電力有源濾波器直流側(cè)電壓控制關(guān)鍵技術(shù)的研究

何滿潤，陳新城，程漢湘

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電力有源濾波器直流側(cè)電壓控制關(guān)鍵技術(shù)的研究

何滿潤1，陳新城1，程漢湘2

（1. 廣東電網(wǎng)公司 佛山供電局，廣東 佛山 528000；2. 廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510009）

為了實(shí)現(xiàn)對電力有源濾波器（APF）直流側(cè)電壓的有效控制，本文通過三段式軟啟動建壓措施克服裝置投入瞬間的沖擊電流，并從主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)找到直流側(cè)電壓的取值方法，提出了基于電壓偏差平方值PI控制的策略降低了裝置的空載電流，改善了補(bǔ)償效果. 樣機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況驗(yàn)證了系統(tǒng)控制方案的可行性，對電力有源濾波器的研制以及工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義.

電力有源濾波器；直流側(cè)電壓；軟啟動；平方值PI

非線性和時(shí)變性的用電設(shè)備在電力系統(tǒng)中大規(guī)模的應(yīng)用，導(dǎo)致現(xiàn)代電網(wǎng)中諧波的含量比例越來越高，以至嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行[1-2]. 目前，主要采用無源濾波器（Power Filter，PF）和有源濾波器（Active Power Filter，APF）治理諧波. PF利用電感、電容元件的諧振特性來減小流向電網(wǎng)的諧波電流[3-5]，但它只能對特定諧波進(jìn)行濾波并可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振使諧波分量放大導(dǎo)致無功補(bǔ)償電容器的燒毀甚至爆炸. APF能完成各次諧波的動態(tài)治理且不會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，它是治理電網(wǎng)諧波改善電能質(zhì)量最有效的手段之一[6-8]. 但從實(shí)際的應(yīng)用效果來看其技術(shù)水平還存在不足，主要表現(xiàn)在直流側(cè)電壓控制、諧波電流檢測、裝置擴(kuò)容、功率器件保護(hù)等問題上. 本文通過對一臺應(yīng)用于380 V配網(wǎng)的并聯(lián)型電力有源濾波器樣機(jī)直流側(cè)電壓的分析研究，提出了相應(yīng)的軟啟動措施、穩(wěn)定值選取方法、穩(wěn)定控制策略，改善了其補(bǔ)償效果和動穩(wěn)態(tài)性能，并有效降低了裝置運(yùn)行的空載電流.

1 APF的基本原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 SAPF結(jié)構(gòu)原理框圖

圖2 理想補(bǔ)償特性圖

圖3 三相三線并聯(lián)型APF主電路結(jié)構(gòu)

2 SAPF的直流側(cè)電壓控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SAPF的啟動建壓控制

圖4 150 V線電壓時(shí)直流側(cè)電壓空載硬啟動的波形

圖5 直流側(cè)電容串接限流電阻充電建壓等效電路

此階段若不采取控制措施，通電后流過IGBT橋臂和直流側(cè)電容的電流將出現(xiàn)類似圖4通道1所示的尖峰電流，有可能損壞器件. 產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以用電路原理解釋：

由于直流側(cè)電容電壓初始值為0 V，通電后電容兩端電壓會發(fā)生突變，電壓變化率過高，而流過主電路的電流i與其成正比，必然急劇上升，形成尖峰. 因此本文采取在充電開始時(shí)刻接入限流電阻R來降低電壓突變率，從而抑制充電瞬間的過沖電流，使裝置平穩(wěn)過渡. 一般來說充電開始的10個(gè)電源周波內(nèi)最容易引起電流尖峰，為了確保器件安全，把充電時(shí)間適當(dāng)延長（控制在1～3 s內(nèi)）. 本文樣機(jī)的直流側(cè)電容值為4 700，充電時(shí)間為，因此選取限流電阻的阻值為即可滿足緩沖要求.

第2階段，電壓小幅抬升. 在第一階段預(yù)充電時(shí)間到達(dá)后，主接觸器合閘，其輔助常開觸點(diǎn)K閉合，限流電阻R被短接，此時(shí)等效電路如圖6所示.

由于電阻被短接，因此電容兩端電壓與第一階段相比有小幅度的升高，其值為：

圖7 380 V線電壓時(shí)直流側(cè)電壓空載軟啟動的波形

2.2 直流側(cè)電壓穩(wěn)定值的選取方法

圖8 不同直流側(cè)電壓值下SAPF的空載電流

圖9 不同直流側(cè)電壓值下SAPF的系統(tǒng)電流

2.3 基于電壓偏差平方值的PI控制方法

圖10 包括直流側(cè)電壓控制的諧波電流檢測電路

該方法不僅能達(dá)到直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓目的，還有效減少了SAPF與系統(tǒng)的不必要的能量交換，降低了裝置空載電流的幅值. 從圖11、12的通道1可以看出兩種控制方法均能實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定控制，主要區(qū)別在于圖12通道2所示的空載電流值幅值明顯比圖11通道2小. 與文獻(xiàn)[13]所采用的PI控制相比，本文的控制策略不僅可行而且比較優(yōu)越.

圖11 電壓偏差PI控制時(shí)的直流側(cè)電壓

圖12 電壓偏差平方值PI控制時(shí)的直流側(cè)電壓

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖13給出了SAPF在電壓380 V條件下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的各變量的波形. 可以看到因?yàn)镾APF的補(bǔ)償作用，補(bǔ)償前的方波電流（通道1）已經(jīng)變成近似標(biāo)準(zhǔn)正弦波（通道2），這與圖2理論分析得出的理想補(bǔ)償特性相吻合，且直流側(cè)電壓（通道4）也在設(shè)定值穩(wěn)定運(yùn)行.

4 結(jié)論

本文通過對一臺容量為200 kVA的電力有源濾波器樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了三段式軟啟動建壓策略在抑制尖峰電流上的有效性；通過借鑒直流側(cè)電壓波動的理論，提出了基于直流側(cè)電壓偏差平方值的PI控制法，不僅能有效穩(wěn)定直流側(cè)電壓而且降低了裝置的空載電流、減少能耗，但考慮不同容量的電力有源濾波器在電路參數(shù)上存在一定的差異，下一步有必要在PI參數(shù)的閉環(huán)檢測動態(tài)修改上作更深入的研究，并結(jié)合本文所提出的電壓控制策略，使電力有源濾波的智能化水平不斷提高，在治理電網(wǎng)諧波、補(bǔ)償無功方面發(fā)揮更大的作用.

圖13 系統(tǒng)在380 V線電壓下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)各變量波形

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[責(zé)任編輯：韋 韜]

Key Techniques for DC Side Voltage Control of Active Power Filters

HEMan-run1, CHENXin-cheng1, CHENGHan-xiang2

(1. Foshan Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid, Foshan 528000, China; 2. Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China)

In order to achieve effective control of DC side voltage for active power filters, the input instantaneous shock current from SAPF can be overcome through a three–stage soft start-up measure and the selection method for taking DC side voltage ideal value is obtained based on the main circuit topology. The deviation square value PI control strategy is found to have reduced no-load current and improved system compensation effect. Actual operating conditions of samples verify the feasibility of the system control scheme, which is of guiding significance to the development and engineering application of active power filters.

active power filters; DC side voltage; soft start-up; value-taking method; square value PI

1006-7302（2013）02-0065-06

TM83

A

2012-11-27

何滿潤（1984—），男，廣東佛山人，助理工程師，碩士，主要從事變配電的運(yùn)行以及電網(wǎng)諧波抑制與無功補(bǔ)償工作.