有源電力濾波器的濾波和無功補(bǔ)償方法研究

毛以平,董 博,夏 晟,裘 鑫,王善杰

(1.國網(wǎng)浙江寧波市奉化區(qū)供電有限公司，浙江 寧波 315000；2.上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200000)

0 引言

半導(dǎo)體器件技術(shù)[1]的進(jìn)步推動(dòng)了電力電子技術(shù)的革命。然而，基于電力電子技術(shù)的設(shè)備，包括調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電子電源、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電池充電器、電子鎮(zhèn)流器，也導(dǎo)致了電能質(zhì)量相關(guān)問題的增加。非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流[2]通過公共耦合點(diǎn)(point of common coupling，PCC)注入配電系統(tǒng)。這些擾動(dòng)(諧波)是許多問題的根源，會(huì)影響與電源相連的電氣設(shè)備。諧波會(huì)導(dǎo)致敏感設(shè)備故障、電壓應(yīng)力、導(dǎo)體發(fā)熱增加以及影響功率因數(shù)的網(wǎng)絡(luò)阻抗諧波電壓降。傳統(tǒng)的無源濾波器[3]可用于補(bǔ)償諧波和無功功率。但無源濾波器體積大，存在老化和調(diào)諧問題，并且會(huì)與電源阻抗發(fā)生共振。近年來，有源電力濾波器[4](active power filter，APF)被用于同時(shí)補(bǔ)償電流諧波和無功功率。

并聯(lián)型有源電力濾波器[5]設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要任務(wù)是保持與逆變器相連的電容器上的直流電壓恒定。這是因?yàn)榕c逆變器可控開關(guān)相關(guān)的傳導(dǎo)和開關(guān)功率損耗會(huì)導(dǎo)致能量損失，從而降低直流電容器上的電壓值。為此，國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了研究，并取得了豐碩成果。李達(dá)義等[6]提出了一種并聯(lián)型有源電力濾波器的新型控制方法，通過電力電子逆變器產(chǎn)生一個(gè)基波電壓源施加到變壓器二次側(cè)。調(diào)節(jié)施加到二次側(cè)的電壓源的大小，可以使并聯(lián)變壓器對(duì)基波呈現(xiàn)為一個(gè)可調(diào)電抗器，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。張國榮等[7]通過瞬時(shí)功率流分析得到對(duì)直流側(cè)電壓波動(dòng)有影響的功率分量，并在特定的負(fù)載條件下對(duì)該功率分量進(jìn)行積分，從而得到電容能量波動(dòng)精確值。薛花等[8]在建立有源電力濾波器仿射非線性模型的基礎(chǔ)上，提出基于李雅普諾夫函數(shù)的并聯(lián)型混合APF非線性控制方法，并設(shè)計(jì)了電壓-電流雙閉環(huán)控制回路。然而，在大多數(shù)時(shí)間和大多數(shù)工業(yè)電力系統(tǒng)中，電源電壓可能不平衡及失真。在這種情況下，使用p-q理論的控制不能提供良好的性能。

為有效解決電源電壓不平衡及失真問題，本文對(duì)一種并聯(lián)型APF拓?fù)溥M(jìn)行了分析和仿真。該拓?fù)淠軌蛟陔娋W(wǎng)電壓不平衡的情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波電流阻尼和無功補(bǔ)償。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

三相供電系統(tǒng)APF方案如圖1所示。

圖1 三相供電系統(tǒng)APF方案Fig.1 APF solution for three-phase power supply system

負(fù)載可以是單相、兩相或三相，通過定義負(fù)載非線性的橋式整流器平衡或不平衡地連接到供電干線。在這種情況下，三相非受控二極管橋式整流器的電阻感性負(fù)載被認(rèn)為是非線性負(fù)載連接到電源。這種負(fù)載從供電干線吸取非正弦電流。基于絕緣柵雙極晶體管(insulate gate bipolar transistor，IGBT)的電壓源逆變器用作電能質(zhì)量補(bǔ)償器，以補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生/需要的必要諧波和無功功率。此外，系統(tǒng)采用的逆變器由六個(gè)電壓應(yīng)力為Vdc的IGBT開關(guān)、一個(gè)直流電容和三個(gè)升壓電感組成。逆變器由基于滯環(huán)規(guī)則的無載波脈沖寬調(diào)度劑(pulse width modulation,PWM)電流控制技術(shù)控制。其表現(xiàn)為受控電流源。

2 控制策略及系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 控制策略

基于瞬時(shí)功率理論的控制策略指出，電壓型逆變器(voltage source inverter，VSI)可以瞬時(shí)提供無功功率并補(bǔ)償非線性負(fù)載的諧波。這個(gè)假設(shè)形成了著名的p-q理論。根據(jù)p-q理論，由開關(guān)器件組成的瞬時(shí)無功功率補(bǔ)償器實(shí)際上不需要任何儲(chǔ)能元件，可以補(bǔ)償瞬時(shí)狀態(tài)下的基波無功功率以及由負(fù)載瞬時(shí)虛功率引起的諧波電流。

根據(jù)式(1)和式(2)，基本p-q理論由a-b-c坐標(biāo)系中測(cè)量電源電壓(vsa,vsb,vsc)和負(fù)載電流(iLa,iLb,iLc)到α-β坐標(biāo)系的代數(shù)變換組成，然后計(jì)算瞬時(shí)功率分量(p,q)。

(1)

(2)

瞬時(shí)實(shí)功率p和虛功率q的計(jì)算如下所示：

(3)

此外，瞬時(shí)實(shí)功率和虛功率包括交流值和直流值，可表示為：

(4)

此外，負(fù)載電流的α-β分量可分為α-β軸瞬時(shí)真實(shí)分量和負(fù)載電流的無功分量。根據(jù)負(fù)載瞬時(shí)實(shí)際功率和無功功率的直流和交流分量，負(fù)載電流的兩個(gè)重要方程式可表示為：

(5)

基本p-q理論控制算法如圖2所示。

圖2 控制算法框圖Fig.2 Block diagram of control algorithm

通常情況下，可利用低通濾波器[9]將基波分量與實(shí)際情況下不理想的電壓分離。但由于其存在相位和增益精確調(diào)諧的問題，需要三個(gè)以上的電流傳感器來檢測(cè)負(fù)載電流。同時(shí)，特定階數(shù)和截止頻率的確定對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)也起著重要的作用。因此，該方法采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從電源電流中提取基波分量，而不是從非理想電源的負(fù)載電流中提取基波分量，只計(jì)算由基波分量引起的實(shí)際功率。

2.2 控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

控制結(jié)構(gòu)的重要組成部分是參考信號(hào)的估計(jì)。p-q理論適用于理想電源電壓，但在非理想電源電壓條件下不適用[10]。瞬時(shí)實(shí)功率和虛功率的交替值具有電流諧波和電壓諧波。因此，有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流不等于電流諧波。為了在電源中施加具有適當(dāng)基頻的正弦電流，有必要使用低通濾波器對(duì)交流電壓進(jìn)行濾波，從而獲得傳統(tǒng)p-q理論中使用的基波分量。但是這種低通濾波器在系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生相位延遲，需要對(duì)增益和相位裕度進(jìn)行微調(diào)。一個(gè)鎖相環(huán)(phase-locked loop,PLL)塊可以用來代替低通濾波器產(chǎn)生基本成分。PLL在電網(wǎng)電壓不平衡或失真時(shí)性能較差。

為了克服這些局限性，本文提出了基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邏輯控制的p-q理論，在非理想電源電壓條件下，降低一定范圍內(nèi)的總諧波失真。本文采用魯棒模糊控制器代替低通濾波(low pass filtering，LPF)的方案?？刂品桨溉鐖D3所示。

圖3 控制方案框圖Fig.3 Block diagram of control scheme

首先，進(jìn)行三相到兩相的變換。然后，利用模糊規(guī)則從電壓和電流信號(hào)中提取基波分量，進(jìn)而計(jì)算電源和負(fù)載之間的實(shí)際功率交換。即使在電源發(fā)生畸變的情況下，基波分量的提取也能快速、準(zhǔn)確。該電源不僅提供負(fù)載電流的有功功率分量，還提供電流的損耗分量，使直流母線電容器的平均電壓保持恒定。電源電流的這個(gè)損耗分量在穩(wěn)態(tài)條件下供給逆變器電橋中的損耗，如開關(guān)損耗、電容器的泄漏電流等，并在施加于系統(tǒng)的瞬態(tài)條件下調(diào)節(jié)有源電力濾波器直流母線上的儲(chǔ)能。該功率分量通過平均直流母線電壓(Vdc)和所需的直流母線電壓參考值(Vdc,ref)來計(jì)算。式(6)顯示了電源的凈實(shí)際功率，即基本實(shí)際功率和少量損耗功率之和。

(6)

供電系統(tǒng)應(yīng)僅提供上述衍生電源。因此，CC-VSI的α-β參考電源電流表示為：

(7)

(8)

(9)

針對(duì)有源電力濾波器三相感應(yīng)電流和參考電流的電流誤差，采用基于PLL規(guī)則的無載波PWM電流控制技術(shù)，將選通信號(hào)傳輸?shù)絍SI橋的IGBT。有源電力濾波器從交流電源中提取所需電流，以供給諧波和無功電流，并在所有運(yùn)行條件下產(chǎn)生正弦單位功率因數(shù)供電電流。

3 自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)邏輯控制器

自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[11]的結(jié)構(gòu)為一個(gè)典型的兩層(輸入和輸出)網(wǎng)絡(luò)，包括n個(gè)輸入和一個(gè)輸出。該網(wǎng)絡(luò)的基本模塊是輸入信號(hào)延遲向量、線性傳遞函數(shù)、權(quán)值矩陣和偏差。因此，輸入和輸出可描述為：

(10)

式中：b為偏差；wn為權(quán)重；in為網(wǎng)絡(luò)輸入；N為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

此外，由于網(wǎng)絡(luò)的輸入受信號(hào)的時(shí)間延遲序列影響，且考慮到預(yù)期的最大失真和三相輸入信號(hào)的不平衡，故取N=61；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的輸入為電源電壓和電流，輸出為有源電力濾波器參考電流。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制器結(jié)構(gòu)Fig.4 Controller structure for neural networks

為確保訓(xùn)練效率，自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中使用Widrow-Hoff規(guī)則進(jìn)行權(quán)值調(diào)整。通過重復(fù)訓(xùn)練，期望輸出與實(shí)際輸出的均方誤差減小到3.2×10-5，學(xué)習(xí)率為0.000 6。

4 仿真及分析

為了對(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有源電力濾波器進(jìn)行仿真，本節(jié)在Matlab中Simulink TM模塊下建立了仿真模型。整個(gè)有源濾波系統(tǒng)由三相電源、PWM電壓型逆變器和帶三相二極管整流器的R-L負(fù)載組成。

系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能如圖5所示。圖5顯示了在t=0.34 s時(shí)，負(fù)載突然增加和減少，負(fù)載平衡和不平衡時(shí)APF控制方案和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。此外，APF濾波器在0.30 s時(shí)打開。由圖5可知：電源電流總諧波失真由28%降低到2.68%；在負(fù)載不平衡的情況下，電源電流的總諧波失真度約為2.3%，負(fù)載電流的總諧波失真度約為29%。仿真結(jié)果證明了控制器的性能和基準(zhǔn)生成的準(zhǔn)確性。

圖5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能Fig.5 Dynamic system performance

不同方法及總諧波失真值如圖6所示。圖6(a)和圖6(b)所示為采用傳統(tǒng)LPF方法和本文所提自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法總諧波失真(total harmonic distortion，THD)對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯觯陔娫措妷夯兊那闆r下，THD由19.74%降低為2.41%。電壓信號(hào)的輸入分量失真，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的輸出分量是基頻為50 Hz的純正弦。采用LPF控制時(shí)，電源電流波形不是正弦的。因此，本文所提方法具有良好的諧波抑制效果。

圖6 不同方法及總諧波失真值Fig.6 Different methods and total harmonic distortion values

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒有源電力濾波方法，用于在平衡和不平衡的非線性負(fù)載類型和非理想供電電壓條件下有效地補(bǔ)償電流諧波和無功功率。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制性能的提高在仿真中得到了證明。該方案在系統(tǒng)相電壓不對(duì)稱和畸變的情況下也能較好地替代低通濾波器。所提出的方法能夠在不需要無源濾波器的情況下提供補(bǔ)償，并且能夠在不考慮電源電壓和負(fù)載電流條件的情況下保持補(bǔ)償?shù)脑措娏鳌罢摇焙蛶缀酢盁o失真”。