基于新型無(wú)功和諧波電流檢測(cè)方法的APF仿真研究

王春蕾，張代潤(rùn)

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065）

基于新型無(wú)功和諧波電流檢測(cè)方法的APF仿真研究

王春蕾，張代潤(rùn)

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都610065）

結(jié)合基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq檢測(cè)方法和基于傳統(tǒng)功率理論的閉環(huán)自適應(yīng)檢測(cè)方法兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新的檢測(cè)方法，該方法具有較好的魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。同時(shí)由于逆變器采用三橋臂電容中點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，對(duì)其直流側(cè)電壓的穩(wěn)定和上下電容的均壓控制作了分析，與無(wú)功和諧波電流檢測(cè)結(jié)合起來(lái)形成了雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步增強(qiáng)補(bǔ)償效果，然后對(duì)指令電流的合成和其跟蹤控制作了簡(jiǎn)要闡述。最后利用Matlab/Simulink對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

有源濾波器；閉環(huán)檢測(cè)；無(wú)功和諧波電流；電壓控制

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通以及家庭應(yīng)用日益廣泛，隨之而來(lái)的問(wèn)題是由這些裝置產(chǎn)生的無(wú)功和諧波電流對(duì)公共電網(wǎng)的危害日益嚴(yán)重。如何抑制這些無(wú)功和諧波電流從而改善電網(wǎng)供電質(zhì)量和能力，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。有源電力濾波器APF由于其良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和良好的補(bǔ)償特性，在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中都得到了很大的發(fā)展，其中并聯(lián)型有源電力濾波器應(yīng)用最為廣泛[1-3]。

有源電力濾波器工作性能的優(yōu)劣主要受到無(wú)功和諧波檢測(cè)方法的影響。瞬時(shí)無(wú)功功率理論自提出以來(lái)在檢測(cè)無(wú)功和諧波電流得到了廣泛應(yīng)用，如基于瞬時(shí)無(wú)功理論的p-q和ip-iq檢測(cè)方法，并有力推動(dòng)了有源濾波器的發(fā)展。但是由于是開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，器件參數(shù)的分散性差，從而易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差；同時(shí)系統(tǒng)魯棒性差，檢測(cè)性能易受到器件老化等因素引起的參數(shù)變化的影響。而自適應(yīng)檢測(cè)方法雖然采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)檢測(cè)的不足。但由于采用傳統(tǒng)功率理論，造成系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性較差。為了增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，提高響應(yīng)速度，本文采用一種將自適應(yīng)閉環(huán)檢測(cè)結(jié)構(gòu)和瞬時(shí)無(wú)功功率理論結(jié)合起來(lái)的檢測(cè)方法。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的正確性和有效性。

1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)

2.1 閉環(huán)無(wú)功和諧波電流檢測(cè)

要提高本系統(tǒng)的補(bǔ)償精度，關(guān)鍵在于是否能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出負(fù)載的無(wú)功和諧波電流。目前有較多的檢測(cè)方法[4]，如小波檢測(cè)法、基于瞬時(shí)無(wú)功理論的檢測(cè)法、自適應(yīng)檢測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)法等。基于瞬時(shí)無(wú)功理論的p-q和ip-iq法由于采用開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的魯棒性較差，且需要采用高精度模擬乘法器[5]；而基于傳統(tǒng)的功率理論的自適應(yīng)檢測(cè)原理雖然是采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了開(kāi)環(huán)結(jié)構(gòu)諧波檢測(cè)的不足，但是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能差。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，提高響應(yīng)速度，將閉環(huán)檢測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和瞬時(shí)無(wú)功功率理論結(jié)合起來(lái)，即本文采用的基于瞬時(shí)無(wú)功功率的閉環(huán)無(wú)功和諧波電流檢測(cè)法，其檢測(cè)框圖如圖2所示。

在閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的G(s)由一個(gè)積分單元和一個(gè)n階巴特沃斯（Butterworth）低通濾波器組成，其可以等效為一個(gè)n+1階Butterworth低通濾波器。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和靜態(tài)檢測(cè)精度由等效濾波器的階數(shù)和截止頻率決定。等效濾波器階數(shù)越高，系統(tǒng)慣性越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢，但暫態(tài)振蕩特性改善,穩(wěn)態(tài)精度提高；截止頻率越高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越快，穩(wěn)定精度越差。故綜合考慮，截止頻率可選擇在 10 Hz～40 Hz之間，以兼顧動(dòng)、靜態(tài)的性能。同時(shí)為了減小系統(tǒng)的復(fù)雜性,等效低通濾波器不宜超過(guò)三階。

系統(tǒng)中C3/2為三相靜止坐標(biāo)系到α-β兩相靜止正交坐標(biāo)系的變換矩陣，C為αβ兩相靜止正交坐標(biāo)系到p-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣，p-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的p軸和q軸分別是電網(wǎng)電壓矢量e和其法線，C2/3和C-1分別是C3/2的轉(zhuǎn)置矩陣和C的逆矩陣。

這樣該方法就結(jié)合了瞬時(shí)無(wú)功理論和自適應(yīng)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，不僅具備了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論檢測(cè)的快速性實(shí)時(shí)性，也結(jié)合了自適應(yīng)閉環(huán)檢測(cè)魯棒性好的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于采用閉環(huán)系統(tǒng)，檢測(cè)電路的運(yùn)行特性幾乎不受參數(shù)變化的影響，并且其優(yōu)異的性能相對(duì)于開(kāi)環(huán)檢測(cè)方法和自適應(yīng)檢測(cè)方法并沒(méi)有增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造成本。

2.2 APF的直流側(cè)電壓控制

對(duì)于電壓型APF，需要直流母線側(cè)電容位并聯(lián)型APF提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)。在實(shí)際工程中，由于直流側(cè)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)采用的是電容而不是直流電源，當(dāng)APF工作時(shí)，要消耗電容能量導(dǎo)致電壓降低，且APF的開(kāi)關(guān)工作模式使流入APF的電流產(chǎn)生脈動(dòng)，直流側(cè)動(dòng)容電壓很難維持在某一定值。如直流側(cè)電壓波動(dòng)過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)欠補(bǔ)償或過(guò)補(bǔ)償，從而影響補(bǔ)償效果，因此必須采取相應(yīng)措施來(lái)穩(wěn)定直流側(cè)電壓[6]。

（1）直流側(cè)總電壓的控制

如圖2所示，本文直流側(cè)總電壓采用PI控制法，將檢測(cè)到的直流母線側(cè)總的實(shí)際電容電壓值Udc和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到的差值輸入PI控制器得到電流調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)信號(hào)idc，然后把其疊加到瞬時(shí)有功電流直流分量上，這樣便在指令信號(hào)中包含有一定基波有功電流。當(dāng)總的電壓值低于參考值時(shí)，部分有功電流注入電容器，從而有功電流的直流分量減少。為使APF的補(bǔ)償電流中包含基波有功電流分量，將APF的直流側(cè)與電力系統(tǒng)進(jìn)行能量交換，補(bǔ)償APF的損耗，從而把Udc調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)值。

（2）直流側(cè)上下電容均衡控制

由于直流側(cè)采用兩個(gè)對(duì)稱電容，其中點(diǎn)連接到電力系統(tǒng)中線，從而使注入三相獨(dú)立電流成為可能，并且必須保持上下電容的兩端電壓相等以確保變換器的正常運(yùn)行。假設(shè)上電容電壓大于下電容電壓，可以通過(guò)將電流注入進(jìn)電力系統(tǒng)來(lái)減小上電容電壓來(lái)使其平衡，反之則從系統(tǒng)注入電流到逆變器來(lái)維持兩者電壓平衡。如圖1的原理框圖所示，對(duì)上下電容作電壓比較，得到的電壓差值通過(guò)PI控制器得到輸出電流ipm，然后把這個(gè)電流疊加到前面檢測(cè)到的無(wú)功電流和諧波電流，從而達(dá)到控制上下電容電壓平衡的目的，同時(shí)得到補(bǔ)償電流的參考值：

2.3 電流跟蹤控制

常用的電流控制方法主要有電流滯環(huán)控制和固定開(kāi)關(guān)頻率控制。滯環(huán)電流跟蹤控制方法硬件電路十分簡(jiǎn)單，屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)很快，不需要載波，輸出電壓中不含有特定頻率的諧波分量[7]。為了得到較好的動(dòng)態(tài)性能，本文采用電流滯環(huán)跟蹤控制的方式，其原理框圖如圖3所示。

圖3為A相電流滯環(huán)跟蹤控制框圖，其中的一階慣性環(huán)節(jié)可以加快控制的響應(yīng)速度，t為慣性時(shí)間常數(shù)?？梢钥闯?，將實(shí)際的A相逆變器電流ipa與求得的A相指令電流進(jìn)行比較，形成電流閉環(huán)實(shí)時(shí)跟蹤控制，因此補(bǔ)償電流能夠?qū)崟r(shí)精確地跟蹤補(bǔ)償參考電流，從而補(bǔ)償電網(wǎng)電流，使其正弦化。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，利用Matlab/Simulink對(duì)其進(jìn)行了建模仿真，仿真模型根據(jù)原理框圖1所建，主要參數(shù)有：逆變器輸出濾波電感Lp=3 mH，直流母線側(cè)電容 C=3 000 μF，基準(zhǔn)電壓=700 V，三相電網(wǎng)線電壓有效值380 V，非線性負(fù)載由二極管三相整流橋接R=10 Ω、L=2 mH的阻感負(fù)載組成。

圖4為A相負(fù)載電流、電網(wǎng)電流、補(bǔ)償電流以及檢測(cè)得到的參考無(wú)功和諧波電流波形，圖5為直流側(cè)總的電壓值波形和上下兩電容的波形情況，圖6中(a)、(b)分別為補(bǔ)償前后的負(fù)載電流和電網(wǎng)電流諧波頻譜圖。可見(jiàn)補(bǔ)償前后THD分別為25.04%和1.53%，達(dá)到了IEEE519諧波標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文采用結(jié)合基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq的檢測(cè)方法和基于傳統(tǒng)功率理論的閉環(huán)自適應(yīng)檢測(cè)方法兩者優(yōu)點(diǎn)的無(wú)功和諧波檢測(cè)方法，這樣使系統(tǒng)不僅具有好的魯棒性，同時(shí)還具有好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，從而能夠較好地補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功和諧波電流以使電網(wǎng)電流正弦化。文中也對(duì)APF直流側(cè)總的電壓和均壓控制作了介紹，從而形成一種雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)補(bǔ)償效果。仿真結(jié)果表明，通過(guò)該方法使系統(tǒng)取得了較好的對(duì)無(wú)功和諧波的補(bǔ)償效果，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和有效性。

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Simulation study of active power filter based on a novel reactive and harmonic current detection method

Wang Chunlei，Zhang Dairun
（Institute of Electrical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

This paper adopts a detection method that combines the advantages of both ip-iqdetection method based on instantaneous reactive power theory and closed-loop adaptive detection method.This method is better compared to both in terms of robustness and dynamic response speed.And as the inverter adopts three bridge-arm capacitor mid-point structure,the inverter’s DC voltage stability and upper and lower capacitor’s uniform voltage control are analyzed.And it is with the reactive and harmonic current detection combine to form a double-loop structure to further enhance the compensation effect,then the synthesis of instructions current and tracking control are briefly described.Finally,the system is simulated with Matlab/Simulink,and then the simulation results validate the correctness and validity of the method.

active power filter；closed-loop detection；reactive and harmonic current；voltage control

TM743

A

0258-7998(2012)03-0067-04

2011-10-23)

王春蕾，男，1987年生，碩士，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

張代潤(rùn)，男，1965年生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)、電能質(zhì)量控制。