新型三相三線制并聯(lián)有源濾波器的應(yīng)用研究

蔣魯軍 商少鋒

【摘要】隨著現(xiàn)在工業(yè)的發(fā)展，非線性和時(shí)變性電子裝置，如逆變器、整流器和各種開關(guān)電源的大規(guī)模應(yīng)用，帶來了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題。所謂電能質(zhì)量問題是指由于電力系統(tǒng)中接入了非線性負(fù)載而導(dǎo)致的電源電壓和電流的波形畸變、功率因數(shù)地下、相位失真等問題。本文提出了一種新型三相三線制并聯(lián)有源濾波器的控制方法，有效的降低了補(bǔ)償后電源電流的諧波含量，提高了有源濾波器的諧波補(bǔ)償效果。

【關(guān)鍵詞】有源濾波器;諧波補(bǔ)償;滑?？刂?/p>

引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，各種非線性和時(shí)變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開關(guān)電源等大規(guī)模地應(yīng)用，導(dǎo)致了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題。電能質(zhì)量的下降嚴(yán)重影響著供電、用電設(shè)備的安全運(yùn)行，引起世界各國的高度重視[1]。并聯(lián)有源電力濾波器作為補(bǔ)償電力系統(tǒng)中諧波電流的有效裝置，越來越受到人們的關(guān)注。其研究的重點(diǎn)主要包括有源濾波器的建模方法和參考信號跟蹤控制方法。

一、有源濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[2]-[3]采用間接電流控制方法設(shè)計(jì)了并聯(lián)有源濾波器。文獻(xiàn)[2]將滑?？刂品椒ㄟ\(yùn)用到電壓控制，實(shí)現(xiàn)了電源參考電流幅值的計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上建立了直接和間接電流控制有源濾波器。[3]提出了間接電流控制不需要補(bǔ)償電流檢測裝置，只需要電源電壓電流檢測和直流側(cè)電壓檢測裝置。這種方法能有效的減少系統(tǒng)對硬件的需求，且易于DSP實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[4]在傳統(tǒng)滯環(huán)控制的基礎(chǔ)上加入了積分環(huán)節(jié)，構(gòu)造了一種新型滑模控制，有效的降低了電源電流的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。在三相四線制有源濾波器系統(tǒng)中，一些研究者對有源濾波器的一些控制方法進(jìn)行了比較?；？刂剖且环N設(shè)計(jì)和分析緊密結(jié)合，對模型不確定和對外界擾動具有魯棒性的控制方法。該控制方法迫使系統(tǒng)在一定特性下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、搞頻率的上下運(yùn)動，即所謂的“滑動模態(tài)”。因此，滑模變結(jié)構(gòu)控制非常適合用于有源電力濾波器參考電流信號的跟蹤控制。采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計(jì)有源電力濾波器，其中滑?？刂浦C波串聯(lián)補(bǔ)償器并提出了一種離散自適應(yīng)滑模控制理論。本文提出一種新型的滑?？刂品椒ㄓ糜趨⒖茧娏鞯母櫩刂?，并結(jié)合間接電流控制方法設(shè)計(jì)了并聯(lián)有源濾波器，其主要有點(diǎn)如下：

（1）采用間接電流控制技術(shù)的優(yōu)勢在于它不需要諧波檢測裝置，只需要電源電壓、電流檢測裝置和補(bǔ)償電路直流側(cè)電壓檢測裝置。較直接電流控制技術(shù)，間接電流控制方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，硬要需求，諧波補(bǔ)償效果好，且易于DSP實(shí)現(xiàn)

（2）與滯環(huán)比較控制方法相比，新型積分滑?？刂品椒ㄓ糜趨⒖茧娏鞲櫩刂?，可以降低電流跟蹤誤差，提高有源濾波器的諧波補(bǔ)償效果。即使在電源電壓含有諧波和負(fù)載變化情況下，所設(shè)計(jì)的新型滑模控制間接電流控制有源濾波器仍然具有良好的諧波處理效果。

二、三線三相制并聯(lián)有源濾波器的控制算法研究

為了簡化分析，假設(shè)并聯(lián)有源濾波器中的IGBT是理想器件，忽略IGBT的等效電阻以及“開”狀態(tài)的向上切換時(shí)間和“關(guān)”狀態(tài)的向下切換時(shí)間，整個(gè)系統(tǒng)包含以下幾部分：

補(bǔ)償電路：補(bǔ)償電路通過產(chǎn)生與諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，抵消負(fù)載電流中的諧波分量，使電源電流成為與電壓同相位的正弦波電流。

參考電流信號計(jì)算模塊：本設(shè)計(jì)采用PI調(diào)節(jié)器控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定，并將PI控制器輸出經(jīng)過低通濾器處理后與sin（wt）、sin（wt+120o）、sin（wt-120o）相乘用作電源參考電流幅值ISp。參考電流應(yīng)該與電源電壓同相位。

滑模變結(jié)構(gòu)控制器：滑模變結(jié)構(gòu)控制器采用一種新型積分位置跟蹤滑?？刂品椒?。滑?？刂破鬏敵鼋?jīng)過滯環(huán)比較控制器生成PWM控制信號（g1、g2、g3、g4、g5、g6）。

測量儀器：用于測量電源電壓、電流和直流側(cè)電壓。

定義（iSa、iSb、iSc）為電源電流，（iLa、iLb、iLc）為負(fù)載電流，（ica、icb、icc）為補(bǔ)償電流。根據(jù)基爾霍夫電流定律得：

（1）

三相三線制有源濾波器的狀態(tài)方程如下：

（2）

其中：

（3）

開關(guān)函數(shù)ji=0或者，i=a、b、c。

電源電流參考信號（iSaref、iSbref、iScref）由參考電流信號發(fā)生器產(chǎn)生，為了使生成的電源參考電流與電源電壓具有相同的相位，本設(shè)計(jì)采用3個(gè)鎖相環(huán)構(gòu)造單位正弦信號（sin wt，sin（wt-120o），sin（wt+120o）。PI控制器主要用于控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定。負(fù)載電流幅值通過PI控制器輸出與比例因子k相乘實(shí)時(shí)估計(jì)。為了獲得相對穩(wěn)定的幅值信號，本設(shè)計(jì)采用低通濾波器過濾參考電源電流幅值信號Iref的高頻分量。間接電流控制方法的電源電流參考信號可以由單位正弦信號（sin wt，sin（wt-120o），sin（wt+120o）與參考電源電流幅值信號Iref相乘構(gòu)造。

滑?？刂朴捎诰哂锌焖傩院蛯Υ蠓秶?fù)載變化的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于有源濾波器的控制。假設(shè)電源電流為（iSa、iSb、iSc），電源參考電流為（iSa、iSb、iSc），跟蹤誤差誤差為ea、eb、ec，則：

（4）

誤差變化率為：

（5）

滑模變結(jié)構(gòu)控制器的控制量可以表示為ui=kei，其中i=a、b、c。

有源濾波器的控制信號為電容兩端電壓Vdc。外環(huán)PI控制回路控制Vdc穩(wěn)定。根據(jù)切換函數(shù)Si與IGBT門控制信號的關(guān)系得：當(dāng)Si為正時(shí)，i相電橋上橋臂IGBT導(dǎo)通，下橋臂IGBT關(guān)斷;當(dāng)Si為負(fù)時(shí)，i相電橋上橋臂IGBT關(guān)斷，下橋臂IGBT導(dǎo)通。

三、仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)條件下，采用MITLAB進(jìn)行仿真。非線性負(fù)載由通用電橋和RL串聯(lián)支路構(gòu)成。仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

圖1 三相三線并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu)圖

A相負(fù)載電流波形、參考電流幅值信號波形、電源參考電流波形符合國家標(biāo)準(zhǔn)。從結(jié)果可以看出，各階段參考電流幅值平均值與負(fù)載電流幅值大小相等。當(dāng)能量流入補(bǔ)償電路時(shí)，補(bǔ)償電流增大;當(dāng)能量流出補(bǔ)償電路時(shí)，補(bǔ)償電流減小。參考電流幅值平均值與負(fù)載電流幅值相等可以保證主電路與補(bǔ)償電路之間能量流動量最小，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有源濾波器的諧波補(bǔ)償效果。

為了簡化分析，我們設(shè)計(jì)電容電壓初始值為350V。PI控制器用于直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制，電壓參考值與穩(wěn)定值之間的差值用于負(fù)載電流幅值的計(jì)算。直流側(cè)電壓參考值與穩(wěn)定之間的差值隨著負(fù)載電流的增大而增大。PI控制器輸出與負(fù)載電流幅值成比例，比例因子為k，因此，PI控制器輸出與比例因子相乘用于計(jì)算參考電源電流幅值。為了減少幅值信號的抖振，采用低通濾波器濾除信號中的高頻成分。

補(bǔ)償后的電源電流波形、補(bǔ)償電流、電流跟蹤誤差符合要求，在對負(fù)載電流、處理后電源電流進(jìn)行諧波分析。根據(jù)2000年國際電工委員會（IEC）頒布的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)IEC-61000，低壓電網(wǎng)諧波含量必須小于5%。補(bǔ)償前負(fù)載電流THD=24.72%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國際標(biāo)準(zhǔn)。采用滯環(huán)比較法間接電流控制有源濾波器處理后，電源電流諧波含量為3.35%。采用新型滑模變結(jié)構(gòu)間接電流控制有源濾波器處理后，電源電流諧波含量降低為2.51%。

四、結(jié)論

本文在間接電流控制有源濾波器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，用于內(nèi)環(huán)電路電源電流的跟蹤控制。PI控制器用于直流側(cè)電壓控制，其輸出信號與比例因子k相乘后得到幅值信號。電源電流幅值信號與三相單位正弦信號相乘構(gòu)成與電源電壓同相位的電源電流的參考信號。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以觀察系統(tǒng)對外界負(fù)載變化的魯棒性和適應(yīng)性。系統(tǒng)生成的電源電流參考信號與電源電壓同相位。新型滑模變結(jié)構(gòu)控制方法比滯環(huán)比較法具有更好的電流跟蹤性能，所設(shè)計(jì)的滑?？刂破骺梢蕴娲鷾h(huán)比較控制器以提高有源濾波器的諧波補(bǔ)償效果。間接電流控制方法硬件需求少，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，未來可以考慮采用自適應(yīng)控制、智能控制等先進(jìn)控制理論，提高有源濾波器的諧波補(bǔ)償效果。

參考文獻(xiàn)

[1]姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器結(jié)構(gòu)、原理、控制[M].科學(xué)出版社：北京，2005.

[2]D.Nedeljkovic，M.Nemec，K.Drobnic，V.Ambrozic.Direct current control of active power filter without filter current measurement[C].International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives， Automation and Motion.2008：72-76.

[3]B.Singh.Sliding mode control technique for indirect current controlled active power filter[C].2003 Annual Technical Conference of IEEE Region 5.2003：51-58.

[4]D.Stanciu，M.Teodorescu，A.Florescu，D.Stoichescu. Single-phase active power filter with improved sliding mode control[C].2010 Conference on Automation Quality and Testing Robotics.2010：1-5.