有源電力濾波器直流側(cè)電壓的選取和控制

丁穩(wěn)房，桂 寒，王 兵，陳 群

（1湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢430068；2南京軍區(qū)空軍司令部，江蘇 南京210018）

有源電力濾波器APF是一種新型的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償裝置.它由四個(gè)部分組成：指令運(yùn)算電路，電流跟蹤控制電路，驅(qū)動(dòng)電路及主電路，其中直流側(cè)電容為逆變器主電路提供穩(wěn)定的直流電壓.為了保證有源電力濾波器在輸出補(bǔ)償電流時(shí)各橋臂晶體管導(dǎo)通條件和補(bǔ)償電流跟蹤的速度，直流側(cè)電壓不能過(guò)小，同時(shí)電壓也不能過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致電容體積及其成本增加，所以需要根據(jù)實(shí)際情況及精度要求綜合考慮來(lái)選取直流側(cè)電壓的大小；為使有源電力濾波器正常工作，達(dá)到所要求的補(bǔ)償效果，必須控制直流側(cè)電容電壓保持穩(wěn)定，使系統(tǒng)能在進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜魏嗡查g根據(jù)控制要求輸出所需的補(bǔ)償電流，但由于補(bǔ)償電流的時(shí)變性和逆變器的自身?yè)p耗，如不采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，直流?cè)電容電壓將產(chǎn)生很大的波動(dòng)或衰減，這都會(huì)使逆變器補(bǔ)償效果不理想，甚至不能正常運(yùn)行［1］.

1 直流母線電壓的選擇

直流側(cè)電壓的選取主要是根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)以及諧波補(bǔ)償?shù)囊鬀Q定，同時(shí)考慮到實(shí)際情況得到一個(gè)合適的電壓值［2］.假定直流側(cè)電容電壓為恒定值Udc，e為電源電壓，u為APF交流側(cè)輸出電壓，此處非線性負(fù)載為三相不控整流橋，所有電壓均以系統(tǒng)的電源電壓的中性點(diǎn)o為參考點(diǎn)，則圖1中三相電路瞬時(shí)值方程為：

以A相為例：

定義：

電源電壓ea和交流側(cè)輸出電壓ua之間的差值使得有源電力濾波器發(fā)出實(shí)際的補(bǔ)償電流ia，并使得ia和參考補(bǔ)償電流相等.

電壓矢量usa由交流側(cè)接口電感L，參考補(bǔ)償矢量和電網(wǎng)電壓矢量ea決定，而APF交流側(cè)輸出矢量ua的幅值則和直流側(cè)電容電壓直接相關(guān).

圖1 并聯(lián)型三相三線制有源電力濾波器主電路

有源電力濾波器的直流側(cè)電容電壓的選取和交流側(cè)接口電感L，特定的被補(bǔ)償非線性負(fù)載（其決定了參考補(bǔ)償電流）和電網(wǎng)電壓緊密相關(guān).

假設(shè)被補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載是直流側(cè)帶大電感的三相不控整流橋，其交流側(cè)的相電流

式中：id是負(fù)載直流側(cè)電感電流，并且假設(shè)只對(duì)25次以下諧波進(jìn)行補(bǔ)償.

根據(jù)式（1）分析可知，為了使有源電力濾波器的實(shí)際補(bǔ)償電流和參考電流的差值逐漸變小，使得實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流趨近參考電流以滿足補(bǔ)償要求，需要以下關(guān)系成立：

從a－b－c坐標(biāo)到α－β坐標(biāo)變換矩陣為：

Em為電網(wǎng)電壓的幅值，表示參考補(bǔ)償電流n次諧波分量的幅值.由上式得：

綜合式（2）、（3）可得：

Ea為usa的幅值，若采用三角載波比較法產(chǎn)生PWM波形，在線性調(diào)制區(qū)內(nèi)，對(duì)應(yīng)電壓調(diào)制比m＝1時(shí)，逆變器交流側(cè)輸出的線電壓幅值

由此可以得到滿足補(bǔ)償要求的有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的臨界值：

式中：

式中：ωt∈ （0，2π）.

從式（4）～（6）可以看出，有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的臨界值選取和補(bǔ)償電流、交流側(cè)接口電感等參數(shù)密切相關(guān)，而不是一個(gè)固定不變的數(shù)值.

假設(shè)參考補(bǔ)償電流只含有單次諧波（某一次諧波）nth，且有n＞1，則式（5）可簡(jiǎn)化為：

此外：

令負(fù)載電流的有效值為I，則有：

本實(shí)驗(yàn)裝置中負(fù)載電流的有效值為20A，APF交流側(cè)電感為0.1mH，根據(jù)式（7）～（9）可以計(jì)算出udc＞560V.

實(shí)際情況中一般要補(bǔ)償?shù)揭?guī)定的諧波次數(shù)，并考慮到跟蹤速度以及電容值的選取，本實(shí)驗(yàn)裝置選擇udc＝800V［3，4］.

2 直流側(cè)電壓的控制

對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制最直接的方法是，通過(guò)二極管整流電路為直流側(cè)的電容再提供一個(gè)單獨(dú)的直流電源，這種方法雖然能夠達(dá)到控制直流側(cè)電容電壓的目的，但需要另設(shè)一套電路，于是增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，從而使得系統(tǒng)的成本、損耗變大，現(xiàn)在已經(jīng)不采用這一傳統(tǒng)方法.實(shí)際上，APF直流側(cè)電壓變化的速度并不快，大約為電流跟蹤速度的1／10，只需要對(duì)主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂萍纯蓪?shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的控制［5］.

2.1 直流側(cè)電壓控制模型

通常采用的直流側(cè)控制的基本思想是：根據(jù)直流側(cè)電容電壓的實(shí)際測(cè)量值udc與基準(zhǔn)值uset之差，通過(guò)一種控制方法得到調(diào)節(jié)結(jié)果Δip，將此調(diào)節(jié)結(jié)果疊加到有功電流的直流分量上，通過(guò)補(bǔ)償電流生成電路產(chǎn)生與其相應(yīng)的補(bǔ)償電流，使得APF輸出的補(bǔ)償電流中除了包含所需的諧波分量外還包含一定的基波電流有功分量，從而使APF的直流側(cè)與交流側(cè)產(chǎn)生能量交換，將udc調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)值.

在濾波器工作過(guò)程中，諧波電流檢測(cè)采用ip-iq法，可以得到有源濾波器的工作流程圖（圖2）.

圖2 直流側(cè)電壓控制原理框圖

2.2 電壓控制方法的選取

簡(jiǎn)單PI控制原理如圖3所示，該方法能對(duì)直流側(cè)電壓起到有效的控制作用，但由于控制系統(tǒng)存在嚴(yán)重的非線性，導(dǎo)致電壓波形呈現(xiàn)較大的超調(diào)量和靜差，響應(yīng)速度也慢，同時(shí)PI控制參數(shù)的選擇困難且適應(yīng)區(qū)域較小.

圖3 簡(jiǎn)單PI控制原理

針對(duì)PI控制的缺點(diǎn)，本文在PI控制的基礎(chǔ)上做簡(jiǎn)單的處理，把直流側(cè)電壓的能量偏差作為電壓控制的輸入量.即

式中，C為逆變器直流側(cè)電容值；e為APF系統(tǒng)接入點(diǎn)基波電壓的有效值，t為電容充電時(shí)間［6］.

由于充電時(shí)間不便于從實(shí)際運(yùn)行的系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣得到，可以用系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間近似代替，并加入一個(gè)限幅環(huán)節(jié)，以免運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)的情況下該參數(shù)太大影響控制效果，一般情況下從啟動(dòng)開(kāi)始0.01s之后電壓就穩(wěn)定下來(lái)，所以在仿真實(shí)驗(yàn)中將t限制在0.01s內(nèi)，根據(jù)該控制量的計(jì)算式，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)t＝0，Δip將為無(wú)窮大，以免系統(tǒng)仿真時(shí)出現(xiàn)故障，可以給t設(shè)定一個(gè)下限，不妨令t0＝0.000 01s.

圖4 能量PI控制原理框圖

能量PI控制方法（圖4）實(shí)質(zhì)上是將原來(lái)非線性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了線性化，減少了被控系統(tǒng)非線性因素的影響，這樣處理之后擴(kuò)大了PI控制對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的適應(yīng)范圍，減少了系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間，只是仍然存在較大的超調(diào)量，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和一般PI控制得到的電壓波形一樣，在實(shí)際的運(yùn)行系統(tǒng)中一般先將電容電壓通過(guò)升壓電路充電至設(shè)定的電壓之后，再投切到諧波補(bǔ)償運(yùn)行狀態(tài)，所以只要控制系統(tǒng)較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)就可以滿足正常運(yùn)行的要求.

3 實(shí)驗(yàn)論證

本文用MATLAB中的SIMULINK仿真模塊對(duì)以上兩種方法進(jìn)行了仿真比較.仿真參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)電壓非線性負(fù)載為三相不控整流橋的電感L＝1mH，電阻R＝20Ω；交流側(cè)電感L＝1mH，直流側(cè)電容C＝100uF，電容電壓初始值設(shè)為0V.經(jīng)仿真得到一般PI調(diào)節(jié)電路中P＝0.001，I＝20；改進(jìn)后的能量PI調(diào)節(jié)電路中P＝0.02，I＝128.

直流側(cè)電壓控制部分的仿真模塊見(jiàn)圖5.仿真波形見(jiàn)圖6、圖7.

由以上仿真結(jié)果可以看出采用能量PI控制法時(shí)，電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)時(shí)間較短，并且在電壓達(dá)到穩(wěn)定值期間相對(duì)于一般PI調(diào)節(jié)法得到的波形比較平滑.兩種方法都存在較大的超調(diào)，這主要是因?yàn)榧尤肟刂葡到y(tǒng)的基波補(bǔ)償電流大于實(shí)際所需要的基波電流的緣故.在電壓穩(wěn)定之后，系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行，經(jīng)諧波分析可知，二者均能將諧波比率控制在1.65%左右，從而驗(yàn)證了這種方法的可行性.

4 結(jié)語(yǔ)

直流側(cè)電壓的選擇和控制是有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)濾波功能的關(guān)鍵，文章從諧波電流的補(bǔ)償原理出發(fā)，在估算直流側(cè)電壓時(shí)避開(kāi)了復(fù)雜的逆變橋分析，直接通過(guò)計(jì)算的方法得到了濾波器交流側(cè)電壓的表達(dá)式，然后根據(jù)直流電壓利用率得到直流側(cè)電壓需要滿足的基本條件；并分析比較了兩種簡(jiǎn)單的直流側(cè)電壓控制方法，一般PI控制法和能量PI控制法，即將非線性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)線性化之后再進(jìn)行PI控制，通過(guò)仿真結(jié)果分析：該方法得到的電壓的穩(wěn)定速度得到了提高，并能獲得一樣的補(bǔ)償效果.

［1］王兆安，楊 軍，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償［M］.第二版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］劉威葳.三相四線制有源電力濾波器物理模擬裝置的研制［D］.武漢：華中科技大學(xué)圖書(shū)館，2008.

［3］耿 攀.三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器設(shè)計(jì)與控制［D］.武漢：華中科技大學(xué)圖書(shū)館，2006.

［4］周雪松，周永兵，馬云斌，等.并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓分析［J］.中國(guó)電力，2009，42（2）：24－29.

［5］常鵬飛，汪繼倫，王 彤，等.三相四線制有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（8）：75－78.

［6］楊朝暉.并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)圖書(shū)館，2008.