曾令全,范建兵,戚 鑫

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

?

●電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化●

基于多重復(fù)系數(shù)濾波的電壓補(bǔ)償策略

曾令全,范建兵,戚 鑫

(東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院,吉林 吉林 132012)

提出一種基于電壓的選擇性諧波補(bǔ)償方法(SHC),該方法使用多重復(fù)系數(shù)濾波器來提取諧波電壓,并通過靜止坐標(biāo)系下的廣義積分器(SGI) 來輸出已檢測(cè)出的諧波補(bǔ)償量。多重的復(fù)系數(shù)濾波器可以在電網(wǎng)處于擾動(dòng)狀態(tài)時(shí)精確地分離電網(wǎng)的基波和諧波分量,為控制SAPF提供準(zhǔn)確的參考值。仿真試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法對(duì)電壓諧波的檢測(cè)具有較高精度和很好的補(bǔ)償效果。

諧波電壓;廣義積分器;靜止坐標(biāo)系;多重復(fù)系數(shù)濾波器

目前,配電網(wǎng)中使用的各種功率開關(guān)器件以及其他非線性負(fù)載,方便了電能的轉(zhuǎn)換,但導(dǎo)致了大量諧波電流注入電網(wǎng),嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全運(yùn)行與正常使用[1-3]。同時(shí)電力電子設(shè)備中修正功率因數(shù)的電容器也增加了諧振現(xiàn)象的發(fā)生,放大了由諧波電流引起的諧波電壓[4]。文獻(xiàn)[5-7]提出一種多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的指定次諧波電流檢測(cè)方法,雖然針對(duì)各次諧波的檢測(cè)很準(zhǔn)確,但是由于要在多個(gè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行運(yùn)算,因此造成運(yùn)算量過大,檢測(cè)的響應(yīng)速度慢。文獻(xiàn)[8]提出一種基于特定諧波消除的并網(wǎng)鎖相環(huán)技術(shù),但該方法運(yùn)算過于復(fù)雜,實(shí)時(shí)性不好。文獻(xiàn)[9]提出采用諧波分次檢測(cè)結(jié)合單PI控制器集中電流環(huán),并在檢測(cè)環(huán)節(jié)中加入相位補(bǔ)償以抑制檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流環(huán)固有時(shí)延對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,但未解決采用單PI控制器集中電流環(huán)跟蹤各選擇頻次諧波分量時(shí)存在的靜差問題。為了解決這些問題,本文采用一種多重復(fù)系數(shù)濾波器來提取諧波電壓,同時(shí)利用于靜止坐標(biāo)系,可有效減少運(yùn)算量,提升檢測(cè)速度,很好地控制延時(shí)問題。

1 有源濾波器諧波補(bǔ)償策略

諧波補(bǔ)償就是通過APF向電網(wǎng)注入一定的電流,通常用非線性負(fù)載連接到公共連接點(diǎn)(PCC)進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)負(fù)載電流來控制APF的示意流程,如圖1所示。

源電流Is可以看做是基波電流I1和諧波電流Ih的疊加,即

Is=I1+Ih

其中Ih是各次諧波電流之和:

由SAPF發(fā)出與Ih大小相等,方向相反的補(bǔ)償電流。

1.1 基于負(fù)載電流補(bǔ)償

在傳統(tǒng)的控制策略中,APF的參考電流IL,h取自負(fù)載電流IL(圖1(a))。因?yàn)樨?fù)載電流IL和諧波電流IL,h在補(bǔ)償前并不變化,所以測(cè)量出的諧波電流在這種控制策略中可看做是前饋控制,IF是輸出的補(bǔ)償電流。傳統(tǒng)APF控制策略如圖2所示。

圖1 諧波補(bǔ)償控制策略

圖2 傳統(tǒng)APF控制策略

當(dāng)只考慮諧波電流補(bǔ)償時(shí),濾波器的參考電流為

1.2 基于源電流補(bǔ)償

當(dāng)考慮補(bǔ)償效果時(shí),傳統(tǒng)的APF控制策略還可以通過檢測(cè)源電流IS來補(bǔ)償諧波。從IS中提取出的諧波電流IS,h和諧波電流控制器位于這個(gè)反饋回路中,將被檢測(cè)出的諧波參考值設(shè)置為0,從而輸出與諧波大小相等方向相反的補(bǔ)償值,如圖1(b)所示。

1.3 基于電壓補(bǔ)償

或更精確的表達(dá)為

1) 諧波檢測(cè)。多重復(fù)系數(shù)濾波器來檢測(cè)諧波,正序和負(fù)序的基波和諧波被解耦,正序的基波被用來確定頻率和相位。

2) 諧波控制器。在諧波控制器內(nèi),通過靜止坐標(biāo)系下的廣義積分器(SGI)將各次諧波分離。

3) 鎖相環(huán)。通過一種通用的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的鎖相環(huán)技術(shù)(SRF-PLL)來確定頻率[10]。

圖3 基于電壓補(bǔ)償?shù)目刂撇呗詧D

2 基于電壓補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/h2>

2.1 多重復(fù)系數(shù)諧波檢測(cè)器

文獻(xiàn)[11]提出了一種頻率同期方法,這種方法通過基于多重復(fù)系數(shù)一階帶通濾波狀態(tài)估計(jì)器來實(shí)現(xiàn),如圖4(a)中所示,它通過使用靜止坐標(biāo)系下的克拉克變換形成一個(gè)正交的兩相α-β系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)復(fù)系數(shù)濾波器的應(yīng)用，如圖4(b)所示。

圖4 傳遞函數(shù)和復(fù)系數(shù)濾波器組成

其中

2.2 靜止坐標(biāo)系下的廣義積分器(SGI)

諧波控制器由各次諧波對(duì)應(yīng)的PI控制器組成。為使控制器適應(yīng)各自的頻率,將它設(shè)計(jì)成帶通特性?？刂破麽槍?duì)k次諧波的傳遞函數(shù)為

靜止坐標(biāo)系下的廣義積分器如圖5所示,各次諧波的控制器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖5 靜止坐標(biāo)系下的廣義積分器

kKpKi-110．0400-52．04071 530-111 330130 830-170 625190 220

式中:Kp和Ki為比例和積分增益系數(shù),Uh,x為所選擇的諧波電壓。

2.3 結(jié)合多重復(fù)系數(shù)濾波和SGI技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)電網(wǎng)處于暫態(tài)時(shí),準(zhǔn)確檢測(cè)出基波電壓和諧波電壓對(duì)于實(shí)現(xiàn)控制器補(bǔ)償電流的控制非常重要。基于SRF-PLL技術(shù)為多重復(fù)系數(shù)諧波檢測(cè)器提供了一種簡(jiǎn)單高效的方法,當(dāng)電網(wǎng)處于故障狀態(tài)時(shí),可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出基波電壓和諧波電壓的幅值和相角?；谂煽俗儞Q的SRF-PLL技術(shù)減少了計(jì)算量,復(fù)數(shù)濾波器需要的諧波和不平衡提取量取自克拉克變換,減少了完成計(jì)算所需的數(shù)據(jù)量。

將耦合的各次諧波分離,使其獨(dú)立地通過諧波積分器,提供基于電壓的諧波補(bǔ)償值。由于復(fù)系數(shù)諧波檢測(cè)器在克拉克坐標(biāo)下計(jì)算諧波電壓,因此SGI控制器的計(jì)算量變得非常少。

2.4 多重復(fù)系數(shù)濾波器模擬測(cè)試環(huán)境

使用一個(gè)簡(jiǎn)化的低壓電網(wǎng)作為測(cè)試對(duì)象,測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成如圖6所示。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

用戶負(fù)載接入母線1和母線3,同時(shí)快速充電設(shè)備接入于母線上,產(chǎn)生諧波電流。測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)如表2所示。

表2 測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)

本文提出的多重復(fù)系數(shù)濾波器并聯(lián)接到母線2可驗(yàn)證所提出的諧波補(bǔ)償策略的補(bǔ)償效果。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

測(cè)試系統(tǒng)用MATLAB Simulink里SimPower Systems Toolbox來實(shí)現(xiàn),使用一個(gè)理想化的電流源來模擬SAPF變流器提供補(bǔ)償值,選擇具有多種參數(shù)的負(fù)載來產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波電壓。

為了確定補(bǔ)償器的補(bǔ)償效果,在有補(bǔ)償和無補(bǔ)償兩種條件下檢測(cè)電網(wǎng)電壓中的諧波含有率THDu。補(bǔ)償前后的諧波含量對(duì)比值如表3所示,連接補(bǔ)償器時(shí)的電網(wǎng)電流和補(bǔ)償器的補(bǔ)償電流如圖7所示。

表3 總諧波失真率對(duì)比

圖7 配電網(wǎng)上的線電流測(cè)量值和注入母線2的補(bǔ)償電流

從圖7可以看出,當(dāng)補(bǔ)償器電流增加時(shí),電網(wǎng)諧波電流明顯減少。

多重復(fù)系數(shù)濾波器分離諧波的結(jié)果如圖8所示。

圖8 各次諧波分離的測(cè)試結(jié)果

從圖8可以看出,通過多重復(fù)系數(shù)濾波器檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用,可以實(shí)現(xiàn)基波電壓和諧波電壓的分離,同時(shí)也可以檢測(cè)出各單次諧波。

測(cè)量點(diǎn)的諧波含量如圖9所示。

圖9 測(cè)量點(diǎn)的諧波含量

由圖9可見,補(bǔ)償器連接點(diǎn)母線2處的諧波幾乎被完全補(bǔ)償,同時(shí)通過提供母線3和母線1上的諧波含量補(bǔ)償前后的值,可以看到這種補(bǔ)償策略能夠有效地降低諧波電壓。

4 結(jié) 語

本文提出了一種基于電壓的選擇性諧波補(bǔ)償控制策略,通過多重復(fù)系數(shù)濾波器和廣義PI控制器來實(shí)現(xiàn)。多重復(fù)系數(shù)濾波器可以從失真條件下準(zhǔn)確且快速地提取出頻率和相位的信息,同時(shí)給諧波控制器提供分離的參考信號(hào)。而且廣義PI控制器應(yīng)用于靜止的α-β坐標(biāo)系,減少了計(jì)算量。仿真結(jié)果表明,這種控制策略能夠顯著地降低電網(wǎng)中的THDu,同時(shí)被選擇的各次諧波也得到了很好的補(bǔ)償。

[1] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998. WANG Zhaoan, YANG Jun, LIU Jinjun. Harmonic reduction and compensation for reactive power [M]. Beijing: China Machine Press, 1998.

[2] 王林川,龐金龍,柳 川.基于雙模糊復(fù)合控制的SAPF直流側(cè)電壓控制[J].黑龍江電力,2014,36(4):283-286. WANG Linchuan, PANG Jinlong, LIU Chuan. SAPF DC side voltage control based on dual fuzzy complex control[J]. Heilongjiang Electric Power, 2014,36(4):283-286.

[3] 范瑞祥,羅安,周柯,等.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的建模和控制策略分析[J] 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2006,26(12)：55-61. FAN Ruixiang, LUO An, ZHOU Ke, et al. Selective harmonic current control based on multiple synchronous rotating coordinates[J]. Proceedings of the CSEE, 2006,26(12):55-61.

[4] ASIMINOAEI L, LASCU C,BLAABJERG F. Performance improvement of shunt active power filter with dual parallel topology[J].IEEE Trans. on Power Electronics,2007,22(1): 247-259.

[5] 張樹全,戴珂,謝斌,等.多同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下指定次諧波電流控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(3):55-62. ZHANG Shuquan, DAI Ke, XIE Bin, et al. Selective harmonic current control based on multiple synchronous rotating coordinates[J]. Proceedings of the CSEE, 2010,30(3):55-62.

[6] LADISA C,ZANCHETTA P,SUMNER M.Improved voltage harmonic control for shunt active power filters using multiple reference frames[C]//Proceedings of IEEE ISIE.Vigo:IEEE,2007:844-849.

[7] 曹武,江楠,劉康禮,等.改進(jìn)諧波分次檢測(cè)結(jié)合集中電流環(huán)的APF 諧波獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(3):387-396. CAO Wu, JIANG Nan, LIU Kangli, et al. An improved control structure consisting of selective harmonic detection and centralized current loop for the independent harmonic control and implementation of APF[J]. Proceedings of the CSEE, 2014,34(3):387-396.

[8] 袁慶慶,伍小杰,石祥龍,等.基于特定諧波消除的并網(wǎng)鎖相環(huán)技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(36):34-40. YUAN Qingqing, WU Xiaojie, SHI Xianglong, et al. Grid-connected phase locked loop based on selective harmonic elimination[J]. Proceedings of the CSEE, 2013,33(36):34-40.

[9] 郭希錚,韓強(qiáng),楊耕,等.可選擇諧波型有源電力濾波器的閉環(huán)控制和實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2006,21(9):51-56. GUO Xizheng, HAN Qiang, YANG Geng, et al. Closed-loopcontrol method and implementation of selective harmonic type active power filters[J]. Transactions of China Electro technical Society, 2006,21(9):51-56.

[10] RODRIGUEZ P,POU J, BERGAS J,et al. Decoupled double synchronous reference frame pll for power converters control[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2007,22(2):584-592.

[11] GUO X,WU W,CHEN Z.Multiple-complex coefficient filter based phase-locked loop and synchronization technique for three-phase grid interfaced converters in distributed utility networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2011,58(4):1194-1204.

(責(zé)任編輯 郭金光)

Voltage compensation strategy based on multiple-complex coefficient filter

ZENG Lingquan, FAN Jianbing, QI Xin

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

This paper proposed the method for voltage-based selective harmonic compensation (SHC), a method which used multiple-complex coefficient filter to extract harmonic voltage and transferred the checked harmonic compensation quantity through SGI in static coordinate. Furthermore, multiple-complex coefficient filter could separate grid fundamental wave from harmonic component when the grid is under the condition of disturbance, further providing accurate reference value in the overall SAPF control. The simulation results validate the proposed method for voltage harmonic detection accuracy and compensation effect.

harmonic voltage; generalized integrators; stationary coordinate; multiple complex coefficient filter

2015-09-17。

曾令全(1955—),男,教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事電能質(zhì)量分析與控制方面的研究。

TN713

A

2095-6843(2016)02-0095-05