基于次諧波補(bǔ)償?shù)挠性措娏V波器控制方法

胡恒錚

摘要：傳統(tǒng)有源電力濾波器控制方法控制多臺(tái)濾波器時(shí)補(bǔ)償容量低、動(dòng)態(tài)性能差，為此提出基于次諧波補(bǔ)償?shù)挠性措娏V波器控制方法。將多臺(tái)有源電力濾波器并聯(lián)在一起，設(shè)置各自的控制電路和次諧波檢測(cè)裝置，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)裝置的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)傳輸?shù)碾娏鲾?shù)據(jù)與指令信號(hào)電流作比較，提出有源電力濾波器的控制策略，在控制策略的支持下，控制有源電力濾波器直流側(cè)電壓，在保證電壓穩(wěn)定的情況下，在DSP芯片上執(zhí)行控制命令，達(dá)到控制有源電力濾波器的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的有源電力濾波器控制方法電流不平衡度低、所需調(diào)節(jié)時(shí)間少，該控制方法的動(dòng)態(tài)性能更好。

關(guān)鍵詞：次諧波補(bǔ)償;諧波治理;有源電力濾波器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN713+.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

電力是現(xiàn)代人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚囊环N主要能源，但是諧波問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成潛在的威脅，是電網(wǎng)中的一大公害，電網(wǎng)中的諧波污染問(wèn)題是電氣工程領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究課題。隨著電網(wǎng)覆蓋面積的增加，電網(wǎng)中諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重，研究人員對(duì)諧波污染越來(lái)越重視，故國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的人在大力發(fā)展和研究電網(wǎng)諧波治理技術(shù)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究的諧波治理技術(shù)主要分為兩種，一種是主動(dòng)型諧波治理、一種是被動(dòng)型諧波治理。其中主動(dòng)型諧波治理往往通過(guò)改造自身來(lái)達(dá)到諧波治理的目的;主動(dòng)型諧波治理則是利用外部輔助裝置和設(shè)備來(lái)抵消諧波，達(dá)到諧波治理的目的。出于對(duì)電網(wǎng)諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償目的的考慮，采用有源電力濾波器治理電網(wǎng)諧波污染是一個(gè)有效手段。使用有源電力濾波器處理諧波時(shí)，對(duì)有源電力濾波器的控制尤為重要。在傳統(tǒng)控制方法中，對(duì)于三相電網(wǎng)，其電流不平衡度比較高，需要消耗的調(diào)節(jié)時(shí)間比較多，嚴(yán)重影響有源電力濾波器控制方法的動(dòng)態(tài)性能。因此，提出基于次諧波補(bǔ)償?shù)挠性措娏V波器控制方法，以解決上述傳統(tǒng)控制方法中存在的問(wèn)題。

1有源電力濾波器控制方法

1.1并聯(lián)有源電力濾波器

單臺(tái)有源電力濾波器受到電子器件參數(shù)影響，難以滿足電流負(fù)載諧波的補(bǔ)償要求，在使用時(shí)很難及時(shí)實(shí)現(xiàn)控制。為了更好地控制多臺(tái)特定有源電力濾波器，提高有源電力濾波器總的補(bǔ)償容量，采用并聯(lián)形式。根據(jù)電子器件參數(shù)獲得負(fù)載電流的大小，設(shè)置不同容量的有源電力濾波器，以補(bǔ)償不同階次的次諧波電流，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分配，由于次諧波的特性是諧波次數(shù)越低，諧波含量越高，因此在分配諧波次數(shù)時(shí)利用諧波電流的均衡分?jǐn)倎?lái)實(shí)現(xiàn)分配。有源電力濾波器的并聯(lián)原理圖如圖1所示。

這種并聯(lián)裝置中每臺(tái)有源電力濾波器都有各自的控制電路和檢測(cè)裝置，當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到次諧波時(shí)，在控制器中完成次諧波分析，計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞑ㄐ巍Ｅc此同時(shí)，控制器根據(jù)柜體的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)不同的輸出電流數(shù)據(jù)進(jìn)行分配，完成輸出電流控制，解決故障保護(hù)。在控制中，通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)裝置的遠(yuǎn)程監(jiān)控與通訊，將監(jiān)控的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳送至控制室和上位機(jī)，此時(shí)，技術(shù)人員根據(jù)觀察到的有源電力濾波器的運(yùn)行參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。

1.2有源電力濾波器的控制策略

將實(shí)際電流與指令信號(hào)電流的差值控制最小作為控制目的，對(duì)有源電力濾波器的主電路的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)有源電力濾波器的控制。

在有源電力濾波器的控制中，三相瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流定義為：

1.3控制有源電力濾波器

為了使并聯(lián)有源濾波器正常工作，將控制濾波器的直流側(cè)電容的電壓保持在一定值，以確保主電路實(shí)時(shí)能夠產(chǎn)生正確的補(bǔ)償電流。如果直流側(cè)電壓變化較大，則會(huì)發(fā)生過(guò)補(bǔ)償或欠補(bǔ)償現(xiàn)象，對(duì)諧波輸出電流造成干擾。

在有源電力濾波器中，每相中的瞬時(shí)有功功率的和等于三相電路的有功功率，每相中的瞬時(shí)有功功率之和為零。除并聯(lián)有源電力濾波器的三相損耗之外，并聯(lián)有源電力濾波器上的有功電流立即轉(zhuǎn)移到直流側(cè)。當(dāng)有源電力濾波器僅用于補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)，瞬時(shí)有功功率始終為零，由此可以看出有源電力濾波器的直流側(cè)電壓始終保持恒定。當(dāng)使用有源電力濾波器來(lái)補(bǔ)償次諧波時(shí)，此時(shí)電源僅需要提供逆變電流的直流分量，以建立對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流的基波分量，在這種情況下，瞬時(shí)有功功率的平均值為零，直流側(cè)電壓保持不變，但是由于有交流部分，直流側(cè)電壓將隨瞬時(shí)有功功率的變化而變化。

如果有源電力濾波器的直流側(cè)實(shí)際電壓低于期望電壓，調(diào)整三相瞬時(shí)電流大于零，此時(shí)有源電力濾波器從電網(wǎng)中吸取能量，將能量傳遞到直流側(cè)，使其電壓升高;反之調(diào)整三相瞬時(shí)電流小于零，電網(wǎng)從有源電力濾波器中吸取能量，直流側(cè)能量減少，此時(shí)電壓下降。

在有源電力濾波器直流側(cè)電壓穩(wěn)定的情況下，使用PI控制器對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償控制，在控制過(guò)程中，忽略耦合和電壓擾動(dòng)對(duì)有源電力濾波器的影響，PI控制以零極點(diǎn)的形式表示，在考慮PT控制穩(wěn)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性時(shí)，采用零極點(diǎn)抵消的形式等效降階二階控制，處理完成，選擇合適的阻尼比，設(shè)定PI控制器的約束條件。在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)特定次諧波的PT參數(shù)，防止不同次的諧波含量影響控制性能，保證有源電力濾波器的補(bǔ)償效果達(dá)到最佳。

在電源電壓或者負(fù)載不平衡時(shí)，將每次諧波電流分解為正序和負(fù)序分量，只有當(dāng)正序分量和負(fù)序分量實(shí)現(xiàn)同步時(shí)，才能利用同步的正序諧波和負(fù)序諧波來(lái)控制次諧波電流，隨著次諧波電流次數(shù)的增加，控制芯片計(jì)算量越來(lái)越大，此時(shí)選用TMS320LF2407A芯片作為控制芯片，利用該芯片組成控制電路，電路中主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、PWM波形輸出電路等部分。通過(guò)上述控制過(guò)程可知，有源電力濾波器的控制方法十分復(fù)雜，選擇合適的DSP芯片對(duì)于提高控制性能極為重要。以TMS320LF2407A作為核心芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用四級(jí)流水線技術(shù)加快程序的執(zhí)行，通過(guò)兩個(gè)狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)CPU的各種狀態(tài)的保存。如果指定電流的計(jì)算與電流的跟蹤控制由模擬器件構(gòu)成，待三相負(fù)載電路的瞬時(shí)有功電流計(jì)算完成后，利用傳感器輸出主電路的三相實(shí)際補(bǔ)償電流，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，得到逆變電路實(shí)際輸出的瞬時(shí)有功電流，再通過(guò)上述控制過(guò)程實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的控制。

2有源電力濾波器控制方法實(shí)驗(yàn)研究

2.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在有源電力濾波器控制方法實(shí)驗(yàn)中，使用MAT-LAB軟件搭建三相三線制有源電力濾波器的仿真，以不同控制方法的調(diào)節(jié)時(shí)間和電流不平衡度為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)比分析不同控制方法的實(shí)際性能。

在仿真中，利用MATLAB軟件建立模，在模型中接入三相平衡的不控整流負(fù)載，通過(guò)參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，使有源電力濾波器補(bǔ)償電流保持穩(wěn)定，此時(shí)，突加單相不控整流負(fù)載。在完成整個(gè)三相三線制有源電力濾波器的仿真后，觀察有源電力濾波器直流側(cè)電壓、三相負(fù)載電流和三相電網(wǎng)電流變化，通過(guò)這三個(gè)參數(shù)的變化計(jì)算出不同控制方法的電流不平衡度，計(jì)算公式如下：

在使用不同方法控制后，計(jì)算有源電力濾波器穩(wěn)定所需調(diào)節(jié)時(shí)間。結(jié)合電流不平衡度和調(diào)節(jié)時(shí)間分析不同控制方法。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用提出的基于次諧波補(bǔ)償?shù)目刂品椒ā⒒诮惦A矢量比例積分器的控制方法以及容錯(cuò)控制方法對(duì)仿真的有源電力濾波器進(jìn)行控制，控制完成后，計(jì)算電流不平衡度和調(diào)節(jié)時(shí)間。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所列。對(duì)比觀察表1中結(jié)果，從中可以看出，在負(fù)載不平衡時(shí)，提出的基于次諧波補(bǔ)償?shù)目刂品椒娏鞑黄胶舛鹊?，所需調(diào)節(jié)時(shí)間短，這是因?yàn)樘岢龅目刂品椒ㄓ行У匾种屏擞性措娏V波器直流側(cè)電壓上的2次諧波對(duì)輸出電流的影響，說(shuō)明該控制方法具有優(yōu)秀的動(dòng)態(tài)性能，優(yōu)于傳統(tǒng)的有源電力濾波器控制方法。

3結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)基于次諧波補(bǔ)償?shù)挠性措娏V波器控制方法，為現(xiàn)階段電網(wǎng)諧波故障問(wèn)題的解決提供幫助。以現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外研究資料和文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，完成有源電力濾波器控制方法的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)完成后，以對(duì)比實(shí)驗(yàn)的形式驗(yàn)證控制方法的實(shí)際性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于次諧波補(bǔ)償?shù)目刂品椒ǜ涌茖W(xué)可靠。但是設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于時(shí)間限制，尚有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如補(bǔ)償后電源電流尖刺現(xiàn)象的處理，后續(xù)研究中將從這方面展開(kāi)研究與分析。