電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF混合無源非線性控制策略

張 宇, 程啟明, 程尹曼, 譚馮忍, 高 杰, 余德清

(1. 上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院, 上海市200090; 2. 上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海市 200090;3. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 上海市 201804)

電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF混合無源非線性控制策略

張 宇1,2, 程啟明1,2, 程尹曼3, 譚馮忍1,2, 高 杰1,2, 余德清1,2

(1. 上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院, 上海市200090; 2. 上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海市 200090;3. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 上海市 201804)

電容中點(diǎn)式三相四線制并聯(lián)型有源濾波器(SAPF)相比于三相三線制SAPF,附加了零序電流通路,因而可在電網(wǎng)平衡/不平衡時補(bǔ)償非線性負(fù)荷產(chǎn)生的各次諧波、零序及無功電流。利用SAPF的無源性對其進(jìn)行非線性的無源控制(PBC)可取得較常規(guī)的線性和非線性控制器更好的補(bǔ)償效果,且在電網(wǎng)不平衡時無需檢測和處理諧波電流的正負(fù)序分量。文中提出了一種電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的混合無源控制策略。首先,根據(jù)被控對象SAPF在dq0坐標(biāo)系下的Euler-Lagrange數(shù)學(xué)模型分析其無源性,并計(jì)算得到了能使被控量收斂至期望值的SAPF內(nèi)環(huán)電流無源控制規(guī)律;然后,采用阻尼注入法對其進(jìn)行簡化,得到能使內(nèi)環(huán)補(bǔ)償電流完全解耦的新的無源控制規(guī)律,提高系統(tǒng)的動態(tài)性能;接著,根據(jù)直流側(cè)總電壓和差壓與補(bǔ)償電流存在緊密聯(lián)系,設(shè)計(jì)了基于2階低通濾波器控制的SAPF外環(huán)電壓控制器;最后,通過Simulink軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了將文中混合PBC用于SAPF控制的可行性和優(yōu)越性,相比于傳統(tǒng)的比例—積分控制,所提出的控制方法有更快的響應(yīng)速度和更好的補(bǔ)償效果。

并聯(lián)型有源濾波器; 三相四線制; 電容中點(diǎn)式; 電網(wǎng)不平衡; 無源控制; 2階低通濾波控制

0 引言

近年來,隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)中半導(dǎo)體非線性負(fù)荷日益增多,這些負(fù)荷的引入會產(chǎn)生大量諧波和無功,對電網(wǎng)的電能質(zhì)量構(gòu)成威脅[1]。并聯(lián)型有源濾波器(shunt active power filter,SAPF)作為一種性能理想的動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,與傳統(tǒng)的無源濾波器相比具有更好的補(bǔ)償效果和經(jīng)濟(jì)效益[2],因而得到了廣泛應(yīng)用。

三相三線制SAPF發(fā)展較為成熟,但其忽略了對零序分量的處理,三相四線制SAPF克服了這一缺點(diǎn),不僅能夠?qū)θ嗥胶庀到y(tǒng)的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償,而且能夠?qū)﹄娋W(wǎng)不平衡時非線性負(fù)荷產(chǎn)生的零序諧波分量進(jìn)行補(bǔ)償[3]。目前三相四線制SAPF的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有電容中點(diǎn)式、四橋臂和3個單相全橋電路形式。由于電容中點(diǎn)式使用的開關(guān)器件最少,因此出于成本等綜合因素考慮,本文選擇電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF作為研究對象。

當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一定時,SAPF的性能主要取決于控制策略。目前SAPF的控制策略大致分為線性和非線性兩類。其中:線性控制的設(shè)計(jì)主要依據(jù)局部線性化方法[4],但SAPF的動態(tài)方程是非線性的,因此該方法對SAPF的控制效果不佳。無源控制(passivity-based control,PBC)是研究非線性系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要工具,是近年來研究的熱點(diǎn)。例如,文獻(xiàn)[5]將改進(jìn)的PBC應(yīng)用于單相不間斷電源逆變器中,不僅獲得了高質(zhì)量的電壓,而且減小了諧波。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種基于無源理論的脈寬調(diào)制控制器,有效解決了電網(wǎng)電壓不平衡條件下直流側(cè)電壓出現(xiàn)2次諧波和交流側(cè)出現(xiàn)負(fù)序電流的問題。文獻(xiàn)[7]將PBC應(yīng)用到常規(guī)SAPF中,取得了較好的控制效果。但目前未見將PBC應(yīng)用到電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的相關(guān)文獻(xiàn)。

由于三相四線制SAPF有中線的存在,因此其不但要具有三相三線制SAPF的性能,還要實(shí)現(xiàn)中線電流及均壓控制。為此,文獻(xiàn)[8]提出了零序電流控制法,但只給出了設(shè)計(jì)方法并無理論分析和推導(dǎo);文獻(xiàn)[9]將各次諧波的正、負(fù)、零序分量和無功分量分離出來,提出了一種同時檢測負(fù)荷電流和電源電流的前饋加反饋控制策略,但該方法的計(jì)算量大,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜;文獻(xiàn)[10]提出了三閉環(huán)控制策略,總電壓環(huán)和差壓環(huán)均采用傳統(tǒng)的比例—積分(PI)控制,此法存在調(diào)試難度大、難以保證SAPF有良好的動靜態(tài)特性的問題。

為此,本文提出了電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的新控制方法——混合無源控制策略。此法是將SAPF的電流內(nèi)環(huán)采用PBC,SAPF的電壓外環(huán)采用2階低通濾波控制的混合PBC控制方法。首先,建立被控對象SAPF的歐拉—拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)模型,根據(jù)其嚴(yán)格無源性可得到能使內(nèi)環(huán)補(bǔ)償電流完全解耦的PBC規(guī)律;接著,外環(huán)電壓選擇控制效果較好的2階低通濾波器控制;最后,通過仿真和實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本文提出的混合PBC控制策略用于電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF控制的有效性和可行性。

1 電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的數(shù)學(xué)模型

電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的主電路結(jié)構(gòu)如附錄A圖A1所示。為了建立其數(shù)學(xué)模型,假設(shè):①半導(dǎo)體開關(guān)器件是理想開關(guān);②三相的濾波電感Lf和濾波電阻Rf是對稱的;③直流側(cè)2個電容Cf1和Cf2無等效串聯(lián)電阻,且Cf1=Cf2=Cf。圖中,Vsj(j=a,b,c)為三相電源的相電壓;VLj為公共連接點(diǎn)(PCC)處的電壓;Vdc1和Vdc2分別為Cf1和Cf2兩端電壓;isj為三相電源電流;iLj為三相負(fù)荷電流;ifj為三相SAPF補(bǔ)償電流,正方向如圖A1中所示;非線性負(fù)荷為單相整流橋后串聯(lián)阻感性負(fù)載RL和LL;isn,iLn和ifn分別為電源、負(fù)荷和補(bǔ)償電流的零序分量;Sj為三相SAPF的開關(guān)函數(shù),其定義為:

(1)

根據(jù)附錄A圖A1和基爾霍夫定律,運(yùn)用狀態(tài)空間平均法,選取SAPF輸出側(cè)電感電流ifj,直流側(cè)電容電壓差ΔVdc=Vdc1-Vdc2和直流側(cè)總電壓∑Vdc=Vdc1+Vdc2為狀態(tài)變量,可得SAPF在三相靜止abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為[11]:

(2)

根據(jù)坐標(biāo)變換理論,采用等功率變換,由式(2)可得電容中點(diǎn)式SAPF在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為:

(3)

式中:ifd,ifq,if0,Sd,Sq,S0和VLd,VLq,VL0分別為SAPF輸出側(cè)電感電流、開關(guān)函數(shù)和PCC處電壓在dq坐標(biāo)系下的d,q,0分量;ω為電源角頻率。

將上式寫成PBC要求的EL方程形式為[12]:

(4)

其中,

J=

式中:M為由儲能元件構(gòu)成的正定對角陣;J為反對稱矩陣,即J=-JT,反映了系統(tǒng)內(nèi)部的互聯(lián)結(jié)構(gòu);R為對稱半正定矩陣,反映了系統(tǒng)的耗散特性;u為輸入,反映了系統(tǒng)與外部的能量交換。

2 電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的混合無源控制策略

圖1 電容中點(diǎn)式SAPF的混合無源控制框圖Fig.1 Diagram of mid-point capacitor SAPF based on hybrid passivity-based control

電流內(nèi)環(huán)采用基于EL模型的PBC,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償精度和動態(tài)性能。諧波電流指令提取采用dq0諧波檢測法[13]。

2.1 電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的嚴(yán)格無源性分析

從能量的角度出發(fā),只要系統(tǒng)的能量得以控制,系統(tǒng)的被控量就能達(dá)到期望值[14]。PBC就是從系統(tǒng)的能量入手,通過尋找與被控物理量相關(guān)的能量存儲函數(shù),使系統(tǒng)在滿足全局漸近穩(wěn)定的條件下達(dá)到期望的控制效果。它可通過選擇不同的阻尼注入方法,設(shè)計(jì)多種高性能的無源控制方法,從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

對m輸入m輸出系統(tǒng):

(5)

式中:x∈Rn;u∈Rm為輸入;y∈Rm為輸出,是關(guān)于x的連續(xù)函數(shù);f是關(guān)于(x,u)的局部Lipschitz函數(shù)。

當(dāng)且僅當(dāng)存在半正定且連續(xù)可微的能量存儲函數(shù)H(x)和正定函數(shù)Q(x),使得耗散不等式滿足:

(6)

對輸入為u、輸出為y及能量供給率為uTy的系統(tǒng)成立,則該系統(tǒng)是嚴(yán)格無源的[15]。

對于式(4)的電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF系統(tǒng),其能量存儲函數(shù)H(x)=xTMx/2,則有:

xT(u-Jx-Rx)=uTx-xTRx

(7)

只要令y=x和Q(x)=xTRx,則滿足式(6),即證明了電容中點(diǎn)式SAPF系統(tǒng)是嚴(yán)格無源的。

2.2 電流內(nèi)環(huán)的無源控制器設(shè)計(jì)

采用PBC的目的是使各被控量達(dá)到期望值。為此,令誤差變量xeg=x-xref,xref為系統(tǒng)的期望平衡點(diǎn)。由式(4)可得:

(8)

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)單位化、電源電流正弦化、直流側(cè)電容電壓達(dá)到期望值以及均壓控制,xref取為:

(9)

式中:iLdh,iLqh,iL0h分別為iL的諧波分量在dq0坐標(biāo)系下的分量。

取誤差能量存儲函數(shù)為:

(10)

只要使Heg收斂到0,則xeg也能收斂到0,即可達(dá)到PBC的目的。

為了使系統(tǒng)快速收斂到期望值,使誤差能量存儲函數(shù)快速變?yōu)?,可采用阻尼注入的方法來加快系統(tǒng)的能量耗散[16],從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度。注入阻尼耗散項(xiàng)為:

Rdxeg=(R+Ra)xeg

(11)

式中:Ra為與矩陣R形式相似的半正定對角陣,設(shè)為Ra=diag{ra1,ra2,ra3,0,0}。

結(jié)合式(10)和式(11)可將式(8)改寫為:

Jxref+Rxref-Raxeg)

(12)

為了確保系統(tǒng)的嚴(yán)格無源性,選取控制規(guī)律為:

(13)

此時,

(14)

結(jié)合式(3)和式(4)求解式(13),可得開關(guān)函數(shù)在dq0軸的分量為:

(15)

將式(15)代入式(3)得:

(16)

由式(16)可知,由該阻尼注入法和控制規(guī)律(式(13))得到的系統(tǒng)存在很強(qiáng)的耦合。為了解決這一問題,利用“無功力”簡化該系統(tǒng)[17],將式(12)變形為:

(17)

為了確保系統(tǒng)的嚴(yán)格無源性,選取新的控制規(guī)律:

(18)

此時,

(19)

再結(jié)合式(3)和式(4)求解式(18),可得新的開關(guān)函數(shù)在dq0軸的分量為:

(20)

再將式(20)代入式(3)得:

(21)

2.3 電壓外環(huán)的2階低通濾波器控制

由電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF在abc坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型式(2)和在dq0坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型式(3)均可看出,補(bǔ)償電流和直流側(cè)電壓聯(lián)系緊密。因此,為了保證SAPF的補(bǔ)償效果,必須對電壓進(jìn)行控制。本文分別采用傳統(tǒng)的PI控制、2階低通濾波控制進(jìn)行SAPF控制,并比較其控制效果。

1)直流側(cè)總電壓∑Vdc的控制

忽略SAPF交流側(cè)濾波電感、逆變器、直流側(cè)電容等的損耗及紋波影響,結(jié)合瞬時無功功率理論,根據(jù)交流側(cè)和直流側(cè)的瞬時能量平衡原理可得直流側(cè)總電壓∑Vdc的開環(huán)傳遞函數(shù)G0(s)為[18]:

(22)

式中:IH為引起直流側(cè)電壓波動的基波電流的有效值。

(23)

傳統(tǒng)的PI控制和典型的2階低通濾波器的傳遞函數(shù)F1(s)和F2(s)分別為[19]:

(24)

(25)

式中:KP為比例系數(shù);KI為積分系數(shù);K為濾波器增益;ζ為阻尼比;ωc為截止頻率。

為了提高動態(tài)性能指標(biāo)超調(diào)量δ及調(diào)節(jié)時間ts,PI控制器的參數(shù)選為KP=0.2,KI=0.08;2階低通濾波器控制的參數(shù)選為K=1,ζ=5,ωc=60 Hz。

附錄A圖A2為直流側(cè)總電壓不加任何控制、加PI控制和加2階低通濾波器控制后,直流側(cè)總電壓開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。由附錄A圖A2可見,未加控制前,其幅頻特性曲線以-20 dB/s穿過0 dB,且截止頻率為165 Hz,系統(tǒng)的相位裕度很大,但是高頻部分的衰減性能不理想;加上PI控制或2階低通濾波器控制后,截止頻率均減小,均可控制在50 Hz以內(nèi),且加上2階低通濾波器控制后,在中高頻段衰減性能更好。因此,本文選擇了2階低通濾波器控制。

2)直流側(cè)差壓ΔVdc的控制

分析式(2)與附錄A圖A1可知,疊加在三相指令電流中的零序電流與直流側(cè)差壓ΔVdc之間關(guān)系為:

(26)

經(jīng)拉普拉斯變換后可得:

(27)

實(shí)驗(yàn)中PI控制器的參數(shù)選為:KP=0.05,KI=1;2階低通濾波器的參數(shù)選為:K=1,ζ=4,ωc=40 Hz。附錄A圖A3為直流側(cè)差壓不加任何控制、加PI控制和加2階低通濾波器控制后,直流側(cè)差壓開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖。

由附錄A圖A3可見,加上PI控制或2階低通濾波器控制后,截止頻率減小,且2階低通濾波器的控制性能更好。因此,本文選擇了控制性能更好的2階低通濾波控制。

3 電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的混合無源控制仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的混合無源控制的可行性和優(yōu)越性,利用Simulink對電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,并在單相電源短路接地時,將本文所提出的混合無源控制策略與傳統(tǒng)的PI控制策略進(jìn)行了仿真比較。

3.1 三相電網(wǎng)電壓平衡時狀況

圖2 三相電網(wǎng)電壓平衡時仿真曲線Fig.2 Simulation curves when three-phase voltage is balanced

由圖2可見,補(bǔ)償前(t=0～0.2 s),a相電源電流非正弦且諧波含量較大,總諧波畸變率(THD)為24.89%;經(jīng)SAPF補(bǔ)償后(t=0～0.2 s),電源電流正弦化,諧波含量大大降低,THD下降至3.44%;經(jīng)電壓外環(huán)控制后,直流側(cè)總電壓能維持在800 V,且紋波較小;上下電容兩端電壓差也能近似為0。t=0.2 s加載時,負(fù)載電流突增一倍,約需0.05 s達(dá)到新的穩(wěn)態(tài);t=0.4 s卸載后,也能快速達(dá)到新的穩(wěn)態(tài),驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)特性。

3.2 三相電網(wǎng)電壓不平衡時狀況

1)三相電壓幅值不平衡

三相abc電源電壓的有效值分別為220,150,192 V;其他參數(shù)與電網(wǎng)平衡時一致,無加載和卸載過程。仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見,經(jīng)本文控制方法下的SAPF補(bǔ)償后,各相電源電流近似為正弦波,電網(wǎng)功率因數(shù)近似為1,且THD大大降低。三相abc的THD值由24.89%分別下降至3.54%,3.85%,3.26%。

2)三相電壓相角不平衡

三相電源電壓的有效值均為220 V,但abc三相的相角分別為0°,-90°,60°;其他參數(shù)與電網(wǎng)平衡時一致,無加載和卸載過程。仿真結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見,經(jīng)本文控制方法的SAPF補(bǔ)償后,能夠達(dá)到電源電流正弦化和諧波補(bǔ)償?shù)哪康?。abc三相的THD值由24.89%分別下降至2.54%,2.23%,2.60%。

3)單相短路接地

abc三相電源電壓的有效值分別為220,0,220 V(即b相發(fā)生接地故障);其他參數(shù)與電網(wǎng)平衡時一致,無加載和卸載過程。圖5和附錄A圖A4分別為本文提出的混合控制方法、傳統(tǒng)PI控制方法的仿真曲線。

由圖5和附錄A圖A4可見,圖5(b)中本文混合控制下abc三相電源電流的THD值分別為3.14%,2.77%,2.91%,而附錄A圖A4(a)中傳統(tǒng)PI控制下各相電源的THD值分別為6.62%,7.58%,6.52%;通過比較圖5(d)和附錄A圖A4(b)可見,本文混合控制方法下SAPF補(bǔ)償后電源的零序電流值更小;對比圖5(e)和附錄A圖A4(c)可見,在本文提出混合控制方法、傳統(tǒng)PI控制方法下,直流側(cè)總電壓的穩(wěn)定時間分別為0.05 s和0.11 s。因此,本文提出的混合控制方法的補(bǔ)償效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制方法。

4 電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF混合無源控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出方法的優(yōu)越性,本文制作了2 kW電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF系統(tǒng)樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。SAPF主電路IGBT采用了日本FUJI公司的2MBI400U4H,驅(qū)動芯片采用了瑞士CONCEPT公司的2SD315AI,控制芯片采用了美國TI公司的TMS320F28335DSP,直流側(cè)電容為Cf=2 mF,輸出濾波電感Lf=3 mH,三相電源為220 V/50 Hz。

圖3 三相電壓幅值不平衡時仿真曲線Fig.3 Simulation curves when the amplitude of three-phase voltage is unbalanced

附錄A圖A5為abc三相電源電壓有效值均為220 V時,SAPF補(bǔ)償前后三相電源電流、直流側(cè)總電壓、直流側(cè)差壓的波形圖;附錄A圖A6為突然減小負(fù)載時的實(shí)驗(yàn)波形圖;附錄A圖A7為abc三相電源電壓有效值分別為220,150,192 V時,SAPF補(bǔ)償前后電源電流、直流側(cè)總電壓、直流側(cè)差壓的波形圖。

由附錄A圖A5 至圖A7可見,經(jīng)本文所提方法控制下的SAPF能有效補(bǔ)償諧波、零序和無功電流,使直流側(cè)總電壓達(dá)到給定值,同時保證直流側(cè)差壓約為0,且具有良好的動靜態(tài)特性。因此,硬件樣機(jī)上實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了本文方法的正確性和有效性。

圖4 三相電壓相角不平衡時仿真曲線Fig.4 Simulation curves when the phase of three-phase voltage is unbalanced

5 結(jié)論

本文對電容中點(diǎn)式三相四線制SAPF的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析,提出了SAPF混合無源控制策略的新控制方法,通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究得到如下結(jié)論。

1)本文根據(jù)被控對象的無源性,建立了其EL模型,設(shè)計(jì)出了能使SAPF的內(nèi)環(huán)補(bǔ)償電流完全解耦的PBC規(guī)律,相比與傳統(tǒng)的控制方法,PBC無需對諧波的正負(fù)序分量進(jìn)行處理,具有很強(qiáng)的魯棒性。

圖5 本文提出的混合控制方法下b相接地時仿真曲線Fig.5 Simulation curves under hybrid control method proposed in this paper at b-phase grounding

2)無源控制器結(jié)構(gòu)簡單,可調(diào)參數(shù)少,能顯著提高SAPF的動態(tài)響應(yīng)速度,減小調(diào)節(jié)時間,能夠在電網(wǎng)平衡/不平衡條件下,快速有效地對諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償,減小零序電流,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流正弦化進(jìn)一步降低諧波含量。

3)通過比較外環(huán)電壓采用PI控制和2階低通濾波控制的性能,可以看出采用2階低通濾波控制的效果更優(yōu)越。

本文還存在一些需要進(jìn)一步研究的問題。例如,本文中的電流內(nèi)環(huán)采用了PBC方法,而PBC仍要依靠精確的數(shù)學(xué)模型及系統(tǒng)的參數(shù),而實(shí)際系統(tǒng)中會存在一些不確定因素會造成系統(tǒng)模型及參數(shù)的變化,從而影響其控制效果。因此,下一步應(yīng)研究消除不確定因素對PBC影響的方法。另外,在高壓大容量系統(tǒng)中,三電平變換器得到了廣泛的應(yīng)用,下一步可將PBC引入到三電平SAPF的控制中。

本文研究得到上海市電站自動化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(13DZ2273800)的資助，謹(jǐn)此致謝！

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Nonlinear Control Strategy of Three-phase Four-wire Shunt Active Power Filter with Mid-point Capacitor Based on Hybrid Passive Theory

ZHANGYu1,2,CHENGQiming1,2,CHENGYinman3,TANFengren1,2,GAOJie1,2,YUDeqing1,2

(1. College of Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Power Station Automation Technology, Shanghai 200090, China; 3. College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

The three-phase four-wire shunt active power filter (SAPF) with mid-point capacitor can be used to compensate for all harmonics, zero sequence and reactive current of the nonlinear load no matter whether the power system is balanced or unbalanced because of the additional path for zero sequence current compared to three-phase three-wire SAPF. Control of SAPF via the nonlinear passive controller by using its passivity can yield a better compensating effect than the conventional linear and nonlinear controller. And there is no need of detection and treatment of the positive and negative sequence components of all harmonics when the power system is unbalanced. A hybrid passivity-based control (PBC) strategy of mid-point capacitor three-phase four-wire SAPF is proposed. Firstly, according to the Euler-Lagrange mathematical model of the controlled object in the dq0 coordinate system, the passivity of the SAPF is analyzed, and the passive control law of the inner-loop current of SAPF able to make the controlled quantity converge to the expected value is obtained. Secondly, the damping injection method is used to simplify the design of the system, and the new passive control law capable of completely decoupling the compensation current of the inner-loop is obtained as an improvement on the dynamic performance of the system. Thirdly, the outer-loop voltage controller of SAPF based on the 2-order low-pass filter is designed according to the close relation between the total and differential voltage at the DC side and compensating current. Finally, the feasibility and superiority of applying hybrid PBC to SAPF is verified by Simulink software simulation and experiment. Compared with the traditional PI control, the control method proposed in this paper has a faster response speed and better compensation effect.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61573239) and Key Science and Technology Plan of Shanghai Science and Technology Commission (No. 14110500700)..

shunt active power filter (SAPF); three-phase four-wire; mid-point capacitor type; unbalanced power grid; passivity-based control (PBC); 2-order low-pass filter control

2017-01-09;

2017-03-20。

上網(wǎng)日期: 2017-05-23。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61573239);上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(14110500700)。

張 宇(1992—),女,碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)自動化、電機(jī)控制。E-mail： 1499021689@qq.com

程啟明(1965—),男,通信作者,教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向:電力系統(tǒng)自動化、發(fā)電過程控制、先進(jìn)控制及應(yīng)用。E-mail: chengqiming@sina.com

程尹曼(1990—),女,碩士研究生,主要研究方向:電力系統(tǒng)自動化、新能源發(fā)電控制。E-mail: chengyinman@hotmail.com

(編輯 王夢巖)