯環(huán)比較誤差控制逆變器的開(kāi)關(guān)。滯環(huán)電流控制中電流反饋的存在加快了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)了抑制環(huán)內(nèi)擾動(dòng)的能力，控制精度較高。

本文采用的控制方法為滯環(huán)比較控制方式中的定時(shí)控制電流跟蹤方式，定時(shí)控制電流跟蹤控制方式的原理圖如圖3所示。

圖3 滯環(huán)比較控制示意圖

2 三相不平衡時(shí)APF

根據(jù)能量的平衡可知，通過(guò)PI調(diào)節(jié)后得到有功電流Im為

電力系統(tǒng)不平衡是由于系統(tǒng)三相負(fù)載不對(duì)稱引起的，由此產(chǎn)生的不平衡電流對(duì)系統(tǒng)的影響很大，而傳統(tǒng)的瞬時(shí)對(duì)稱分量變化是將任意一組不對(duì)稱的三相分量分解為3組對(duì)稱的相量。對(duì)于三相不對(duì)稱性負(fù)載，包括線性負(fù)載和非線性負(fù)載，根據(jù)瞬時(shí)對(duì)稱分量分解，可以分解為各次電流的正序、負(fù)序和零序?qū)ΨQ分量。針對(duì)傳統(tǒng)方法的復(fù)雜性，本文采用直接控制電源電流方式的APF對(duì)三相三線系統(tǒng)不平衡情況進(jìn)行了補(bǔ)償。由于本系統(tǒng)采用的是三相三線結(jié)構(gòu)，這樣在負(fù)載不平衡時(shí)，零序電流無(wú)法通過(guò)，因此，在分析時(shí)，忽略零序電流對(duì)系統(tǒng)的影響。而直接控制電源電流方式，則不需要檢測(cè)無(wú)功電流，因?yàn)樵贏PF進(jìn)行濾波和補(bǔ)償無(wú)功的時(shí)，直流側(cè)電容和電網(wǎng)電流存在能量的交換，所以，電容電壓和電容電流具有下面的動(dòng)態(tài)關(guān)系:

3 仿真分析

根據(jù)上述分析，對(duì)直接控制電源電流方式的有源濾波器在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，其中仿真系統(tǒng)的基本參數(shù):系統(tǒng)電源電壓為us=220 V，直流側(cè)電容C=3 300 uF，電容電壓的設(shè)定值為UCref=750 V，滯環(huán)比較器的環(huán)寬為1 A。

系統(tǒng)在t=0.05 s時(shí)投入有源濾波器，投入前，A相的電壓電流曲線如圖4 a所示，投入后，A相的電壓電流波形如圖4 b所示。通過(guò)對(duì)比可知，采用直接控制電源電流方式，諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч浅＠硐耄耆珴M足要求。

圖4 電源電流控制的APF的相補(bǔ)償效果

投入有源濾波器前，三相電壓電流曲線如圖5 a所示。由圖5 a可以明顯的看出，三相存在嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象并且含有大量的諧波，投入有源濾波器后，三相電壓電流曲線如圖5 b所示。通過(guò)對(duì)比可知，采用直接控制電源電流方式的APF，可以使三相平衡，并且可以補(bǔ)償無(wú)功，濾除諧波。

圖5 電源電流控制的APF三相補(bǔ)償效果

圖6為電源電流控制的APF的三相過(guò)渡過(guò)程。由圖6可知，此種有源濾波器在啟動(dòng)時(shí)的過(guò)渡過(guò)程比較平穩(wěn)，沒(méi)有大的波動(dòng)，并且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較快。

圖6 電源電流控制的APF的三相過(guò)渡過(guò)程

圖7為直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)曲線，由圖7可知，采用普通PI調(diào)節(jié)，系統(tǒng)穩(wěn)定到額定電壓值750 V需要約0.5 s，超調(diào)量約50 V，電壓波動(dòng)不大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，超調(diào)量較小。

圖7 兩種控制方式下初始時(shí)刻電容電壓的過(guò)渡過(guò)程

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)APF復(fù)雜的諧波和無(wú)功檢測(cè)單元，本文采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的電源電流控制的APF，通過(guò)Matlab/Simulink環(huán)境下仿真表明，采用不檢測(cè)諧波的APF同樣能達(dá)到濾除諧波、補(bǔ)償無(wú)功的目的。通過(guò)仿真對(duì)比可知，采用PI控制的有源濾波器響應(yīng)速度加快，超調(diào)量減小，魯棒性強(qiáng)。特別是在三相不平衡的條件下，可以較為準(zhǔn)確的對(duì)三相進(jìn)行補(bǔ)償，使三相達(dá)到平衡狀態(tài)，并且使系統(tǒng)迅速的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

［1］陳慶國(guó)，趙春明.三相四線制并聯(lián)型有源濾波器的算法和參數(shù)［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13(1):20 －24.

［2］劉驥，張明廣，謝世強(qiáng)，等.混合有源電力濾波器的仿真和設(shè)計(jì)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，15(5):22 －26.

［3］朱東柏，劉驥，曹濱.電力有源濾波及無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2002，6(4):337 －341.

［4］王存款，惠晶，顏文旭.基于T－S模糊型的有源濾波器控制研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44(2):46 －48.

［5］何娜，武健，徐殿國(guó).有源電力濾波器直流電壓的模糊控制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(14):45 －48.

Compensation characteristic of parallel APF under unbalanced load

LU Peng1，YI Qujiang1，XU Zaide2
(1.Deyang Electric Power Bureau，Deyang 618000，China;2.Harbin Institute of Science and Technology，Harbin 150080，China)

This paper introduces the structure of active filter applied in three－phase three－line system and the detecting method of reactive harmonic by directly controlling supply current，and analyzes the fundamental principle of active filter controlled by this method.The simulation under Matlab/Simulink proves the effectiveness and compensation characteristic of the control method under unbalanced three－phase load.

active filter;unbalanced load;PI control

TM77

A

1002－1663(2012)02－0113－03

2011－08－03

魯 鵬(1972－)，男，2007年畢業(yè)于浙江大學(xué)遠(yuǎn)程教育學(xué)院電氣工程及自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士。

(責(zé)任編輯 劉玉成)