張 芳，史晨虹，王志良，李廣偉，王效亮，石連凱，劉志蕾

（1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；3.北京萬(wàn)興建筑集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

電力電子裝置是人類(lèi)現(xiàn)代化生活中不可或缺的設(shè)備。電子開(kāi)關(guān)設(shè)備為日常生活帶來(lái)方便的同時(shí)，也在電網(wǎng)中引入了諧波源，造成了電網(wǎng)的污染。傳統(tǒng)的LC調(diào)諧濾波器是濾除諧波的主要手段，但其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，也和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。此外，傳統(tǒng)的平均無(wú)功功率補(bǔ)償法具有滯后大和運(yùn)算復(fù)雜等缺點(diǎn)。有源電力濾波（APF）采用的瞬時(shí)無(wú)功功率補(bǔ)償法巧妙的避開(kāi)了傳統(tǒng)算法的劣勢(shì)，不僅實(shí)時(shí)性好而且減小了運(yùn)算量，且可操作性強(qiáng)[1]。本文系統(tǒng)的介紹了有源電力濾波的方法。

1 系統(tǒng)工作原理

有源電力濾波，即通過(guò)測(cè)量分析獲得電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波電流，以此作為指令信號(hào)，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)裝置產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流相同的信號(hào)來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)，從而消除電網(wǎng)中的諧波電流，最終形成一個(gè)閉環(huán)補(bǔ)償系統(tǒng)，使得電網(wǎng)電流穩(wěn)定輸出。如圖1所示。

圖1為APF的結(jié)構(gòu)框圖，圖中Us和Is分別為電網(wǎng)電源和電網(wǎng)電流，IL和IC分別為負(fù)載電流和APF補(bǔ)償電流。從圖中可以看出APF主要由控制器、直流儲(chǔ)能電容、三相逆變橋以及連接電抗器四部分組成。首先系統(tǒng)控制器通過(guò)測(cè)量負(fù)載電流獲得諧波電流信號(hào)，直流儲(chǔ)能電容作為系統(tǒng)的能源裝置，三相逆變橋由開(kāi)關(guān)器件組成，系統(tǒng)控制器就是通過(guò)控制三相逆變橋的開(kāi)關(guān)器件以及連接電抗器的共同作用產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流匯入電網(wǎng)，提供給負(fù)載，從而達(dá)到諧波抑制的效果[6-8]。

圖1 APF系統(tǒng)框圖

2 控制器工作原理

2.1 控制器諧波檢測(cè)算法

諧波電流的檢測(cè)是系統(tǒng)工作的前提調(diào)節(jié)，其檢測(cè)方法多種多樣，有包括基于傅里葉變化的檢測(cè)方法、基于小波變換的檢測(cè)方法、基于卡爾曼濾波器的檢測(cè)方法在內(nèi)的頻域諧波檢測(cè)方法；有以模擬濾波器、理想諧波消除法、同步檢測(cè)法等為代表的時(shí)域諧波檢測(cè)技術(shù)；還有基于DQ軸傅里葉分析檢測(cè)的方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法以及基于自適應(yīng)干擾消除技術(shù)的檢測(cè)方法等其他檢測(cè)方法[2-3，7-11]。

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法在有源電力濾波器發(fā)展過(guò)程中具有里程碑意義，它使APF能夠在實(shí)際中得以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的傅里葉變換檢測(cè)方法需要一個(gè)周期的信號(hào)，實(shí)時(shí)性差；并且經(jīng)過(guò)兩次傅里葉變換，計(jì)算量大。瞬時(shí)無(wú)功功率理論使諧波及無(wú)功的實(shí)時(shí)檢測(cè)成為可能，檢測(cè)無(wú)功電流可以實(shí)現(xiàn)無(wú)延時(shí)；檢測(cè)諧波電流由于低通濾波器的存在會(huì)存在一定時(shí)間延時(shí)，一般為1/6個(gè)周期，實(shí)時(shí)性很好?；ㄓ泄﹄娏骺赏ㄟ^(guò)圖2所示矢量關(guān)系求得。

圖2為電壓和電流在d-q軸坐標(biāo)系下的投影。圖中u→為基波正序電壓矢量，為基波正序電流矢量。為在d軸上的投影，為在q軸上的投影，同理為在d軸上的投影，為在q軸上的投影。為在上的投影，表示電流的有功分量。ipd為在d軸上的分量，表示在d軸的有功分量，同理ipd為在q軸上的分量，表示在q軸的有功分量。利用公式（1），對(duì)在d軸和q軸的有功分量進(jìn)行d-q反變換，從而得到在a、b、c相的有功電流分量，分別為iya、iyb、iyc。

圖2 電壓和電流在d-q軸坐標(biāo)系下的投影

利用公式（2），對(duì)電網(wǎng)三相輸入電流ia、ib、ic與負(fù)載三相有功電流分量做差，即可得到三相補(bǔ)償電流的參考指令

圖3所示為控制器基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)原理框圖。圖中ua、ub、uc為電網(wǎng)的三相輸入電壓，和為ud、uq的直流分量，、為id、iq的直流分量；ω是電網(wǎng)基波角頻率；Vdc為直流儲(chǔ)能電容電壓；是直流儲(chǔ)能電容的參考電壓。

鎖相環(huán)鎖住電網(wǎng)電壓相角，三相輸入電流和電壓首先通過(guò)abc/dq變換到d-q坐標(biāo)系下，id、iq和ud、uq通過(guò)低通濾波器LPF變?yōu)槠渲绷鞣至俊⒑?、，?d-q坐標(biāo)系下得到電流在電壓方向的投影，得到有功電流。有功電流經(jīng)過(guò)dq/abc變換，變換為三相電流iya、iyb、iyc，與輸入電流ia、ib、ic做差，即可得到諧波指令電流。

圖3 APF控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 直流電容穩(wěn)壓策略研究

直流儲(chǔ)能電容是APF重要的元件之一，直流儲(chǔ)能電容用于為APF直流側(cè)提供電壓支撐，直流電容穩(wěn)壓是APF的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于直流電容電壓與APF和電網(wǎng)間有功功率交換有關(guān)，即當(dāng)APF向電網(wǎng)發(fā)出有功功率時(shí)，電容電壓降低；當(dāng)APF從電網(wǎng)吸收有功功率時(shí)，電容電壓升高。所以為保證電容電壓穩(wěn)定，可將電容電壓誤差信號(hào)疊加到指令信號(hào)有功軸。如圖3所示，將電容電壓Vdc與指令信號(hào)做差后經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器加到控制信號(hào)有功軸，用以調(diào)節(jié)電容電壓，保證直流電壓穩(wěn)定[7]。

2.3 控制策略研究

三角載波比較控制方法是一種常用方法，控制算法如圖4所示。圖中，為指令電流，ic為實(shí)際電流，將與ic作差即得到誤差電流Δic，然后通過(guò)PI調(diào)節(jié)，再與三角載波進(jìn)行比較，再加入限流環(huán)節(jié)，即可得到PWM信號(hào)，從而來(lái)控制三相逆變器開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率和占空比。這種閉環(huán)結(jié)構(gòu)，可以使得電流誤差最小，從而達(dá)到電流最大程度跟蹤指令電流的目的。由于固定的三角波頻率，使開(kāi)關(guān)管有固定的開(kāi)關(guān)頻率，輸出濾波電路易于設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)[3-4]。

3 系統(tǒng)仿真分析

目前，電力系統(tǒng)仿真軟件的主流是EMTDC/PSCAD，可以通過(guò)此仿真環(huán)節(jié)建立基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)的APF模型，通過(guò)輸入表格1中的仿真參數(shù)得到了如圖5、圖6所示的仿真波形。其中圖5為基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)算法得到的諧波電流，圖6為APF輸出的補(bǔ)償電流。通過(guò)對(duì)比兩圖發(fā)現(xiàn)，此種方法快速性高、滯后性小、且計(jì)算準(zhǔn)確，滿(mǎn)足諧波補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>

圖4 三角載波比較控制算法

表1 仿真參數(shù)

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)表格1的仿真條件實(shí)際搭建了基于TMS320F28335的APF樣機(jī)，其中控制器諧波電流檢測(cè)方法正是采用了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論[5]，諧波電流采樣頻率10 kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。

圖5 諧波檢測(cè)電流

圖6 APF輸出電流

圖7 補(bǔ)償前電網(wǎng)電流

從圖8中可以看出，利用APF補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流諧波含量很小，證明基于瞬時(shí)無(wú)功功率補(bǔ)償理論的有源電力濾波器具有快速性好和準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)[12]。

5 結(jié)論

通過(guò)仿真模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法，得出結(jié)果滿(mǎn)足預(yù)期要求。因此基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的APF不僅具有很好的操作性，而且滯后小、準(zhǔn)確度高。

圖8 補(bǔ)償后電網(wǎng)電流

此方法有效的解決了電網(wǎng)污染問(wèn)題，從而剔除了電子開(kāi)關(guān)器件在日常生活普及中的障礙，可以進(jìn)行廣泛推廣。

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