新型注入式有源濾波器參數(shù)優(yōu)化及控制算法

曾澤湖

（佛山供電局，528000）

0 引言

本論文在多種傳統(tǒng)PI控制方法的基礎(chǔ)上提出了一種復(fù)合滯環(huán)控制方法。在滯環(huán)控制及遞推積分PI控制理論的基礎(chǔ)上，既克服了滯環(huán)控制有差調(diào)節(jié)、電流開關(guān)毛刺較大等缺點(diǎn)，也避免了遞推積分PI控制穩(wěn)態(tài)到達(dá)時(shí)間長的不足，實(shí)現(xiàn)了這兩種控制方法的有機(jī)結(jié)合。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

對(duì)于傳統(tǒng)的并聯(lián)混合有源濾波器來說，其有源部分并聯(lián)的基波諧振支路可以降低有源部分承受的基波電壓，大大減小了有源部分的容量，因此適用于較高的電壓等級(jí)。但也正是因?yàn)榛ㄖC振支路的存在，需要額外的整流設(shè)備對(duì)直流側(cè)電容充電，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓波動(dòng)及負(fù)載變化等原因會(huì)造成交流側(cè)能量的倒灌，從而引起直流側(cè)電壓的抬升，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。

針對(duì)上述問題，對(duì)新型注入式混合型有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。配網(wǎng)中的諧波電流由無源濾波器與有源濾波器綜合治理。無源濾波器的輸出經(jīng)過濾波電感后與分壓電感并聯(lián)在變壓器原邊，變壓器副邊串聯(lián)7次單調(diào)諧支路后并入電網(wǎng)。

7次單調(diào)諧支路和并聯(lián)分壓電感L構(gòu)成IHAPF的注入支路。注入支路的存在使得有源部分承受較小的基波電壓，大部分在7次PPF的電容上。

有源部分輸出的諧波電流進(jìn)入注入支路時(shí)將被分成兩部分，一部分通過7次單調(diào)諧支路，另一部分進(jìn)入變壓器二次側(cè)并聯(lián)的分壓電感。通過7次單調(diào)諧支路的電流可以有效補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。

2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

新型注入支路參數(shù)設(shè)計(jì)的一般原則是保證有源部分發(fā)出的電流能盡可能多的流入到配電網(wǎng)中去，這樣就引入了注入比這一概念，即諧波電流注入系統(tǒng)及流入分壓電感的有效值之比，該值越大即有源起到的效果越好。另一方面，分壓電感承受的基波及諧波電壓不能過高，影響有源部分工作。

7次單調(diào)諧支路在諧波次數(shù)為n的等效阻抗為：

變壓器二次側(cè)并聯(lián)的分壓電感在網(wǎng)側(cè)諧波次數(shù)為n的等效阻抗為：

若發(fā)生諧振，則有

7次單調(diào)諧支路與分壓電感的阻抗比為：

設(shè)計(jì)目標(biāo)1：成本低。即：

設(shè)計(jì)目標(biāo)2：注入比盡量高，即諧波電流大部分流入7次單調(diào)諧支路，而不是分壓電感。即：

設(shè)計(jì)目標(biāo)3：提供足夠無功補(bǔ)償量：

設(shè)計(jì)系目統(tǒng)標(biāo)要4求：A的PF最承小受的的無基功波補(bǔ)電償壓量必。須小于IGBT耐壓值。即

設(shè)計(jì)目標(biāo)3和4可以表示為：

其中X為決策向量， 。

因此，對(duì)整個(gè)注入支路參數(shù)的設(shè)計(jì)可以等效為求解下式：

即可把參數(shù)設(shè)計(jì)的問題簡(jiǎn)單等效對(duì)上式簡(jiǎn)單求解，利用隸屬函數(shù)法對(duì)該式進(jìn)行求解。

經(jīng)優(yōu)化后，選取m=5.85，串聯(lián)小電感兩端的基波電壓約為110V左右，7次單調(diào)諧PPF和分壓電感的等效阻抗比如表1所示。該等效阻抗比顯示了7次單調(diào)諧PPF和分壓電感承受的電壓比。

表1 阻抗比

表1中 是分壓電感在耦合變壓器高壓側(cè)的等效阻抗?？梢钥闯?，分壓電感承受基波電壓比很小。隨著諧波次數(shù)越接近7次, 7次單調(diào)諧支路與分壓電感的等效阻抗比變小,有源部分的諧波注入能力也越強(qiáng)。綜合考慮耦合變壓器變比2：1的影響，定義有源電力濾波器注入到電網(wǎng)中的諧波電流與有源濾波器輸出諧波電流的比值為諧波電流注入比，對(duì)7次諧波而言，有源部分諧波注入比為1:2。對(duì)13次諧波而言，有源部分諧波注入比為1:5.28。

相比直接通過降壓變壓器將諧波電流注入35kV母線的濾波方式的諧波注入比約為1:92。因此，注入支路的引入可以極大的提高注入比。

3 復(fù)合滯環(huán)控制策略

將有源電力濾波器等效為一個(gè)理想的受控電壓源VI，IL為等效之后的諧波電流源。IS、I'L、IF、II分別為電網(wǎng)電流、負(fù)載電流、濾波支路電流、有源支路電流，ZS、ZL、ZFL、ZFh、ZPF分別為電網(wǎng)等效阻抗、濾波電感、并聯(lián)電感阻抗、注入支路阻抗、無源部分的等效阻抗，下標(biāo)h表示相應(yīng)諧波分量。因此，控制電流Ii與逆變器輸出電壓Vi的關(guān)系可用傳遞函數(shù)表示為式（1），電流閉環(huán)傳遞函數(shù)框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖

顯然，有

其中，f為基波頻率，n取整數(shù)。式（3）說明采用遞推積分PI控制算法后，輸出電流對(duì)參考信號(hào)的跟蹤誤差接近0。

通常積分環(huán)節(jié)的存在會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。滯環(huán)控制算法跟蹤速度相對(duì)較快，但其開關(guān)諧波不易濾除且存在穩(wěn)態(tài)誤差。本文結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，提出了復(fù)合滯環(huán)控制算法。

圖6 復(fù)合滯環(huán)控制算法傳遞函數(shù)框圖

復(fù)合滯環(huán)控制算法傳函框圖如圖6所示。通過對(duì)滯環(huán)環(huán)寬的設(shè)置，判定等效控制的投入，當(dāng)誤差e較大時(shí)，滯環(huán)控制為主，即實(shí)現(xiàn)快速跟蹤指令；當(dāng)誤差較小時(shí)，遞推積分PI控制占主導(dǎo)，即實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤。

根據(jù)上述思想，得出以下控制律：

其中，H為環(huán)寬，p( veq(k ))為開關(guān)狀態(tài)，veq(k)由遞推積分PI控制算法確定。

4 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提出的控制算法，采用PSIM仿真軟件進(jìn)行了仿真研究。系統(tǒng)的參數(shù)如下：網(wǎng)側(cè)線電壓設(shè)置為工頻35kV；有源注入支路為7次單調(diào)諧支路，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化計(jì)算出：電容值2.7uF，電感值73.57mH，分壓電感8mH；有源部分開關(guān)頻率為10kHz。

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文理論，我們搭建了樣機(jī)，并在廣西某變電站進(jìn)行了工程應(yīng)用。

表2 建模參數(shù)

5 結(jié)論

本文分析了新型注入式混合型有源濾波器的原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，注入支路的引入極大地提高了注入比。針對(duì)IHAPF，提出了復(fù)合滯環(huán)控制策略，可以快速將跟蹤誤差控制在一定范圍。軟件仿真及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況驗(yàn)證了控制策略的正確性及有效性。

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