低壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的檢測(cè)與控制優(yōu)化

文 蕓，肖 凡，姚 鵬，范瑞祥，徐在德

（1.江西南昌供電公司，江西南昌 330006；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；3.江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

隨著大功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管及絕緣柵型雙極性晶體管等新型快速大容量功率開關(guān)器件的出現(xiàn)，結(jié)合瞬時(shí)諧波電流檢測(cè)方法的提出，先進(jìn)的控制理論和PWM調(diào)制技術(shù)的快速發(fā)展以及高速、高性能微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等的出現(xiàn)，使得有源濾波技術(shù)得到快速的發(fā)展。有源電力濾波器在電網(wǎng)低壓側(cè)針對(duì)諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)玫酱罅繉?shí)踐利用。

現(xiàn)運(yùn)行的低壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置以并聯(lián)型有源電力濾波器為主，其主要針對(duì)系統(tǒng)負(fù)載側(cè)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，具有一定的無功補(bǔ)償能力。傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源電力濾波器檢測(cè)環(huán)節(jié)主要以基于瞬時(shí)無功功率理論的p-q算法和ip-iq算法為主，進(jìn)行諧波的全檢測(cè)。這樣的檢測(cè)方式不具有針對(duì)性，不能合理的分配有源濾波器的容量問題，存在容量浪費(fèi)現(xiàn)象。特別是在裝有無源濾波裝置的負(fù)載側(cè)可能會(huì)導(dǎo)致有源濾波器發(fā)出的諧波電流大量流入無源補(bǔ)償裝置，導(dǎo)致無源補(bǔ)償裝置的過流等現(xiàn)象。

有源電力濾波器普遍采取電流電壓雙閉環(huán)PI控制，但PI參數(shù)整定后一般就不再變化，針對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的負(fù)荷，則補(bǔ)償精度存在不足。本文在分析了傳統(tǒng)PI控制的基礎(chǔ)上，提出模糊PI控制器，適時(shí)的改變P，I參數(shù)，滿足系統(tǒng)響應(yīng)迅速，且具有滿意的控制精度。

1 低壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的原理分析及檢測(cè)優(yōu)化

1.1 并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)

并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路為PWM變流器，現(xiàn)今主要使用的為電壓源型結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)負(fù)載側(cè)三相電流，通過分頻檢測(cè)計(jì)算出某一次或某幾次諧波電流值，同時(shí)加入直流側(cè)穩(wěn)壓控制電流得到指令電流ic；再引入逆變器輸出電流作為反饋?zhàn)霾畹弥噶铍娏鳌鱥c；最后由模糊PI控制器輸出PWM信號(hào)，完成對(duì)變流器的操作。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器拓?fù)浼跋到y(tǒng)構(gòu)成

1.2 傳統(tǒng)的ip-iq檢測(cè)方法

諧波電流的檢測(cè)關(guān)系到實(shí)際補(bǔ)償效果的好壞，能夠準(zhǔn)確快速的檢測(cè)系統(tǒng)中的諧波電流，是完成補(bǔ)償要求的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的諧波電流檢測(cè)和無功電流檢測(cè)主要以ip-iq算法為主，能夠檢測(cè)出負(fù)載側(cè)的所有諧波電流，且有較好的實(shí)時(shí)性。但缺點(diǎn)是不能體現(xiàn)出系統(tǒng)中某一次或者某幾次諧波電流的大小和含量，不能有針對(duì)性的進(jìn)行諧波補(bǔ)償，使得有源電力濾波器的容量得不到較好的分配。

傳統(tǒng)的ip-iq算法以瞬時(shí)無功功率理論為基礎(chǔ)，通過坐標(biāo)變換將檢測(cè)的三相電流轉(zhuǎn)換成兩相電流值ip，iq，通過低通濾波器得到基波的直流分量，最后經(jīng)反坐標(biāo)變換得到檢測(cè)電流的基波分量。其運(yùn)算原理圖如下：

圖1 ip-iq算法原理圖

ea為系統(tǒng)電源側(cè)a相的電值；為基波分量；PLL為鎖相環(huán)；LPF為低通濾波器，C32,C分別為：

假設(shè)被檢測(cè)三相電流對(duì)稱，分別為：

式中：n=3k±1，k為整數(shù)（k=0時(shí)，只?。?hào)，即只取n＝1）。

式中n=3k+1時(shí)取上符號(hào)，n=3k-1時(shí)取下符號(hào)。

1.3 改進(jìn)型的ip-iq算法原理

從對(duì)傳統(tǒng)ip-iq算法算法的分析可以看出，其計(jì)算出三相電流的基波正序電流值后與三相電流做差得到系統(tǒng)的諧波電流值和無功分量。這里的諧波電流包含了系統(tǒng)幾乎所有的諧波電流，含量比較復(fù)雜。而在實(shí)際的低壓補(bǔ)償裝置安裝處，負(fù)載的諧波電流往往以一次，或者幾次居多，而其它較高次諧波則含量很少，針對(duì)實(shí)際的補(bǔ)償情況，檢測(cè)出主要的諧波成分，進(jìn)行滿足電網(wǎng)諧波要求的有針對(duì)性的諧波補(bǔ)償，可以節(jié)省并聯(lián)型有源濾波器容量，使其可以在允許范圍內(nèi)考慮負(fù)荷無功缺失，進(jìn)行一定量的無功補(bǔ)償，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的優(yōu)化控制。

圖2 改進(jìn)型ip-iq算法原理圖

針對(duì)文獻(xiàn)[4]提出的任意次諧波電流檢測(cè)方法，進(jìn)行簡(jiǎn)化得到了這種改進(jìn)型的ip-iq算法。如圖2所示，基于瞬時(shí)無功功率的ip-iq算法，檢測(cè)的電網(wǎng)電流經(jīng)過變換矩陣C，低通濾波后得到k次諧波的有功和無功的直流分量，再反變換得到k次諧波分量。根據(jù)上述原則，若欲檢測(cè)某次（如k次）諧波電流分量，參考電壓矢量選為k次諧波電壓矢量即可，

此時(shí)的ip-iq變換及其逆變?yōu)?/p>

其逆變換為

圖中矩陣C為

當(dāng)k=1時(shí)，檢測(cè)結(jié)果即為基波正序電流分量。k取不同的值即可檢測(cè)不同次數(shù)諧波分量，實(shí)現(xiàn)分頻檢測(cè)的改進(jìn)ip-iq算法。

圖3 基于改進(jìn)型ip-iq算法的并行檢測(cè)框圖

隨著DSP等高速數(shù)字處理芯片的適用，使得分頻檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)變得更為簡(jiǎn)單，圖3給出了基于改進(jìn)型ip-iq算法的并行檢測(cè)框圖。可以針對(duì)具體情況有選擇性的增加或者減少需要檢測(cè)的諧波分量，其中：

與圖2中的C相似，n=1時(shí)表示以基波頻率為基準(zhǔn)的變換，在分頻檢測(cè)中，主要用于計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流。

2 模糊PI控制器的實(shí)現(xiàn)

有源電力濾波器主要以PI控制為主，PI控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，參數(shù)容易整定，且控制精度較好。但考慮系統(tǒng)中負(fù)荷特性的不斷變化，以及系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，傳統(tǒng)PI的不足也逐漸體現(xiàn)，主要為控制精度的缺陷，因此提出模糊PI控制方式，通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)改變PI參數(shù)，能更好好的跟蹤系統(tǒng)的變化，更好的補(bǔ)償諧波，達(dá)到高精度的目的。

2.1 傳統(tǒng)PI控制

常規(guī)PI控制器的作用，可描述為：

式中：e（n）為第個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸入量(偏差量)；i（n），i（n-1）為第個(gè)和第個(gè)采樣時(shí)刻控制器的輸出量(控制量)；T為采樣周期；KI為積分時(shí)間常數(shù)；KP為比例增益。

由上式可得，控制器的i（n）和i（n-1）之間的增量為：KI，KP參數(shù)的整定多以Ziegler-Nichols為主，先置KI=KP=0，再增加KP，直至系統(tǒng)振蕩，記下該臨界狀態(tài)的KP值為Kcr，振蕩周期為Tcr。此時(shí)，可確定控制器參數(shù)為：KP=0.45Kcr，KI=0.85Kcr。

2.2 模糊PI控制器的設(shè)計(jì)：

圖4 模糊PI控制結(jié)構(gòu)圖

以A相位例，圖中ica為A相指令電流，iinva為A相逆變器輸出電流，KP為初始整定的P值，KI為初始整定的I值?！鱇p為模糊控制器輸出的P值的改變值，△KI為模糊控制器輸出的I值的改變值。

將模糊控制器的輸入變量u（k）和△u（k）均分為7個(gè)語言值。即：{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，隸屬度函數(shù)采用靈敏性強(qiáng)的三角函數(shù)。

△Kp的模糊規(guī)則為：

1）如果u（k）的值為NB,△u（k）的值為NB，則△Kp值為PB；

2）如果u（k）的值為PB,△u（k）的值為PB，則△Kp值為NB；

3）如果u（k）的值為NB,△u（k）的值為NS，則△Kp值為PM；

4）如果u（k）的值為NS，△u（k）的值為NS，則△Kp值為NS；

5）如果u（k）的值為0，△u（k）的值為0，則△Kp值為0；

6）如果u（k）的值為PS，△u（k）的值為PS，則△Kp值為NS；

7）如果u（k）的值為PB，△u（k）的值為PS，則△Kp值為NM。

比例環(huán)節(jié)主要為了快速響應(yīng)，因此當(dāng)u（k）值過大或者過小，為提高響應(yīng)速度△Kp的值取反向的最大值。當(dāng)u（k）值較小時(shí)，不宜過大，因?yàn)椤鱇p過大容易引起超調(diào)過大而導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，要合理取值。同時(shí)考慮 的作用，當(dāng)u（k）和△u（k）同號(hào)時(shí)△Kp取小值，反之取大值。

△Kp的模糊規(guī)則為：

1）如果u（k）的值為NB,△u（k）的值為NB，則△KI值為0；

2）如果u（k）的值為PB,△u（k）的值為PB，則△KI值為0；

3）如果u（k）的值為NS，△u（k）的值為NB，則△KI值為0；

4）如果u（k）的值為NS，△u（k）的值為NS，則△KI值為NS；

5）如果u（k）的值為0，△u（k）的值為0，則△KI值為NM；

6）如果u（k）的值為PS，△u（k）的值為PS，則△KI值為PS；

7）如果u（k）的值為PM，△u（k）的值為PM，則△KI值為0。

積分環(huán)節(jié)主要功能為消除靜態(tài)誤差，提高無差度。積分環(huán)節(jié)主要對(duì)誤差進(jìn)行積分，不可避免的存在滯后性，△KI取值過大將增大系統(tǒng)的超調(diào)，嚴(yán)重可能引起振蕩。所以，當(dāng)u（k）值過大或過小時(shí)，△KI取0，只有當(dāng)u（k）值適中時(shí)，積分環(huán)節(jié)的功能才得以體現(xiàn)。

表1 △Kp的模糊規(guī)則

表2 △KI的模糊規(guī)則

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)本文提到的改進(jìn)型ip-iq算法的分頻檢測(cè)和模糊PI雙閉環(huán)控制方法，為了驗(yàn)證這兩種針對(duì)低壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的優(yōu)化措施是否能達(dá)到預(yù)期效果，使用MAT?LAB搭建了仿真模型，參數(shù)為：系統(tǒng)電壓380 V，直流側(cè)電壓為800 V，濾波電抗器0.3 mH，開關(guān)頻率6.4 kHz，負(fù)載采用帶電阻的可控整流器。

在未對(duì)負(fù)載諧波進(jìn)行FFT分析的前提下，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行5,7,11次諧波電流的檢測(cè)和補(bǔ)償，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

圖5為補(bǔ)償前的A相電壓電流波形，可以看出負(fù)荷電流畸變嚴(yán)重，存在較多的低次諧波電流；圖6為經(jīng)過分頻檢測(cè)和模糊PI控制補(bǔ)償后的A相電流波形，雖然電流還是存在少量毛刺，但主要的諧波電流（5,7，11次）都已補(bǔ)償干凈，且滿足實(shí)際系統(tǒng)的諧波電流畸變標(biāo)準(zhǔn)；圖7為直流側(cè)的電壓波形，直流側(cè)能穩(wěn)定在800 V，且超調(diào)很小，穩(wěn)定后波動(dòng)較小，體現(xiàn)出模糊PI控制的高魯棒性。

圖5 補(bǔ)償前A相電壓電流

圖6 補(bǔ)償后A相電流

圖7 直流側(cè)電壓波形

4 結(jié)論

由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用分頻檢測(cè)的補(bǔ)償策略與模糊PI控制相結(jié)合的優(yōu)化措施，能較好補(bǔ)償系統(tǒng)諧波電流，可以達(dá)到為補(bǔ)償無功節(jié)省容量的目的，同時(shí)有源濾波器響應(yīng)速度快，超調(diào)較低，穩(wěn)定性較好，都極大體現(xiàn)了這兩種優(yōu)化的可行性，達(dá)到優(yōu)化的目的。

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