基于PSCAD／EMTDC的混合電力有源濾波器建模與仿真分析

易桂平，胡仁杰

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京210096）

0 引言

對(duì)于嚴(yán)峻的諧波污染問(wèn)題，有源濾波器（APF，Active Power Filter）是提高電能質(zhì)量的有效工具之一［1－2］。對(duì)有源濾波器可以有不同的分類方法，從與負(fù)載聯(lián)結(jié)形式的角度可以分為并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器兩類。并聯(lián)型有源電力濾波器應(yīng)用較為廣泛，主要用于補(bǔ)償可以看作電流源的諧波源；串聯(lián)型有源電力濾波器主要用于補(bǔ)償可以看作電壓型的諧波源。

小容量有源濾波器與大容量無(wú)源濾波器相結(jié)合的混合型電力有源濾波器，集中了有源濾波器不易發(fā)生諧振、跟蹤性能良好但成本高以及無(wú)源濾波器易發(fā)生諧振、成本低的特點(diǎn)，已成為當(dāng)今實(shí)際應(yīng)用的熱點(diǎn)，也是未來(lái)有源濾波技術(shù)的發(fā)展方向。本文利用PSCAD／EMTDC對(duì)混合型電力有源電力濾波系統(tǒng)進(jìn)行了建模與仿真分析。

1 有源濾波器的工作原理

圖1為最基本的有源電力濾波器原理圖。圖1中，es表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。有源電力濾波器系統(tǒng)由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩部分組成。補(bǔ)償電流發(fā)生電路主要由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分組成。其中，指令電流運(yùn)算電路的作用是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量；補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路所得到的補(bǔ)償電流指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。目前主電路均采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）變流器。

APF的基本工作原理是：檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓與電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波和無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電網(wǎng)電流。在圖1中，設(shè)負(fù)載的電流為iL，指令電流運(yùn)算電路檢測(cè)出的諧波iLh作為APF的指令電流i＊c，補(bǔ)償電流發(fā)生電路輸出補(bǔ)償電流ic跟隨指令電流i＊c的變化，ic與iLh抵消，于是電網(wǎng)電流is＝iL－ic＝iLf，即等于負(fù)載的基波電流，使電源電流成為正弦波。若要同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功電流，則只要在補(bǔ)償電流指令信號(hào)中增加與負(fù)載電流基波無(wú)功分量反極性的分量即可。這樣，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波及無(wú)功分量相抵消，電源電流等于負(fù)載電流的基波有功分量。同理，有源電力濾波器還可以對(duì)不對(duì)稱三相電路的負(fù)序電流等進(jìn)行補(bǔ)償［4，5］。

圖1 有源濾波器構(gòu)成原理圖

2 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)法

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip－iq諧波電流檢測(cè)法［6－7］的原理如圖2所示。在圖2中，a相電網(wǎng)電壓ea經(jīng)過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)PLL和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路后，得到與ea同相位的正弦信號(hào)sinωt和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)－cosωt，這兩個(gè)信號(hào)與ia、ib、ic經(jīng)c32變換后得到的eα、eβ和iα、iβ，再經(jīng)過(guò)計(jì)算得出ip－iq，即：

ip和iq經(jīng)LPF濾波得出其直流分量和。再通過(guò)反變換即可求得基波分量iaf、ibf、icf為：

圖2 i p－i q諧波電流檢測(cè)法

3 有源濾波器的控制策略

補(bǔ)償電流控制電路的作用是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路中主電路各個(gè)器件通斷的PWM信號(hào)，控制的結(jié)果應(yīng)實(shí)時(shí)跟隨指令信號(hào)的變化。為了保證補(bǔ)償電流具有良好的實(shí)時(shí)性，電流控制應(yīng)采用跟蹤型PWM控制方式。目前跟蹤型PWM控制的方法主要為滯環(huán)比較方式、三角波比較方式和無(wú)差拍控制方式3種［8，9］。

3.1 滯環(huán)比較方式

采用滯環(huán)比較方式控制的電路原理圖如圖3所示。在該方式中，把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)i＊c與逆變器實(shí)際發(fā)出的補(bǔ)償電流信號(hào)ic進(jìn)行比較，兩者的偏差為Δic。將Δic作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后控制主電路功率器件的通斷，從而控制補(bǔ)償電流ic的變化。滯環(huán)比較器輸出的是一系列寬度相差較大、分布無(wú)規(guī)律的脈沖序列，而且脈沖寬度受滯環(huán)寬度影響較大［10］。

圖3 滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式

由于滯環(huán)控制具有反應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)和不需要了解負(fù)載性質(zhì)（感性負(fù)載或容性負(fù)載）等優(yōu)點(diǎn)，在有源電力濾波器中采用該控制方法是有利的。滯環(huán)控制方式開關(guān)頻率變化范圍大，尤其是ic變化的范圍較大時(shí)，一方面，在ic值較小時(shí)，固定的滯環(huán)寬度可能使補(bǔ)償電流的相對(duì)跟隨誤差過(guò)大；另一方面，在ic值較大時(shí)，固定的滯環(huán)寬度又可能使器件的開關(guān)頻率過(guò)高，甚至可能超出器件允許的最高工作頻率而導(dǎo)致器件損壞。開關(guān)頻率變化范圍大說(shuō)明滯環(huán)控制不僅具有脈沖寬度調(diào)制的特點(diǎn)，而且也含有頻率調(diào)制的成分，是兩種調(diào)制的混合體。但對(duì)于電力變換器控制，一般不希望有頻率調(diào)制。

在滯環(huán)瞬時(shí)比較控制方式中，滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度對(duì)補(bǔ)償電流的跟隨性能有較大的影響。當(dāng)滯環(huán)寬度較大時(shí)，電力半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率較低，故對(duì)開關(guān)器件的要求不高，但是跟隨誤差較大，補(bǔ)償電流中高次諧波較大。反之，當(dāng)滯環(huán)寬度較小時(shí)，雖然跟隨誤差較小，但是開關(guān)頻率較高。因此，在采用滯環(huán)比較的控制方式時(shí)，需要設(shè)置恰當(dāng)?shù)臏h(huán)寬度，必要時(shí)采取變滯環(huán)寬度的方法，才能達(dá)到較好的跟蹤效果。

該控制方法的特點(diǎn)是硬件電路比較簡(jiǎn)單，通常用模擬電路搭建。因該方法屬于實(shí)時(shí)控制方式，因此電流響應(yīng)快。由于不需要載波，輸出電壓中不含有特定頻率的諧波分量。

3.2 三角波比較方式

三角載波調(diào)制控制方式原理圖如圖4所示。這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方式不同。它不直接將指令信號(hào)i＊c與三角波比較，而是將i＊c與ic的偏差Δic經(jīng)放大器A之后再與三角波進(jìn)行比較。放大器A常采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把Δic控制為最小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同瞬時(shí)值比較方式相比，三角載波調(diào)制控制方式具有如下特點(diǎn)：硬件比較復(fù)雜，目前通常采用基于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）為核心的數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)；但與滯環(huán)比較方式相比其跟蹤誤差較大；器件的開關(guān)頻率固定，等于三角載波的頻率；電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式慢［11］。

圖4 三角載波調(diào)制方式原理圖

3.3 無(wú)差拍控制方式

無(wú)差拍控制（Deadbeat Control）利用前一時(shí)刻的補(bǔ)償電流參考值和實(shí)際值，計(jì)算出下一時(shí)刻的電流參考值及各種開關(guān)狀態(tài)下逆變器電流輸出值，選擇某種開關(guān)模式作為下一時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)，從而達(dá)到電流誤差等于零的目標(biāo)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠快速響應(yīng)電流的突然變化，缺點(diǎn)是計(jì)算量大，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。

3.4 應(yīng)用狀況

通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，三角波控制方式和滯環(huán)比較控制方式是目前APF中普遍采用的方法，可通過(guò)多重化技術(shù)、自適應(yīng)滯環(huán)帶寬等改進(jìn)措施來(lái)克服其固有的缺陷，提高使用效率。相對(duì)而言，無(wú)差拍控制方式的應(yīng)用較少，但隨著微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展以及數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算速度的不斷提高，將會(huì)得到進(jìn)一步的應(yīng)用［12－13］。

4 仿真驗(yàn)證

直流電磁暫態(tài)計(jì)算程序EMTDC是一個(gè)新型電磁暫態(tài)計(jì)算程序，具有精確的元件模型、方便的數(shù)據(jù)輸入方式及強(qiáng)大的分析功能，是系統(tǒng)分析和工程研究的有力工具。電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD是圖形用戶界面（GUI，Graphical User Interface）的成功開發(fā)，使得用戶可通過(guò)圖形添加的方式來(lái)解決一些復(fù)雜的電路功能，從而能方便地使用EMTDC進(jìn)行大型電力系統(tǒng)及電力電子電路的仿真計(jì)算。瞬時(shí)無(wú)功功率法檢測(cè)諧波電流仿真結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示?？梢钥闯?，補(bǔ)償電流IFa與指令電流iaRef幾乎同步，基波電流iaf，ibf，icf接近正弦，補(bǔ)償后系統(tǒng)電流較補(bǔ)償前有明顯改善，而且也接近正弦波。

圖5 補(bǔ)償前后a相電流波形

圖6 a相補(bǔ)償電流與指令電流

濾波前后的電流頻譜圖如圖8和圖9所示。補(bǔ)償前，系統(tǒng)a相T HD為20.25%，而且含有5、7、11、13次等高次諧波。補(bǔ)償后系統(tǒng)a相THD為2.65%，高次諧波含量大大減少，補(bǔ)償效果明顯，達(dá)到86.91%。從頻譜圖中可以看出，系統(tǒng)電流基波含量沒有較大變化，說(shuō)明混合電力有源濾波器沒有過(guò)補(bǔ)或欠補(bǔ)。

圖7 a相諧波電流基波分量

圖8 補(bǔ)償前a相電流頻譜圖

圖9 補(bǔ)償后a相電流頻譜圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了混合電力有源濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，給出了利用混合電力有源濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)諧波的一個(gè)基于PSCAD／EMTDC的仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，搭建的混合電力有源濾波器的仿真模型有很好的濾波效果，可以為實(shí)際的研制和試驗(yàn)工作提供參考和依據(jù)，具有一定的指導(dǎo)意義。

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