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(xué)院自動化與電子信息學(xué)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(xué)院自動化與電子信息學(xué)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(shù)在電網(wǎng)電壓畸變情況下對電網(wǎng)中濾波電流進(jìn)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(jìn)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(fù)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(shè)備進(jìn)行改進(jìn)(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(yīng)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(yīng)用前景。國外高、低壓有源濾波技術(shù)均已有實際應(yīng)用,而我國僅有低壓有源濾波技術(shù)應(yīng)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(dǎo)體開關(guān)器件(IGBT)的出現(xiàn)和 PWM控制技術(shù)的發(fā)展,使有源濾波技術(shù)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(jìn)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(yīng)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(dǎo)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(guān)頻率固定且簡單易行、響應(yīng)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(guān)系,當(dāng)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(dǎo)通,另外 1只功率管處于關(guān)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(guān)斷為互補關(guān)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(fù),所得PWM波也有正、負(fù)。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(fù)半周,對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。三角波和 SPWM波均有正負(fù)極性變化,但在正半周內(nèi),正脈沖比負(fù)脈沖寬,負(fù)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(jìn)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(shè)負(fù)載為阻感負(fù)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(dāng)urU>uc時,給V1導(dǎo)通信號,給V4關(guān)斷信號,uUN=Ud/2;當(dāng)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(gòu)成,負(fù)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(guān) 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(dá)到對非線性負(fù)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(gòu)及工作原理

2.1 濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖 4。圖中的三相非線性負(fù)載為被補償諧波電流源。系統(tǒng)采用帶阻感性負(fù)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(gòu)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(fù)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(fù)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(fù)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(guān)狀態(tài),有源電力濾波器產(chǎn)生并向電網(wǎng)注入和負(fù)載諧波無功電流相同幅值、相位相反的補償電流,以抵消負(fù)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(dá)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(shè)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(yīng)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(fù)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(fù)載三相橋式逆變電路仿真模型

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

在仿真模型中,設(shè)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(fù)載的輸出電壓和輸出電流,可以看出阻感性負(fù)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(fù)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(jìn)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(shù)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(jìn)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(shè)計方案的正確性。特別是將這一先進(jìn)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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[2]李建林,張仲超.有源電力濾波器控制策略綜述[M].電力建設(shè), 2003,24(6):44-49.

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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(xué)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