延時對有源濾波器補償性能的影響

張能 耿攀 袁陽 高宜朋

（1.海軍駐431軍代表室，遼寧葫蘆島 121000；2.武漢第二船舶設(shè)計研究院，武漢 430064；）

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)是整個艦船系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)。它會影響幾乎所有其它系統(tǒng)，影響整條艦船的運行安全性、戰(zhàn)斗性能和經(jīng)濟效率。隨著電力電子裝置等非線性負荷在艦船中的大量應(yīng)用，為了提高艦船綜合電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量，采用有源濾波技術(shù)構(gòu)建電能質(zhì)量保證模塊，對艦船大容量獨立交流電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量進行綜合治理已成為必然的趨勢。

有源電力濾波器（APF）是可以動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對變化的諧波和無功進行補償，與傳統(tǒng)的無源濾波相比，APF的調(diào)節(jié)和響應(yīng)更加快速、靈活，對短路容量、復(fù)雜負載和電網(wǎng)頻率波動并不十分敏感，更加適合在艦船綜合電力系統(tǒng)中使用。

在數(shù)字控制的有源濾波器中，不可避免的存在由測量和AD采樣等因素引起的時間延遲，必然造成有源濾波器系統(tǒng)補償?shù)恼`差，補償?shù)臏髮⒅苯訍夯性措娏V波器的電流跟蹤特性和補償效果。

本文以三相三線并聯(lián)型有源濾波器為研究對象，分析補償延時的原因和對有源濾波器的影響，并提出控制策略。

1 補償延時原因分析

并聯(lián)型有源電力濾波器是最基本，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種APF，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過產(chǎn)生與負載電流中的諧波和無功分量大小相等、相位互差180°的補償電流注入電網(wǎng)，使網(wǎng)側(cè)電流成為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，從而達到凈化電網(wǎng)的目的。此外并聯(lián)APF能夠防止無源濾波器和電網(wǎng)阻抗之間的諧振產(chǎn)生。

圖1 并聯(lián)型APF電路

并聯(lián)型 APF補償電流響應(yīng)的時間延遲的成因有：

1）交流側(cè)電感具有減緩電流變化之特性，使電流響應(yīng)滯后。

2）假設(shè)采用PI控制，則一階傳函為：

式中：id為輸出補償電流，id*為輸出補償電流指令，Kp_i為PI系數(shù)中比例參數(shù)，可見加大P可加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但P過大，又導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以PI控制無法從根本上消除延遲。

3）輸出電流和負載電流檢測回路有前置低通濾波器，來對高頻分量進行衰減。低通濾波器在濾除高頻分量的同時會引起檢測信號相位的滯后。

4）負載電流和輸出電流信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，采樣延遲一個采樣周期Ts。

5）電流電壓信號經(jīng)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生指令，但是在程序運行中K次載波產(chǎn)生的指令在K+1次載波產(chǎn)生作用。程序流程機理產(chǎn)生了一個載波周期的滯后。

6）鎖相產(chǎn)生的相位誤差，造成輸出相位偏移。

根據(jù)以上成因，可以對電流響應(yīng)延遲時間進行估算，以系統(tǒng)開關(guān)頻率10 kHz為例，估算總延遲約 200 ～300 μs。

假設(shè)非線性負載為不控整流負載，考慮以上各項延時因素，電流環(huán)采用PI控制進行仿真，可得到指令電流與實際輸出電流波形對仿真照圖2。圖2中在指令電流突變的上升沿和下降沿，系統(tǒng)滯后約 200 μs。

2 延時對補償時效性的影響

假設(shè)三相系統(tǒng)平衡，電流環(huán)可以完全跟蹤指令電流，APF可以視為理想的電流源。

設(shè)單位幅值電網(wǎng)電壓為：

由假設(shè)條件，可知補償后網(wǎng)側(cè)電流為：

為了考察濾波器諧波抑制效果，定義補償失效率為網(wǎng)側(cè)無功功率在補償后和補償前的百分比。補償前的網(wǎng)側(cè)無功功率為：

補償后網(wǎng)側(cè)無功功率為：

則根據(jù)定義可以得到單次諧波補償失效率為：

根據(jù)上式可以繪制出不同階次諧波的補償失效率和時間延遲的關(guān)系曲線，如圖3所示。

如圖3所示，若補償五次諧波電流源，200 μs延時將導(dǎo)致35%的補償失效率，若是七次諧波電流源，將導(dǎo)致50%的補償失效率。

圖3 單次諧波補償失效率與時延的關(guān)系

3 超前拍補償?shù)膶崿F(xiàn)

為了補償有源濾波器控制的延遲，可采用狀態(tài)觀測器對系統(tǒng)狀態(tài)進行提前預(yù)測，利用提前預(yù)測的狀態(tài)量獲得超前的控制作用。

從以上分析可知，某些延遲原因是無法消除的，只能采用構(gòu)造一個內(nèi)模的方法來消除延遲。

超前拍PI控制基本思想是：假設(shè)非線性負載是恒定不變的，每個周波諧波指令是相同的。如果把上個周波的指令值和電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)存儲在DSP的內(nèi)部 RAM，然后當(dāng)前周波提前幾拍讀取上個周波的指令值。這種方法實際上以犧牲動態(tài)性能為代價來消除穩(wěn)態(tài)電流滯后。其控制框圖為圖4。波中含有的載波數(shù)，即載波比。N2為需要超前的拍數(shù)，即實際系統(tǒng)滯后的拍數(shù)。由此可見這種控制方式下的動態(tài)響應(yīng)將滯后一個周波。

圖4 超前拍PI控制框圖

超前拍 PI控制方法可以解決穩(wěn)態(tài)滯后的問題，但是對于諧波指令、開關(guān)死區(qū)等造成的擾動還是不能實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

4 仿真與實驗

本實驗和仿真系統(tǒng)采用圖1所示結(jié)構(gòu)。有源電力濾波器交流側(cè)并入電感取0.3 mH，直流側(cè)電容取值20 mF，正常工作時直流側(cè)電壓穩(wěn)定為700 V，最大補償電流100 A，輸出功率70 kVA，開關(guān)管開關(guān)頻率為 10 kHz，數(shù)字控制芯片采用 TI公司的TMS320LF2407。以直流側(cè)帶阻感負載的三相不控整流橋為補償對象，整流橋直流側(cè)電感為0.2 mH，直流側(cè)電阻為8Ω。

圖5為電流環(huán)PI控制方式下系統(tǒng)仿真波形。PI控制方式下，APF投入運行后系統(tǒng)電流 THD由 28%降為 12.41%，補償后仍含有比較多的 5次、7次、11次諧波（如圖5（d））。同時補償后電流波形有周期性尖沖出現(xiàn)，這是由于非線性負載電流發(fā)生跳變（如圖5（a）），使補償指令突變（如圖5（b）），由于指令的延遲時間超出了電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制的帶寬范圍，APF無法輸出需要的諧波以抵消這些突變量，造成網(wǎng)側(cè)電流出現(xiàn)尖沖（如圖 5（c））。

圖5 PI控制系統(tǒng)仿真波形

圖6是PI控制下的實驗波形。由于系統(tǒng)延遲和 PI控制不能實現(xiàn)對指令的無差跟蹤，并聯(lián)型APF投入運行后，系統(tǒng)電流THD值僅從27.6%降到了13.7%。

圖6 PI控制電流波形

仿真和實驗證明了，單純的PI控制在做諧波補償時帶寬不夠，難以消除指令延遲的影響，補償效果不好。

圖7為電流環(huán)超前2拍PI控制方式下系統(tǒng)仿真波形。PI+超前2拍控制方式下，APF投入運行后系統(tǒng)電流THD由28%降為2.98%。與圖5相比，補償后網(wǎng)側(cè)電流 THD值大幅下降，周期性尖沖變小，補償效果明顯改善。

圖7 超前2拍PI控制系統(tǒng)電流波形

圖8為PI+超前2拍控制方式下系統(tǒng)電流實驗波形。超前控制抵消了系統(tǒng)延遲，系統(tǒng)電流THD值從27.6%降到了4.5%，并聯(lián)型APF的補償效果得到了極大改善。

仿真和實驗證明，系統(tǒng)的采樣延時對系統(tǒng)補償效果影響很大，超前控制能有效的消除系統(tǒng)延遲的影響。

5 結(jié)論

本文首先對造成有源濾波器補償延時的原因進行了分析，然后分析了延時與補償失效的關(guān)系，通過計算可推斷補償?shù)难訒r將直接惡化有源電力濾波器的電流跟蹤特性和補償效果。為此，本文提出了一種基于PI控制的超前控制策略，通過仿真和試驗證實了理論分析的正確性以及新型控制策略的有效性。

圖8 超前PI控制電流波形

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