并聯(lián)有源電力濾波器控制策略研究

巫 悅，王茗萱

(1.東北電力大學(xué)，吉林，吉林 132012；2.國網(wǎng)長春供電公司，長春 130021 )

在微電網(wǎng)和配電網(wǎng)系統(tǒng)之間配置并聯(lián)有源電力濾波器(SAPF)，可有效狙擊微電網(wǎng)內(nèi)部諧波向大電網(wǎng)的擴(kuò)散[1]，提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量。SAPF作為一種動態(tài)補(bǔ)償設(shè)備，它對諧波電流的實時檢測以及電流的跟蹤控制都提出了很高的要求。國內(nèi)外專家就SAPF的控制問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]提出了一種電容中點(diǎn)式的SAPF控制策略，通過簡化SAPF內(nèi)環(huán)電流的控制規(guī)律來提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，但不適用于三相三線制的系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]針對電網(wǎng)中非線性負(fù)載大量攀升，設(shè)計了一個最大補(bǔ)償電流為100 A的SAPF系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]通過最小二乘法提取基波電壓，提高了控制的靈活性與穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5]提出了一種新的容錯控制方法，使得SAPF中某一電力電子器件故障時，利用其余器件組成三相四開關(guān)逆變器，保證其能繼續(xù)工作。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種含諧振阻尼的SAPF控制方法，采用該方法后網(wǎng)側(cè)電流和公共耦合點(diǎn)(PCC)電壓均滿足電能質(zhì)量要求。文獻(xiàn)[7]通過紋波法消除了電網(wǎng)直流分量，提高了單相SAPF系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。

本文結(jié)合SAPF控制中的實際需求，提出了一種基于檢測特定次諧波的諧波檢測算法，并在電流內(nèi)環(huán)控制中采用無差拍控制手段，在保證輸出電流誤差滿足要求的同時提高控制精度，最后通過PSIM仿真驗證了該策略的有效性。

1 SAPF諧波檢測策略分析

1.1 基于檢測基波方式的諧波檢測算法

基于檢測基波方式的諧波檢測算法原理見式(1)。

(1)

(2)

1.2 基于檢測特定次諧波的諧波檢測算法

圖1 基于檢測特定次諧波的諧波檢測算法原理框圖

若要檢測出第n次正序諧波電流，此時θ取nω0t；若要檢測第n次負(fù)序諧波電流，θ取-nω0t，對應(yīng)的變化矩陣C1、C2為：

C1=

(3)

(4)

以檢測正序諧波為例，對稱的三相諧波電流通過式(4)進(jìn)行矩陣變換，再通過低通濾波器后，可以獲得其直流分量，為：

(5)

(6)

2 SAPF電流內(nèi)環(huán)無差拍控制

無差拍控制作為一種基于被控對象精確電路模型的控制算法，具有響應(yīng)速度快、跟蹤誤差小的特點(diǎn)，可以根據(jù)逆變器輸出的反饋信號，計算下一個采樣周期逆變器功率器件的開斷時間。

三相橋式脈沖寬帶調(diào)制(PWM)型逆變電路為雙極性控制方式，可認(rèn)為是三個半橋逆變器的并聯(lián)模式，當(dāng)上橋臂導(dǎo)通且下橋臂關(guān)閉時，逆變器輸出電壓為Udc/2；當(dāng)上橋臂關(guān)閉且下橋臂開通時，逆變器輸出電壓為-Udc/2。

以A相為例，忽略輸出濾波器電阻R的影響，ia為A相電流。當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時有：

(7)

下橋臂導(dǎo)通時有：

(8)

將上面兩式在一個開關(guān)周期T內(nèi)求平均，有：

(9)

式中：ton、toff分別為橋臂導(dǎo)通管段的時間；T為周期。

式(9)右邊為APF在一個開關(guān)周期的平均輸出電壓U為：

U=(da-1/2)Udc

(10)

式中da為A相上橋臂在一個開關(guān)周期內(nèi)的脈寬調(diào)制量，定義為：

da=ton/T

(11)

由式(9)和(11)聯(lián)立，可以得到A相的脈寬控制量，同理可以推導(dǎo)其余各相的脈寬控制量da、db、dc并進(jìn)行離散化后的調(diào)制脈寬量可表示為：

(12)

通過無差拍控制公式推導(dǎo)可知，無差拍控制能夠起到自然校正的作用，降低了電網(wǎng)電壓擾動對系統(tǒng)補(bǔ)償效果的影響。

3 仿真驗證

為了對比電流內(nèi)環(huán)無差拍控制與比例積分(PI)控制的性能，通過PSIM仿真軟件建立仿真模型，仿真參數(shù)見表1。其中，PI控制器結(jié)合文獻(xiàn)及實際，分別取PI參數(shù)KP=1，TI=0.1，諧波檢測環(huán)節(jié)采用基于特定次諧波的諧波檢測算法，諧波源為固定的7次諧波，諧波電流為17 A。

圖2給出了0～1.0 s時段內(nèi)的仿真波形，其中，iL-a表示a相負(fù)載電流，iS-a表示a相電網(wǎng)電流，iAPF表示有源逆變器a相輸出電流，Er表示補(bǔ)償誤差。在0.2 s時刻，投入SAPF。由圖2可知，兩種算法都能快速跟蹤電流，減小電流誤差，兩者無太大差別。

圖3給出了0.9～1.0 s時段內(nèi)各控制算法作用下的電流對比波形?？梢钥闯?，無差拍控制算法相比較于PI控制，具有更好的控制精度。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

圖2 0～1 s PI控制和無差拍控制的電流波形

圖3 0.9～1.0 s時段無差拍電流控制電流波形

4 結(jié)論

本文分別針對SAPF的諧波檢測和電流跟蹤控制展開了研究，在諧波檢測方面，采用了更符合工程實際的基于檢測特定次諧波的諧波電流檢測算法，明確了具體的諧波次數(shù)，同時在電流內(nèi)環(huán)控制采用了基于無差拍控制理論的控制算法，相比較于傳統(tǒng)的PI控制，具有更高的控制精度通過PSIM仿真平臺驗證了該策略的有效性，為解決工程實際的諧波抑制問題提供了參考。